RU2668625C1 - Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения сформованной трубной заготовки - Google Patents
Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения сформованной трубной заготовки Download PDFInfo
- Publication number
- RU2668625C1 RU2668625C1 RU2017129302A RU2017129302A RU2668625C1 RU 2668625 C1 RU2668625 C1 RU 2668625C1 RU 2017129302 A RU2017129302 A RU 2017129302A RU 2017129302 A RU2017129302 A RU 2017129302A RU 2668625 C1 RU2668625 C1 RU 2668625C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- arc
- welding
- welded
- laser beam
- laser
- Prior art date
Links
- 238000003466 welding Methods 0.000 title claims abstract description 131
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 210000001503 joint Anatomy 0.000 title claims abstract description 6
- 238000010891 electric arc Methods 0.000 claims abstract description 21
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 19
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 16
- 230000009471 action Effects 0.000 claims description 6
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 claims description 6
- 230000007547 defect Effects 0.000 abstract description 14
- 229910000975 Carbon steel Inorganic materials 0.000 abstract description 10
- 239000010962 carbon steel Substances 0.000 abstract description 9
- 239000002893 slag Substances 0.000 abstract description 7
- 239000011148 porous material Substances 0.000 abstract description 6
- 238000007872 degassing Methods 0.000 abstract description 3
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 28
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 28
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 26
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 8
- 230000035515 penetration Effects 0.000 description 8
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 8
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 102220504526 Dolichyl-diphosphooligosaccharide-protein glycosyltransferase subunit 4_V23K_mutation Human genes 0.000 description 5
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 3
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 3
- 230000006641 stabilisation Effects 0.000 description 3
- 238000011105 stabilization Methods 0.000 description 3
- 238000004804 winding Methods 0.000 description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 2
- 239000007772 electrode material Substances 0.000 description 2
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 2
- 238000005507 spraying Methods 0.000 description 2
- 230000002195 synergetic effect Effects 0.000 description 2
- WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N tungsten Chemical compound [W] WFKWXMTUELFFGS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052721 tungsten Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010937 tungsten Substances 0.000 description 2
- 206010016717 Fistula Diseases 0.000 description 1
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 1
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 1
- 239000003153 chemical reaction reagent Substances 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 1
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 1
- 230000006866 deterioration Effects 0.000 description 1
- 230000008034 disappearance Effects 0.000 description 1
- 238000005530 etching Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000003890 fistula Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 238000007689 inspection Methods 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 1
- 229910001338 liquidmetal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 1
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000011179 visual inspection Methods 0.000 description 1
- 230000003313 weakening effect Effects 0.000 description 1
- 238000005493 welding type Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/346—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding
- B23K26/348—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring in combination with welding or cutting covered by groups B23K5/00 - B23K25/00, e.g. in combination with resistance welding in combination with arc heating, e.g. TIG [tungsten inert gas], MIG [metal inert gas] or plasma welding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
- B23K26/24—Seam welding
- B23K26/26—Seam welding of rectilinear seams
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
- B23K31/00—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups
- B23K31/02—Processes relevant to this subclass, specially adapted for particular articles or purposes, but not covered by only one of the preceding main groups relating to soldering or welding
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Изобретение относится к лазерно-дуговой сварке плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения сформованной трубной заготовки из углеродистой стали большого диаметра от 530 до 1420 мм с толщиной стенок от 8 до 45 мм. Электродуговую сварку выполняют трехфазной дугой. Используют сварочные горелки с плавящимся электродом. Электроды первой и второй дуговых горелок и свариваемую трубу подключают к соответствующей фазе источника трехфазного питания. Лазерный луч фокусируют в области кромок свариваемой поверхности. Расстояние между центром сфокусированного пятна лазерного излучения и точкой дугового контакта электрода первой дуговой горелки устанавливают от 10-15 мм. Точку дугового контакта второй дуговой горелки устанавливают на расстоянии от точки дугового контакта первой горелки, обеспечивающем образование общей сварочной ванны с первой горелкой и лазерным лучом. Лазерный луч наклоняют в сторону, противоположную направлению движения кромок свариваемой поверхности, на угол 20-25° относительно нормали к поверхности свариваемых кромок. Электроды дуговых горелок наклоняют в сторону направления движения кромок свариваемой поверхности на угол 30-35° относительно нормали к поверхности свариваемых кромок. Защитный газ подают в зону лазерного излучения и в зоны электродов. Технический результат заключается в снижении дефектов сварки типа сквозных отверстий, раковин, пор и шлаковых включений за счет улучшения условий дегазации сварочной ванны. 1 ил.
Description
Изобретение относится к технологическим процессам, а именно: к лазерно-дуговой сварке плавящимся электродом в среде защитного газа, и может быть использовано при создании интегральных конструкций методом сварки стыковых соединений, в частности, для сварки сформованных трубных заготовок из углеродистой стали большого диаметра от 530 до 1420 мм с толщиной стенок от 8 до 45 мм.
