WO2021154120A1 - Method of preparing edges for orbital laser welding - Google Patents
Method of preparing edges for orbital laser welding Download PDFInfo
- Publication number
- WO2021154120A1 WO2021154120A1 PCT/RU2020/050376 RU2020050376W WO2021154120A1 WO 2021154120 A1 WO2021154120 A1 WO 2021154120A1 RU 2020050376 W RU2020050376 W RU 2020050376W WO 2021154120 A1 WO2021154120 A1 WO 2021154120A1
- Authority
- WO
- WIPO (PCT)
- Prior art keywords
- edges
- welded
- welding
- groove
- laser
- Prior art date
Links
- 238000003466 welding Methods 0.000 title claims abstract description 101
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims abstract description 7
- 230000035515 penetration Effects 0.000 claims description 11
- 239000011324 bead Substances 0.000 claims description 8
- 230000013011 mating Effects 0.000 claims description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 claims description 3
- 239000000654 additive Substances 0.000 claims description 2
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000007789 gas Substances 0.000 abstract description 8
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 abstract description 7
- 210000001503 joint Anatomy 0.000 description 23
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 8
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 7
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000000945 filler Substances 0.000 description 6
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 4
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 4
- 238000003754 machining Methods 0.000 description 3
- 239000000463 material Substances 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 2
- 230000008439 repair process Effects 0.000 description 2
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 2
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- 230000021615 conjugation Effects 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000000704 physical effect Effects 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 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
- B23K26/20—Bonding
- B23K26/21—Bonding by welding
- B23K26/24—Seam welding
- B23K26/28—Seam welding of curved planar seams
- B23K26/282—Seam welding of curved planar seams of tube sections
-
- 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
- B23K33/00—Specially-profiled edge portions of workpieces for making soldering or welding connections; Filling the seams formed thereby
Definitions
- the invention relates to the field of welding and, in particular, to a method for preparing the edges of the parts to be welded for one-sided orbital laser welding of circumferential seams of butt non-rotating joints.
- a laser beam as a welding energy source, has a number of well-known technological advantages over arc energy sources, which are important in orbital laser welding of fixed butt ring joints [3,4]. These advantages include the high value of the concentration factor of the laser welding power source (Table 1, where k is the concentration factor of the welding power source, re is the effective radius of the heating spot), the minimum value of the effective radius of the heating spot, the focused laser beam, which makes it possible to obtain the minimum volume and weight. weld pool.
- the ability to change the diameter of the heating spot in a wide range allows you to vary the change in the power density of laser radiation in a wide range, from the implementation of laser welding in the thermal conductivity mode to laser welding in the deep penetration mode [4, 5].
- the high value of the concentration factor of the laser welding energy source minimizes the heating spot diameter (effective radius of the heating spot) and, accordingly, reduces the volume of the weld pool in comparison with arc welding. Reducing the volume of the weld pool opens up the possibility of reducing the width of the groove of the welded edges.
- Minimization of the volume of the weld pool requires adjusting the geometric dimensions of the structural elements of the groove of the welded edges in order to reduce the groove area that meets the requirements of a high value of the concentration coefficient of the laser energy source and the use of long-focus optics with a small focusing angle, which can significantly reduce the groove bevel angle and the groove width of the welded edges.
- the disadvantage of this method is the low productivity of the welding process, significant labor costs for machining edges, a high level of consumption of welding materials.
- the method relates to the field of welding.
- the method includes optimization of the geometry of structural elements for cutting the edges of the seam depending on the thickness of the welded edges, the power of the laser beam, the geometry of the focusing optics, the oscillation amplitude of the laser beam and the diameter of the welding wire.
- Structural elements of edges prepared for butt welding must provide free access of the laser beam, welding wire and shielding gases to the welding zone to form a seam.
- the objective of the present invention is to optimize the preparation of structural elements of the edges of the welded parts for one-sided multi-pass orbital laser welding of circumferential seams of butt fixed joints in order to increase the technical and economic efficiency of the welding process.
- the technical and technical and economic result of the problem being solved is an increase in the productivity of the process of obtaining permanent joints in orbital one-sided laser welding of fixed butt girth welds and economic efficiency by reducing the technological cost of the welding process as a result of increasing the welding speed, reducing consumables and labor costs for machining edges.