Известен способ изготовления стальных труб лазерной сваркой (РФ, патент №2456107, В21С 37/08, В21С 37/30, В23К 26/20, В23К 26/42, В23К 101/06, 20.07.2012), включающий сварку шва путем воздействия на внешнюю поверхность стыка сформованной трубной заготовки электрической дугой для нагревания до расплавления продольных краев кромок свариваемой поверхности и последующего воздействия на нагретую часть лазерным лучом.
В известном способе электрическая дуга расположена первой по ходу сварки, т.е. используют неплавящийся электрод. В результате дуга подогревает металл и расплавляет его верхний слой, а лазерный луч осуществляет глубокое проплавление. Однако при лазерной сварке расплавленный металл образуется в очень узкой области. В результате шов сваренной лазером стальной трубы может иметь дефекты в виде раковин и непроваренных отверстий.
Кроме того, при проведении лазерной сварки концентрируется тепловая энергия высокой плотности, что приводит к разбрызгиванию расплавленного металла и снижению количества расплавленного металла в сварочной ванне, в результате чего возникают дефекты сварки, такие как подрез, поднутрение или незаполнение сварного шва (или ослабление), что снижает прочность сваренного участка шва трубы. В известном способе снизить интенсивность разбрызгивания металла возможно, в частности, путем уменьшения мощности лазерного излучения, например, расфокусировкой. Однако это приведет к уменьшению скорости сварки, т.е. к снижению производительности сварки, а также с большой вероятностью создаст проблему недостаточного проникновения лазерного луча, что, в свою очередь приведет к ухудшению качества шва.
Таким образом, возникает техническая проблема повышения качества сварного шва при лазерной сварке стальной трубы без снижения производительности сварки.
Частично эта проблема решена в наиболее близком к предлагаемому способе гибридной лазерно-дуговой сварки для стыковой сварки изделия из нержавеющей стали, а именно, для сварки трубы (РФ, патент №2608937, В23К 26/348, В23К 31/02, В21С 37/08; публикация 26.01.2017 г.; патентообладатель(и): КАБУСИКИ КАЙСЯ КОБЕ СЕЙКО СЕ (КОБЕ СТИЛ,ЛТД.) (JP)). В способе используют совмещение лазерной сварки и дуговой сварки TIG (сварка TIG - сваривание с использованием неплавящихся вольфрамовых электродов в среде защитного газа аргона). В соответствии со способом сварку осуществляют, направляя лазерное излучение и дуговой разряд по одной линии сварки таким образом, что за лазерной сваркой следует дуговая сварка TIG. Фокусная точка лазерного луча для лазерной сварки занимает положение над подлежащим сварке изделием, и лазерный луч расфокусируют таким образом, что диаметр лазерного луча, направленного на подлежащее сварке изделие, составляет не менее чем 1 мм. Интервал LA между положением лазерного излучения при лазерной сварке и положением дугового разряда при дуговой сварке TIG составляет от 3 до 7 мм. Кроме того, лазерный луч направлен наклонно к направлению движения сварки таким образом, что угол между вертикальным направлением и лазерным лучом составляет 10° или менее, или лазерный луч направлен вертикально, а при дуговой сварке TIG мундштук сварочной горелки наклонен к направлению движения сварки, таким образом, что угол между вертикальным направлением и сварочной горелкой составляет от 10 до 45°. Экранирование горелки при дуговой сварке TIG осуществляют с помощью газообразного аргона.
TIG-сварка - сваривание с использованием неплавящихся вольфрамовых электродов в среде защитного газа аргона. Недостатком этой сварки является возможность сваривания деталей небольшой толщины (http://3g-svarka.ru/rasshifrovka-tig-mig-mag-mma-svarka.php), а именно, в соответствии с наиболее близким к предлагаемому способу - от 0,3 до 2,5 мм с внешним диаметром от 12 до 60 мм. Поэтому при гипотетическом использовании известного способа для сварки труб из углеродистой стали с толщиной стенок от 8 до 45 мм будет наблюдаться разогрев металла до расплавления, но количества расплавленного металла в образующейся общей сварочной ванне недостаточно для того, чтобы заметно снизить потери металла от разбрызгивания в результате лазерного воздействия. Кроме того, для стальных деталей сварку TIG осуществляют на постоянном токе (http://3g-svarka.ru/rasshifrovka-tig-mig-mag-mma-svarka.php), что требует специального оборудования для преобразования переменного тока промышленной частоты в постоянный.
Кроме того, в известном способе лазерный луч и электрод горелки наклонены в одну сторону, а именно: против направления движения сварки. При этом, угол между вертикальным направлением и лазерным лучом составляет 10° или менее, или лазерный луч направлен вертикально, а при дуговой сварке TIG мундштук сварочной горелки наклонен к направлению движения сварки, таким образом, что угол между вертикальным направлением и сварочной горелкой составляет от 10 до 45°. Расстояние между положением между центром пятна лазерного излучения и точкой дугового разряда при дуговой сварке TIG составляет от 3 до 7 мм. В результате заданных условий позиционирования луча лазера и сварочной горелки, в известном способе лазерный луч и электрическая дуга сведены при сварке практически в одну точку. Это во время сварки неизбежно приведет к искривлению парогазового канала, что в процессе кристаллизации сварного шва затруднит выход сварочных газов из сварочной ванны и увеличит вероятность образования дефектов типа пор и шлаковых включений. При этом, поскольку лазер и дуговая горелка наклонены в одну сторону против движения сварки, то формируемая ими тепловая энергия направлена практически в одну точку, особенно, когда углы наклона совпадают: 10°. При таком расстоянии между дугой и лазером и заданными условиями позиционирования лазера и дуги сварочная ванна мала, процесс сварки нестабилен, металл от дуги разбрызгивается, подается в канал проплавления неравномерно, что приводит к дефектам сварного шва в процессе его формирования.
Из вышеизложенного следует, что использование в известном способе совместно с лазерной сваркой сварки TIG, используемые параметры позиционирования луча лазера и дуговой горелки, а также расстояние между центром пятна лазерного излучения и точкой дугового разряда от 3 до 7 мм не позволяют использовать известный способ для сварки труб из углеродистой стали, толщиной от 8 до 45 мм, требующей большой мощности как лазерного излучения, так и сварочной дуги.
Существующую техническую проблему выполнения лазерной сварки труб из углеродистой стали, толщиной от 8 до 45 мм, с обеспечением качественного сварного шва с одновременным повышением производительности сварки решает предлагаемый способ.
При осуществлении заявленного способа достигается технический результат, заключающийся:
- в снижении дефектов сварки типа сквозных отверстий, раковин, пор и шлаковых включений;
- в улучшении условий дегазации сварочной ванны путем выпрямления парогазового канала при лазерно-дуговом процессе сварки;
- в создании общей сварочной ванны, объем которой обеспечивает стабилизацию процесса сварки, обеспечивает равномерную подачу в канал проплавления расплавленного металла, исключая дефекты сварного шва в процессе его формирования;
- в повышении производительности сварки.
Сущность заявленного изобретения состоит в том, что в способе лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения сформованной трубной заготовки, включающем одновременное воздействие на свариваемую поверхность лазерного луча и электрической дуги в среде защитного газа с образованием общей сварочной ванны, при этом лазерный луч фокусируют перед точкой воздействия электрической дуги, а лазерный луч и сварочную дуговую горелку наклоняют относительно нормали к поверхности свариваемой трубной заготовки, новым является то, что дуговую сварку выполняют трехфазной электрической дугой, для чего дополнительно используют вторую сварочную дуговую горелку с плавящимся электродом, а электроды первой и второй дуговых горелок и свариваемую трубную заготовку подключают к соответствующей фазе источника трехфазного питания, при этом, лазерный луч фокусируют в области свариваемых кромок заготовки, расстояние между центром сфокусированного пятна лазерного луча и точкой дугового контакта электрода первой дуговой горелки устанавливают от 10 до 15 мм, а точку дугового контакта второй дуговой горелки располагают на расстоянии от первой дуговой горелки с обеспечением образования общей сварочной ванны с первой дуговой горелкой и лазерным лучом, при этом лазерный луч наклоняют в сторону, противоположную направлению движения свариваемой трубной заготовки, на угол от 20 до 25° включительно относительно нормали к поверхности свариваемой трубной заготовки, а дуговые горелки наклоняют в сторону направления движения свариваемой трубной заготовки, при этом угол наклона электродов дуговых горелок относительно нормали к поверхности свариваемой трубной заготовки устанавливают от 30 до 35°, причем, в процессе сварки защитный газ подают в зону лазерного излучения, а в зоне электродов защитный газ подают в одном направлении с электродом соответствующей дуговой горелки.
Заявленный технический результат достигается следующим образом. Существенные признаки формулы изобретения: "Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения сформованной трубной заготовки, включающий одновременное воздействие на свариваемую поверхность лазерного луча и электрической дуги в среде защитного газа с образованием общей сварочной ванны, при этом лазерный луч фокусируют перед точкой воздействия электрической дуги, а лазерный луч и сварочную дуговую горелку наклоняют относительно нормали к поверхности свариваемой трубной заготовки, …" - являются неотъемлемой частью заявленного способа и обеспечивают его осуществление, а, следовательно, обеспечивают достижение заявленного технического результата.