- the values of the geometry of the structural elements of the groove of the edges to be welded are determined based on the thickness of the materials to be welded, the technological features of laser welding in the deep penetration mode, the power of the laser beam, the scanning parameters of the laser beam and the geometric parameters of the focused laser beam.
- Optimal values of structural elements of butt-welded edges of parts for one-sided orbital multi-pass laser welding of circumferential seams of fixed joints allows obtaining high-quality welded seams in various spatial positions: lower, vertical, overhead, transitional.
- the set of distinctive features of the geometry of the structural elements of the groove of the welded parts makes it possible to increase the productivity of the process of obtaining permanent annular non-rotatable butt joints in one-sided multi-pass laser welding in comparison with automatic arc welding by reducing the number of passes.
- the technology provides a welding speed of more than 0.6 m / min.
- the volume of deposited metal in laser welding is 3 times less than in automatic arc welding.
- the groove area is 348 mm ⁇ 2.
- K - root layer, Cor-K - Correction-root pass without filler wire, Z - filling layers, O - facing layer, Cor-O - corrective-facing pass without filler wire, ⁇ ⁇ ; ⁇ ⁇ d; ⁇ ⁇ D; ⁇ ⁇ ; ⁇ ⁇ C; ⁇ ⁇ R is the tolerance field of the groove structural elements.
- the section for laser multi-pass welding can be defined as a "narrow gap” groove.
- the groove width By using long-focus optics for laser welding, having a small focusing angle, it is possible to minimize the bevel angle of the groove of the welded edges to several degrees, the groove width and obtain the so-called "narrow-gap" butt groove, which can be used for welding thick metals using a multi-pass laser welding, ).
- the choice of the geometry of the structural elements of the groove is determined by the thickness of the metal being welded, the technological features of the laser welding process, the scanning mode of the laser beam and the geometrical parameters of the focused laser beam.
- the power of the laser radiation source determines the highest value of the blunt edge height when welding in the deep penetration mode [4].
- Increasing the height of the blunt edge allows to reduce the number of passes in multi-pass welding and, accordingly, to reduce the consumption of welding materials: shielding gases and welding wire, to reduce the duration of the technological cycle of welding one joint.
- Narrow-gap groove of the welded edges makes it possible to realize, during laser welding, the layout (arrangement) of the welding layers according to the technological scheme, one bead in the layer of the weld, -five.
- This technological scheme provides the highest productivity of the welding process, since it requires a minimum amount of deposited metal.
- the high value of the concentration factor of the laser energy source in addition to advantages, has a number of disadvantages.
- the quality of the formation of the root of the seam and the back bead is largely determined by the gap between the welded surfaces of the edges of the blunting.
- the small diameter of the heating spot of the focused laser radiation requires the minimization of such a structural element as a gap or gap-free assembly, which is rather difficult to implement, especially in orbital welding of large-diameter pipes. Therefore, laser blunt welding is performed in the deep penetration mode with a filler wire.
- laser which also changes the formation of the weld pool geometry, giving the fill bead a greater width.
- the opening (width of the groove) of the edges must be commensurate with the amplitude of oscillations during oscillation of the laser beam when determining the width of the groove.
- the tolerance field for the geometric dimensions of structural elements is determined by the parameters of the welding process and the accuracy of machining.
- the value of the blunt edge height is determined by the maximum penetration depth during laser welding in the deep (channel) penetration mode [4, 10].
- Width of groove on the side of blunt edges - should not exceed double the amplitude of the oscillation of the laser beam - , but must be equal to or greater than the face width of the root bead - and is determined by condition (1).
- Bevel angle - determined by the thickness of the welded metal - , edge bluntness height - , angle of convergence of the beam of the focusing optical welding head - , condition (4) [Mathematical formula 4]
- the width of the groove of the edges to be welded from the front side of the seam - d is determined by the groove width from the root of the seam, the thickness of the metal to be welded, the height of the blunt edge, the bevel angle of the edges to be welded and the amplitude of the oscillation of the laser beam, condition (5)
- Maximum gap width - between the edges of the blunting is determined by the requirements for the quality of the formation of the root weld and the back bead, as well as the required values of the operational strength and is determined experimentally.