Благодаря тому, что лазерный луч наклоняют в сторону, противоположную направлению движения кромок свариваемой поверхности, точку дугового контакта второй дуговой горелки устанавливают за первой дуговой горелкой, при этом дуговые горелки наклоняют в сторону направления движения свариваемой трубной заготовки, лазер и дуговые горелки излучают тепловую энергию навстречу друг другу. Кроме того, при заявленных углах наклона лазерного луча (от 20 до 25°, включительно) и электродов дуговой горелки (от 30 до 35°, включительно) их осевые линии пространственно пересекаются внутри стыкуемых кромок примерно на среднем уровне толщины кромок. В результате обеспечивается эффективное взаимодействие обеих энергий в глубине стыкуемых кромок примерно на среднем уровне, что, в свою очередь, обеспечивает равномерное перекрытие воздействующей энергией от обоих источников всей ширины будущего шва. При этом, как показал опыт, предлагаемое расстояние между центром сфокусированного пятна лазерного излучения и точкой дугового контакта от 10 до 15 мм, включительно, а также то, что дуговые горелки установлены за лазерным лучом, обеспечивает равномерное перераспределение результирующей энергии, воздействующей на свариваемую поверхность, что эффективно снижает разбрызгивание металла от воздействия лазера и обеспечивает равномерное заполнение пространства между свариваемыми кромками расплавленным металлом как от воздействия лазера так и металлом электродов горелок. Это позволяет использовать мощность лазерного луча, обеспечивающую сварку стальных труб толщиной от 8 до 45 мм, а также повысить производительность сварки, одновременно исключая возможность образования в готовом шве раковин и сквозных отверстий.
Кроме того, предлагаемое расстояние между центром сфокусированного пятна лазерного излучения и точкой дугового контакта горелок от 10 до 15 мм, включительно, а также использование двух дуговых горелок, в совокупности с предлагаемым позиционированием лазерного луча и дуговых горелок, увеличивает размер (зеркало) сварочной ванны, что способствует выпрямлению парогазового канала, способствует ускоренному выходу сварочных газов (в отличии от прототипа, в котором лазерный луч и электрическая дуга сведены при сварке практически в одну точку). В результате улучшается качество сварного шва.
Конкретный выбор углов наклона лазерного луча (от 20 до 25°, включительно) и электродов дуговых горелок (от 30 до 35°, включительно), а также расстояния между центром сфокусированного пятна лазерного излучения и точкой дугового контакта электрода первой дуговой горелки (от 10 до 15 мм, включительно) определяются мощностью используемого лазера и скоростью сварки (скорость движения кромок свариваемой поверхности).
Установка точки дугового контакта второй дуговой горелки за первой дуговой горелкой на расстоянии от точки дугового контакта первой дуговой горелки, обеспечивающим образование общей сварочной ванны с первой дуговой горелкой и лазерным лучом, обеспечивает образование общей сварочной ванны, объем которой обеспечивает стабилизацию процесса сварки, обеспечивает равномерную подачу в канал проплавления расплавленного металла, исключая дефекты сварного шва в процессе его формирования, одновременно повышая производительность сварки.
Условия сварки, включающие количественные значения углов наклона лазерного луча (от 20 до 25°, включительно) и дуговых горелок (от 30 до 35°, включительно), установку точки дугового контакта второй дуговой горелки за первой дуговой горелкой на расстоянии от точки дугового контакта первой горелки, обеспечивающим образование общей сварочной ванны с первой горелкой и лазерным лучом, а также расстояния между центром сфокусированного пятна лазерного излучения и точкой дугового контакта (от 10 до 15 мм, включительно), получены опытным путем и являются оптимальным, в пределах которых сохраняется синергетический эффект от совместного использования лазерной и дуговой сварки. Превышение верхнего значения указанных пределов приводит к исчезновению синергетического эффекта, поскольку каждый вид сварки начинает действовать самостоятельно, что не обеспечивает достижение заявленного технического результата. Выход за нижние выше указанные числовые пределы и невыполнение предлагаемой установки второго дуговой горелки также не обеспечивают достижение заявленного технического результата.
Кроме того, уменьшение пористости и снижение вероятности образования свищей обеспечивается подачей в зону лазерного излучения и в зону электрода защитного газа. В зоне электрода защитный газ в процессе сварки подают в одном направлении с электродом дуговой горелки. Это позволяет устранить явление капельного переноса материала электрода в ванну и, следовательно, снизить образование дефектов типа шлаковых включений.
Сущность электродуговой сварки трехфазной электрической дугой заключается в том, что используют две дуговые горелки, при этом к трехфазному источнику питания подключаются к соответствующей фазе электроды дуговых горелок, а к третьей фазе подключается свариваемая деталь. В заявленном способе электроды первой и второй дуговых горелок и свариваемую трубу подключают к соответствующей фазе источника трехфазного питания. В этом случае горят три дуги: две дуги между электродами и свариваемой деталью, а третья дуга между электродами. Третья дуга, являясь по отношению к детали независимой дугой, горит или по воздушному промежутку между электродами, или же отдувается и горит, касаясь детали (СССР, авторское свидетельство №455820, В23К 9/00, 05.01.75.; Internet http//www.osvarke.com/svarka-aluminiya.html, статья «Сварка алюминия»).
Возможность использования сварки трехфазной дугой обуславливается тем, что углеродистые стали могут свариваться как на переменном, так на и постоянном токе (http://3g-svarka.ru/rasshifrovka-tig-mig-mag-mma-svarka.php).
В заявленном способе расплавленный лучом лазера и сварочных дуг металл свариваемых кромок трубы и расплавленных электродов горелок под давлением сварочных дуг заполняет сварочную ванну. Из-за смены полярности фазных напряжений направление давления электрических дуг на расплавленный метал в сварочной ванне периодически меняется на противоположное. При этом третья дуга между электродами также меняет полярность. Учитывая то, что фазы смещены относительно друг друга на 120°, а сила давления дуги переменная, поскольку соответствует изменению фазного напряжения синусоидальному закону, то в общей в сварочной ванне расплавленный металл, полученный в результате теплового воздействия луча лазера и дуговых горелок с плавящимся электродом, перемешивается вдоль и поперек сварочной ванны, что способствует равномерному заполнению сварочной ванны расплавленным металлом и обеспечивает равномерную подачу в канал проплавления расплавленного металла, повышая равномерность наплавленного валика устраняя условия для образования дефектов типа сквозных отверстий, раковин, пор и т.п.
При этом свариваемый металл нагревается непрерывно, поскольку постоянно воздействие лазера и постоянно существуют три совокупные дуги - одна независимая дуга, горящая между электродами, и две зависимые дуги, горящие между изделием и электродами. В результате практически исключается разбрызгивание металла, расплавляемого под воздействием большой плотности тепловой энергии лазерного луча, тем самым, сохраняется количество расплавленного металла в общей сварочной ванне, что также улучшает качество шва. Как показал опыт, при работе на промышленной частоте длительность горения дуги независимо от полярности переменного тока фазы достаточна для того, чтобы жидкий металл под действием сил давления дуги успел заполнить сварочную ванну.
Кроме того, поскольку свариваемый металл нагревается непрерывно, за счет воздействия лазера и постоянно существующих трех совокупных дуги - одна независимая дуга, горящая между электродами, и две зависимые дуги, горящие между изделием и электродами, то это позволяет поддерживать требуемую температуру сварки, снижая потери тепловой энергии за счет быстрого остывания свариваемой поверхности из-за ее большой массы. В результате повышается качество шва, повышается производительность сварки, а также обеспечивается возможность использования заявленного способа для лазерной сварки труб из углеродистой стали с толщиной стенок от 8 до 45 мм.
Из вышеизложенного следует, что предлагаемые в заявленном способе для выполнения лазерно-дуговой сварки: расстояние между центром сфокусированного пятна лазерного излучения и точкой дугового контакта (от 10 до 15 мм, включительно), количественные значения углов наклона лазерного луча (от 20 до 25°, включительно) и электродов дуговых горелок (от 30 до 35°, включительно), направление их наклона относительно нормали к свариваемой поверхности и направления сварки, использование воздействия трехфазной электрической дуги с плавящимися электродами, в совокупности создают условия для возможности использования луча лазера большой мощности, практически исключая разбрызгивание расплавленного металла, обеспечивая быстрое и равномерное заполнение расплавленным металлом сварочной ванны и равномерную подачу в канал проплавления расплавленного металла, обеспечивая условия для выпрямления парогазового канала при лазерно-дуговом процессе сварки, что позволяет выполнять сварку труб из углеродистой стали с толщиной стенок от 8 до 45 мм, причем с высоким качеством шва, исключив такие дефекты, как подрезы, сквозные отверстия, раковины, поры и шлаковые включения.
Таким образом, из вышеизложенного следует, что заявленный способ лазерно-дуговой сварки труб при осуществлении решает проблему выполнения лазерной сварки труб из углеродистой стали, толщиной от 8 до 45 мм, с выполнением качественного сварного шва с одновременным повышением производительности сварки. При этом достигается технический результат, заключающийся: в снижении дефектов сварки типа сквозных отверстий, раковин, пор и шлаковых включений; в улучшении условий дегазации сварочной ванны путем выпрямления парогазового канала при лазерно-дуговом процессе сварки; в создании общей сварочной ванны, объем которой обеспечивает стабилизацию процесса сварки, обеспечивает равномерную подачу в канал проплавления расплавленного металла, исключая дефекты сварного шва в процессе его формирования; в повышении производительности сварки.
На чертеже схематично изображен сварочный процесс, происходящий при сварке поверхностей, выполняемый в соответствии с заявленным способом лазерно-дуговой сварки: 1 - защитный газ, который подают в зону лазерного излучения, а в зоне электродов защитный газ подают в одном направлении с электродом соответствующей дуговой горелки; 2 - сопло подачи защитного газа лазера; 3 - лазерный луч; 41, 42 - дуговые горелки, которые горелки наклоняют в сторону направления движения кромок свариваемой поверхности, при этом точку дугового контакта второй дуговой горелки устанавливают за первой дуговой горелкой на расстоянии от точки дугового контакта первой дуговой горелки, обеспечивающим образование общей сварочной ванны с первой дуговой горелкой и лазерным лучом; 51, 52 - электроды; угол наклона электродов дуговых горелок ϕ относительно нормали к поверхности свариваемых кромок устанавливают от 30 до 35°, включительно; 6 - расплав; 7 - свариваемая деталь; 8 - парогазовый канал; расстояние 
между центром сфокусированного пятна лазерного излучения и точкой дугового контакта составляет от 10 до 15 мм, включительно. Лазерный луч наклоняют в сторону, противоположную направлению движения кромок свариваемой поверхности на угол 
от 20 до 25°, включительно, относительно нормали к поверхности свариваемых кромок; Vсв - направление движения кромок свариваемой поверхности.