- a gap is allowed in some sections of the butt joint perimeter.
- the size of the gap and its length are determined by the technological instructions for automatic laser welding of fixed butt joints in accordance with the specifications for the welded structure.
- Laser welding was carried out in a shielded gas environment on a specialized ULST-1 installation for laser welding of fixed annular pipe joints.
- An LS-10 fiber laser with a power of 10 kW was used as a source of laser radiation.
- the claimed invention meets the criterion of industrial applicability, since it can be manufactured using known technical means.
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Mechanical Engineering (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Plasma & Fusion (AREA)
- Laser Beam Processing (AREA)
Abstract
Claimed is a method of preparing the geometry of structural elements of the edges of parts to be welded for the orbital single-sided multi-pass laser welding of non-rotated annular butt joints. The method relates to the field of welding. The method includes optimizing the geometry of structural elements by beveling the edges of a seam according to the thickness of the edges to be welded, the power of the laser beam, the geometry of the focusing optics, the oscillation amplitude of the laser beam and the diameter of the welding wire. The structural elements of the edges being prepared for butt welding should allow the laser beam, the welding wire and shielding gases to freely access the weld zone for formation of a seam.
Description
Изобретение относится к области сварки и, в частности, к способу подготовки кромок свариваемых деталей под одностороннюю орбитальную лазерную сварку кольцевых швов стыковых неповоротных соединений.The invention relates to the field of welding and, in particular, to a method for preparing the edges of the parts to be welded for one-sided orbital laser welding of circumferential seams of butt non-rotating joints.
Существующая в настоящее время геометрия конструктивных элементов разделки кромок для односторонней дуговой сварки встык С21, С22, С23, С24 определяемая ГОСТ 14771-76 «Дуговая сварка в защитном газе. Соединения сварные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры (с изменениями №1, 2, 3) не удовлетворяют, в следствие большой площади разделки свариваемых кромок, технологическим и технико-экономическим требованиям под орбитальную одностороннюю многопроходную лазерную сварку неповоротных стыковых кольцевых соединений [1].The current geometry of the structural elements of the groove for one-sided butt-arc welding C21, C22, C23, C24 determined by GOST 14771-76 “Gas-shielded arc welding. Welded connections. The main types, structural elements and dimensions (with changes No. 1, 2, 3) do not satisfy, due to the large area of grooving of the welded edges, the technological and technical and economic requirements for orbital one-sided multi-pass laser welding of fixed butt ring joints [1].
Неблагоприятное влияние большой площади разделки свариваемых встык кромок для дуговых и лазерно-дуговых способов многопроходной орбитальной сварки неповоротных стыковых соединений, особенно больших толщин, проявляется в следующем:The adverse effect of a large groove area of butt-welded edges for arc and laser-arc methods of multi-pass orbital welding of non-rotatable butt joints, especially large thicknesses, is manifested in the following:
– увеличивается объем сварочной ванны, возрастают тепловые вложения в сварное соединение, увеличиваются сварочные деформации конструкции и зоны термического влияния;- the volume of the weld pool increases, the heat input into the welded joint increases, the welding deformations of the structure and the heat-affected zone increase;
– возрастает вес сварочной ванны, что приводит к дисбалансу силы тяжести и силы поверхностного натяжения при сварке в вертикальном, потолочном и переходном пространственном положении;- the weight of the weld pool increases, which leads to an imbalance of the force of gravity and the force of surface tension when welding in vertical, overhead and transitional spatial positions;
–значительная масса удаляемого механическим способом металла существенно снижает экономическую эффективность сварочных работ, увеличивает трудозатраты. Значительная площадь разделки свариваемых кромок увеличивает расход сварочной проволоки, защитных газов и повышает технологическую себестоимость процесса сварки.–Significant mass of mechanically removed metal significantly reduces the economic efficiency of welding and increases labor costs. A significant groove area of the edges to be welded increases the consumption of welding wire, shielding gases and increases the technological cost of the welding process.
Существенно уменьшить значение площади разделываемых кромок за счет уменьшения угла скоса кромок для ручной дуговой сварки, дуговой автоматической сварки не представляется возможным в силу физических эффектов, сопутствующих дуговой сварке, значительных геометрических характеристик сварочной горелки дугового сварочного источника энергии и высоких значений эффективного пятна нагрева [2].It is not possible to significantly reduce the value of the area of the edges to be cut by reducing the bevel angle of the edges for manual arc welding, automatic arc welding due to physical effects accompanying arc welding, significant geometric characteristics of the welding torch of an arc welding power source and high values of the effective heating spot [2] ...
Луч лазера, как сварочный источник энергии, обладает рядом известных технологических преимуществ по сравнению с дуговыми источниками энергии, которые имеют важное значение при орбитальной лазерной сварке неповоротных стыковых кольцевых соединений [3,4]. К таким преимуществам относится высокое значение коэффициента сосредоточенности лазерного сварочного источника энергии (Таблица 1, где k – коэффициент сосредоточенности сварочного источника энергии, rэ – эффективный радиус пятна нагрева), минимальное значение эффективного радиуса пятна нагрева, сфокусированного луча лазера, позволяющего получить минимальный объем и вес сварочной ванны. Возможность производить изменение диаметра пятна нагрева в широком диапазоне, позволяет варьировать изменение плотности мощности лазерного излучения в широком диапазоне, от реализации лазерной сварки в режиме теплопроводности до лазерной сварки в режиме глубокого проплавления [4,5].A laser beam, as a welding energy source, has a number of well-known technological advantages over arc energy sources, which are important in orbital laser welding of fixed butt ring joints [3,4]. These advantages include the high value of the concentration factor of the laser welding power source (Table 1, where k is the concentration factor of the welding power source, re is the effective radius of the heating spot), the minimum value of the effective radius of the heating spot, the focused laser beam, which makes it possible to obtain the minimum volume and weight. weld pool. The ability to change the diameter of the heating spot in a wide range allows you to vary the change in the power density of laser radiation in a wide range, from the implementation of laser welding in the thermal conductivity mode to laser welding in the deep penetration mode [4, 5].
 |
Высокое значение коэффициента сосредоточенности лазерного сварочного источника энергии минимизирует диаметр пятна нагрева (эффективный радиус пятна нагрева) и соответственно уменьшает объем сварочной ванны по сравнению с дуговой сваркой. Уменьшение объема сварочной ванны открывает возможность уменьшить ширину разделки свариваемых кромок.The high value of the concentration factor of the laser welding energy source minimizes the heating spot diameter (effective radius of the heating spot) and, accordingly, reduces the volume of the weld pool in comparison with arc welding. Reducing the volume of the weld pool opens up the possibility of reducing the width of the groove of the welded edges.
Одним из необходимых условий получения качественного сварного шва при орбитальной лазерной сварке неповоротных стыков кольцевых соединений является минимизация объема сварочной ванны для уравновешивания силами поверхностного снижения силы тяжести, действующей на сварочную ванну [6].One of the necessary conditions for obtaining a high-quality weld in orbital laser welding of fixed joints of circular joints is to minimize the volume of the weld pool to counterbalance the forces of surface reduction of the gravity force acting on the weld pool [6].
Минимизация объёма сварочной ванны требует корректировки геометрических размеров конструктивных элементов разделки свариваемых кромок с целью уменьшения площади разделки, отвечающих требованиям высокого значения коэффициента сосредоточенности лазерного источника энергии и использования длиннофокусной оптики с малым углом фокусировки, что позволяет значительно уменьшить угол скоса разделки и ширину разделки свариваемых кромок.Minimization of the volume of the weld pool requires adjusting the geometric dimensions of the structural elements of the groove of the welded edges in order to reduce the groove area that meets the requirements of a high value of the concentration coefficient of the laser energy source and the use of long-focus optics with a small focusing angle, which can significantly reduce the groove bevel angle and the groove width of the welded edges.
Известен традиционный способ процесса дуговой сварки неповоротных кольцевых стыковых соединений труб, определяемый нормативно-технической документацией СТО Газпром 2-2.2-136-2007 «Инструкция по технологиям сварки при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов. Часть I».There is a traditional method of arc welding of non-rotatable circular butt joints of pipes, determined by the normative and technical documentation STO Gazprom 2-2.2-136-2007 "Instructions on welding technologies in the construction and repair of field and main gas pipelines. Part I ".