Способ осуществляют следующим образом. В соответствии с заявленным способом лазерно-дуговой сварки осуществляют одновременное воздействие на свариваемую поверхность лазерного луча и электрический дуги плавящегося электрода в среде защитного газа с образованием общей сварочной ванны. Сварку выполняют трехфазной дугой двумя дуговыми горелками с плавящимся электродом. При этом электроды первой и второй дуговых горелок и свариваемую трубу подключают к соответствующей фазе источника трехфазного питания. Лазерный луч, фокусируют в области кромок свариваемой поверхности перед точкой воздействия первой дуговой горелки. Расстояние между центром сфокусированного пятна лазерного излучения и точкой дугового контакта электрода первой дуговой горелки устанавливают от 10 до 15 мм, включительно, а точку дугового контакта второй дуговой горелки устанавливают за первой дуговой горелкой на расстоянии от точки дугового контакта первой горелки, обеспечивающим образование общей сварочной ванны с первой горелкой и лазерным лучом. Лазерный луч наклоняют в сторону, противоположную направлению движения кромок свариваемой поверхности на угол от 20 до 25°, включительно, относительно нормали к поверхности свариваемых кромок, а электроды дуговых горелок наклоняют в сторону направления движения кромок свариваемой поверхности на угол ϕ от 30 до 35°, включительно, относительно нормали к поверхности свариваемых кромок. В процессе сварки защитный газ подают в зону лазерного излучения и в зоны электродов в одном направлении с электродом соответствующей дуговой горелки.
Поскольку в заявленном способе лазерно-дуговой сварки электрическую дугу зажигают позади сфокусированного лазерного излучения, то лазерное излучение только проплавляет соприкасающиеся части металла, а заплавление скоса кромок осуществляют электрические дуги плавящихся электродов первой и второй дуговых горелок и третья дуга между электродами горелок. Третья дуга, являясь по отношению к детали независимой дугой, горит или по воздушному промежутку между электродами, или же отдувается и горит, касаясь свариваемой поверхности.
Генератор лазерного луча, используемый в настоящем изобретении, может быть любым, подходящим по требуемой мощности.
В зоне электрода защитный газ в процессе сварки подают в одном направлении с электродом дуговой горелки. Это позволяет устранить явление капельного переноса материала электрода в ванну и, следовательно, снизить образование дефектов типа шлаковых включений.
В качестве источников питания для трехфазной сварки можно использовать: трансформатор с подвижными обмотками, трансформатор с трехфазным дросселем насыщения или трансформатор с магнитной коммутацией.
К недостаткам трансформаторов с подвижными обмотками стоит отнести сильную вибрацию подвижных частей при сварке на больших токах, что приводит к ограничению срока службы и затруднительное обеспечение дистанционное и программное управление режимом сварки, невозможность стабилизации тока и напряжения. К достоинствам следует отнести простоту исполнения и дешевизну трансформатора.
К недостаткам трансформаторов с дросселем насыщения следует отнести сложность конструкции. К достоинствам следует плавность, компактность регулятора, возможность дистанционного и программного управления, отсутствие подвижных частей.
Предпочтительней применять трансформатор с магнитной коммутацией, который совмещает в себе достоинства и трансформатора с подвижными обмотками, и дросселя насыщения.
Заявленный способ был опробован при сварке стальных пластин, длиной 50 см, толщиной 21,7 мм из углеродистой стали класса прочности К60.
Осуществляли лазерно-дуговую сварку в среде защитных газов (смесь Ar и CO2). Лазерный луч генерировали от лазерного источника мощностью 35 КВт. Мощность излучения составляла от 15 до 32 Квт. Каждая сварочная дуговая горелка содержала электрод в виде сварочной проволоки диаметром 1,6 мм, которую подавали в зону сварки через сварочную горелку фирмы Fronius. В качестве источников питания дуговых горелок использовали трансформатор с магнитной коммутацией. Электроды первой и второй дуговых горелок подключали, соответственно к фазам L1 и L2 трансформатора, а свариваемую трубу подключали к фазе L3 трансформатора. Ток на сварочной дуге составлял от 300 А до 500 А, напряжение 18-30 В. Скорость сварки составляла от 1 до 3 м/мин.
Лазерная головка и дуговые горелки неподвижно закреплены на стане. Свариваемые стальные пластины закреплены на стане с возможность перемещения по направлению сварки.
Перед началом эксперимента дуговые горелки и лазерный луч позиционировали друг относительно друга следующим образом: лазерный луч фокусировали в области кромок свариваемой поверхности; электрод первой дуговой горелки отодвигали от фокальной точки лазера на расстояние от 10 до 15 мм, включительно. Оптическую головку лазера поворачивали таким образом, чтобы лазерный луч был наклонен в сторону, противоположную направлению движения кромок свариваемой поверхности. При этом значение угла наклона устанавливали в пределах от 20 до 25°, включительно, относительно нормали к поверхности свариваемых кромок. Точку дугового контакта второй дуговой горелки устанавливали за первой дуговой горелкой. Дуговые горелки наклоняли в сторону направления движения кромок свариваемой поверхности. При этом угол наклона электродов дуговых горелок устанавливали в пределах от 30 до 35°, включительно, относительно нормали к поверхности свариваемых кромок. Точку дугового контакта второй дуговой горелки устанавливали опытным путем на расстоянии от точки дугового контакта первой горелки, обеспечивающем образование общей сварочной ванны с первой горелкой и лазерным лучом. Продолжительность сварки на нескольких образцах составила от 0,16 до 0,28 минут.
После выполнения сварки визуальный осмотр готового шва, а также осмотр шлифа посредством специального оборудования не выявил сквозных отверстий и раковин.
Для подтверждения достижения заявленного технического результата, исследовали макроструктуру сварных швов путем травления продольных шлифов сварного соединения реактивом Вагапова.
Для того чтобы оценить форму парогазового канала выполняли продольный шлиф таким образом, чтобы на срезе было сечение из середины сварного шва. Исследование показало, что предлагаемое расположение лазерного луча и электрода, позволяет выпрямить парогазовый канал до вертикального.
Опыт проводимых сварочных работ показал, что при выполнении сварки с помощью трехфазной дуги и лазера, по сравнению с традиционным способом, производительность увеличилась от 15% до 50%, в зависимости от мощности лазера и скорости сварки.
Использование заявленного способа лазерно-дуговой сварки позволяет обеспечить высокую усталостную прочность сварных швов, повысить их надежность при эксплуатации, повысить качество сварных швов.
Claims (1)
- Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения сформованной трубной заготовки, включающий одновременное воздействие на свариваемую поверхность лазерного луча и электрической дуги в среде защитного газа с образованием общей сварочной ванны, при этом лазерный луч фокусируют перед точкой воздействия электрической дуги, а лазерный луч и сварочную дуговую горелку наклоняют относительно нормали к поверхности свариваемой трубной заготовки, отличающийся тем, что дуговую сварку выполняют трехфазной электрической дугой, причем дополнительно используют вторую сварочную дуговую горелку с плавящимся электродом, а электроды первой и второй дуговых горелок и свариваемую трубную заготовку подключают к соответствующей фазе источника трехфазного питания, при этом лазерный луч фокусируют в области свариваемых кромок заготовки, расстояние между центром сфокусированного пятна лазерного луча и точкой дугового контакта электрода первой дуговой горелки устанавливают от 10 до 15 мм, а точку дугового контакта второй дуговой горелки располагают на расстоянии от первой дуговой горелкой с обеспечением образования общей сварочной ванны с первой дуговой горелкой и лазерным лучом, при этом лазерный луч наклоняют в сторону, противоположную направлению движения свариваемой трубной заготовки, на угол от 20 до 25° включительно относительно нормали к поверхности свариваемой трубной заготовки, а дуговые горелки наклоняют в сторону направления движения свариваемой трубной заготовки, при этом угол наклона электродов дуговых горелок относительно нормали к поверхности свариваемой трубной заготовки устанавливают от 30 до 35°, причем в процессе сварки защитный газ подают в зону лазерного излучения, а в зоне электродов защитный газ подают в одном направлении с электродом соответствующей дуговой горелки.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129302A RU2668625C1 (ru) | 2017-08-16 | 2017-08-16 | Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения сформованной трубной заготовки |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017129302A RU2668625C1 (ru) | 2017-08-16 | 2017-08-16 | Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения сформованной трубной заготовки |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2668625C1 true RU2668625C1 (ru) | 2018-10-02 |
Family
ID=63798575
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017129302A RU2668625C1 (ru) | 2017-08-16 | 2017-08-16 | Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения сформованной трубной заготовки |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2668625C1 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2710090C1 (ru) * | 2018-10-31 | 2019-12-24 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Способ лазерно-дуговой сварки |