Недостатком способа является низкая производительность процесса сварки, значительные трудозатраты на мехобработку кромок, высокий уровень расхода сварочных материалов.The disadvantage of this method is the low productivity of the welding process, significant labor costs for machining edges, a high level of consumption of welding materials.
Способ подготовки геометрии конструктивных элементов свариваемых кромок деталей под орбитальную одностороннюю многопроходную лазерную сварку неповоротных стыковых кольцевых соединений. Способ относится к области сварки. Способ включает в себя оптимизацию геометрии конструктивных элементов разделки кромок шва в зависимости от толщины свариваемых кромок, мощности луча лазера, геометрии фокусирующей оптики, амплитуды колебания луча лазера и диаметра сварочной проволоки. Конструктивные элементы подготавливаемых под сварку встык кромок должны обеспечить свободный доступ луча лазера, сварочной проволоки и защитных газов в зону сварки для формирования шва.Method of preparation of geometry of structural elements of welded edges of parts for orbital one-sided multi-pass laser welding of fixed butt ring joints. The method relates to the field of welding. The method includes optimization of the geometry of structural elements for cutting the edges of the seam depending on the thickness of the welded edges, the power of the laser beam, the geometry of the focusing optics, the oscillation amplitude of the laser beam and the diameter of the welding wire. Structural elements of edges prepared for butt welding must provide free access of the laser beam, welding wire and shielding gases to the welding zone to form a seam.
Задачей настоящего изобретения является оптимизация подготовки конструктивных элементов кромок свариваемых деталей под одностороннюю многопроходную орбитальную лазерную сварку кольцевых швов стыковых неповоротных соединений с целью повышения технико-экономической эффективности процесса сварки.The objective of the present invention is to optimize the preparation of structural elements of the edges of the welded parts for one-sided multi-pass orbital laser welding of circumferential seams of butt fixed joints in order to increase the technical and economic efficiency of the welding process.
Техническим и технико-экономическим результатом решаемой задачи является повышение производительности процесса получения неразъемных соединений при орбитальной односторонней лазерной сварке неповоротных стыковых кольцевых швов и экономической эффективности за счет снижения технологической себестоимости процесса сварки в результате повышения скорости сварки, снижения расходных материалов и трудозатрат на механическую обработку кромок.The technical and technical and economic result of the problem being solved is an increase in the productivity of the process of obtaining permanent joints in orbital one-sided laser welding of fixed butt girth welds and economic efficiency by reducing the technological cost of the welding process as a result of increasing the welding speed, reducing consumables and labor costs for machining edges.
Согласно заявляемому способу получения неразъемных сварных соединений для односторонней орбитальной лазерной сварки кольцевых швов стыковых неповоротных соединений производят с предварительной Y- образной разделкой кромок толстолистовых конструкций.According to the claimed method of producing permanent welded joints for one-sided orbital laser welding of circular seams of butt non-rotary joints is produced with a preliminary Y-shaped groove of the edges of thick-plate structures.
Значения геометрии конструктивных элементов разделки свариваемых кромок определяют исходя из толщины свариваемых материалов, технологических особенностей лазерной сварки в режиме глубокого проплавления, мощностью луча лазера, параметрами сканирования луча лазера и геометрических параметров сфокусированного луча лазера.The values of the geometry of the structural elements of the groove of the edges to be welded are determined based on the thickness of the materials to be welded, the technological features of laser welding in the deep penetration mode, the power of the laser beam, the scanning parameters of the laser beam and the geometric parameters of the focused laser beam.
Оптимальные значения конструктивных элементов разделки свариваемых встык кромок деталей под одностороннюю орбитальную многопроходную лазерную сварку кольцевых швов неповоротных соединений позволяет получить высококачественные сварные швы в различных пространственных положениях: нижнем, вертикальном, потолочном, переходном.Optimal values of structural elements of butt-welded edges of parts for one-sided orbital multi-pass laser welding of circumferential seams of fixed joints allows obtaining high-quality welded seams in various spatial positions: lower, vertical, overhead, transitional.