| RU2751403C1 (ru) * | 2020-08-10 | 2021-07-13 | Общество с ограниченной ответственностью "Ирс Лазер Технолоджи" | Способ лазерно-дуговой наплавки плавящимся электродом в среде защитных газов |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA017455B1 (ru) * | 2007-06-26 | 2012-12-28 | Ф Унд М Дойчланд Гмбх | Способ соединения толстостенных металлических деталей сваркой |
| EP2546020A1 (en) * | 2010-03-08 | 2013-01-16 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Laser/arc hybrid welding method and method for producing welded member using same |
| EA017579B1 (ru) * | 2009-04-08 | 2013-01-30 | Ф Унд М Дойчланд Гмбх | Способ и устройство для соединения торцов труб из стали посредством орбитальной сварки по гибридной технологии |
| EP2404695B1 (en) * | 2010-07-07 | 2015-09-09 | General Electric Company | Methof of welding at least two workpieces by double hybrid laser arc welding |
| US9180553B2 (en) * | 2011-09-29 | 2015-11-10 | Lincoln Global, Inc. | Electrode for GMAW hybrid laser arc welding |
| RU2572671C1 (ru) * | 2014-09-04 | 2016-01-20 | Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО НИАТ) | Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом стыковых соединений из алюминиевых сплавов |
-
2017
- 2017-08-16 RU RU2017129302A patent/RU2668625C1/ru active
Patent Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| EA017455B1 (ru) * | 2007-06-26 | 2012-12-28 | Ф Унд М Дойчланд Гмбх | Способ соединения толстостенных металлических деталей сваркой |
| EA017579B1 (ru) * | 2009-04-08 | 2013-01-30 | Ф Унд М Дойчланд Гмбх | Способ и устройство для соединения торцов труб из стали посредством орбитальной сварки по гибридной технологии |
| EP2546020A1 (en) * | 2010-03-08 | 2013-01-16 | Kabushiki Kaisha Kobe Seiko Sho | Laser/arc hybrid welding method and method for producing welded member using same |
| RU2608937C2 (ru) * | 2010-03-08 | 2017-01-26 | Кабусики Кайся Кобе Сейко Се (Кобе Стил,Лтд.) | Способ гибридной лазерной/дуговой сварки и использующий его способ изготовления сварного изделия |
| EP2404695B1 (en) * | 2010-07-07 | 2015-09-09 | General Electric Company | Methof of welding at least two workpieces by double hybrid laser arc welding |
| US9180553B2 (en) * | 2011-09-29 | 2015-11-10 | Lincoln Global, Inc. | Electrode for GMAW hybrid laser arc welding |
| RU2572671C1 (ru) * | 2014-09-04 | 2016-01-20 | Открытое акционерное общество "Национальный институт авиационных технологий" (ОАО НИАТ) | Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом стыковых соединений из алюминиевых сплавов |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2710090C1 (ru) * | 2018-10-31 | 2019-12-24 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Способ лазерно-дуговой сварки |
| RU2751403C1 (ru) * | 2020-08-10 | 2021-07-13 | Общество с ограниченной ответственностью "Ирс Лазер Технолоджи" | Способ лазерно-дуговой наплавки плавящимся электродом в среде защитных газов |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| JP6861746B2 (ja) | Ａｃ溶接波形を使用する方法及びシステム並びに亜鉛めっきされた加工物の溶接を改善する強化された消耗材料 | |
| US9782850B2 (en) | Method and system to start and use combination filler wire feed and high intensity energy source for welding | |
| US9718147B2 (en) | Method and system to start and use combination filler wire feed and high intensity energy source for root pass welding of the inner diameter of clad pipe | |
| KR102093528B1 (ko) | 용접을 위해 필러 와이어 공급과 아크 생성 소스를 결합해서 시작하고 사용하기 위한 방법 및 시스템 | |
| US10086461B2 (en) | Method and system to start and use combination filler wire feed and high intensity energy source for welding | |
| JP3762676B2 (ja) | ワークの溶接方法 | |
| US20130327749A1 (en) | Method and system to start and use combination filler wire feed and high intensity energy source for welding aluminum to steel | |
| RU2572671C1 (ru) | Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом стыковых соединений из алюминиевых сплавов | |
| US20130092667A1 (en) | Method and System to Start and Use Combination Filler Wire Feed and High Intensity Energy Source for Welding | |
| CN110000475B (zh) | 复合焊连续焊接方法及装置、焊接成品、车体 | |
| JP2006224130A (ja) | レーザとマグアークによる複合溶接方法 | |
| JP2017521263A (ja) | ２つのブランクを接合する方法、ブランク、及び得られた製品 | |
| US20130087543A1 (en) | Apparatus and method for post weld laser release of gas build up in a gmaw weld | |
| CN110238528B (zh) | 一种法向送丝的激光-热丝tig复合焊接方法 | |
| CN101992354A (zh) | 微束等离子弧和激光复合焊接方法 | |
| RU2660791C1 (ru) | Способ лазерно-дуговой сварки стыка заготовок из углеродистой стали с толщиной стенок 10-45 мм | |
| RU2440221C1 (ru) | Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом алюминия и алюминиевых сплавов | |
| RU2668625C1 (ru) | Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа стыкового соединения сформованной трубной заготовки | |
| RU2713186C1 (ru) | Способ пространственной стабилизации дуги | |
| RU2635679C1 (ru) | Способ лазерно-дуговой сварки | |
| CN113210870A (zh) | 一种高效的激光-电弧复合热源高强钢管道直缝焊接工艺 | |
| RU2660541C1 (ru) | Способ лазерно-дуговой сварки стыка сформованной трубной заготовки | |
| Al-Quenaei | Fusion welding techniques | |
| RU2660540C1 (ru) | Способ сварки сформованной трубной заготовки с индукционным подогревом | |
| Kuzmikova et al. | Investigation into feasibility of hybrid laser-GMAW process for welding high strength quenched and tempered steel |