Совокупность отличительных признаков геометрии конструктивных элементов разделки кромок свариваемых деталей позволяет увеличить производительность процесса получения неразъемных кольцевых неповоротных стыковых соединений при односторонней многопроходной лазерной сварке по сравнению с автоматической дуговой сваркой за счет снижения количества проходов. Технология обеспечивает скорость сварки более 0,6 м/мин. Объем наплавленного металла при лазерной сварке в 3 раза меньше, чем при автоматической дуговой сварке.The set of distinctive features of the geometry of the structural elements of the groove of the welded parts makes it possible to increase the productivity of the process of obtaining permanent annular non-rotatable butt joints in one-sided multi-pass laser welding in comparison with automatic arc welding by reducing the number of passes. The technology provides a welding speed of more than 0.6 m / min. The volume of deposited metal in laser welding is 3 times less than in automatic arc welding.
Эволюция изменения геометрии конструктивных элементов и уменьшения площади разделки свариваемых встык кромок для орбитальной сварки неповоротных соединений в зависимости от способа сварки и коэффициента сосредоточенности сварочного источника энергии показана на
,
и
.The evolution of changes in the geometry of structural elements and a decrease in the groove area of butt-welded edges for orbital welding of fixed joints, depending on the welding method and the concentration factor of the welding energy source, is shown in , and ...
Если определить геометрические размеры конструктивных элементов разделки свариваемых встык кромок для автоматической дуговой сварки как «узкую» разделку, то разделу под лазерную многопроходную сварку можно определить, как «узкощелевую» разделку.If the geometric dimensions of the structural elements of butt-welded edges for automatic arc welding are defined as a "narrow" groove, then the section for laser multi-pass welding can be defined as a "narrow gap" groove.
Впервые технологическая схема сварки в узкую разделку была предложена в работе [8].For the first time, the technological scheme of narrow groove welding was proposed in [8].
Применяя для лазерной сварки длиннофокусную оптику, имеющую малый угол фокусировки можно минимизировать угол скоса разделки свариваемых кромок до нескольких градусов, ширину разделки кромок и получить так называемую «узкощелевую» разделку стыка, которую можно применять для сварки металлов больших толщин, используя для этих целей многопроходную лазерную сварку,
). Выбор геометрии конструктивных элементов разделки кромок определяется толщиной свариваемого металла, технологическими особенностями процесса лазерной сварки, режимом сканирования луча лазера и геометрическими параметрами сфокусированного луча лазера.By using long-focus optics for laser welding, having a small focusing angle, it is possible to minimize the bevel angle of the groove of the welded edges to several degrees, the groove width and obtain the so-called "narrow-gap" butt groove, which can be used for welding thick metals using a multi-pass laser welding, ). The choice of the geometry of the structural elements of the groove is determined by the thickness of the metal being welded, the technological features of the laser welding process, the scanning mode of the laser beam and the geometrical parameters of the focused laser beam.
Мощность лазерного источника излучения определяет наибольшее значение высоты кромки притупления при сварке в режиме глубокого проплавления [4].The power of the laser radiation source determines the highest value of the blunt edge height when welding in the deep penetration mode [4].
Применяя для лазерной сварки корневого шва мощные лазеры можно реализовать режим глубокого (канального) проплавления, за один проход, без разделки кромок шва, производить сварку встык толщин, превышающих возможности дуговых способов сварки, что открывает возможность увеличить высоту кромки притупления,
-5. Using powerful lasers for laser welding of a root weld, it is possible to realize the deep (channel) penetration mode, in one pass, without cutting the edges of the seam, to produce butt welding of thicknesses exceeding the capabilities of arc welding methods, which opens up the possibility of increasing the height of the blunt edge, -five.
На
показаны геометрические параметры конструктивных элементов разделки кромок под орбитальную лазерную сварку неповоротных стыковых кольцевых соединений: ±Δα; ±Δd; ±ΔD; ±Δβ; ±ΔC; ±ΔR – поле допуска конструктивных элементов разделки кромок.On the shows the geometric parameters of the structural elements of the groove for orbital laser welding of fixed butt ring joints: ± Δα; ± Δd; ± ΔD; ± Δβ; ± ΔC; ± ΔR is the tolerance field of the groove structural elements.
На
показаны параметры сварного шва, где, К – корневой слой, Кор-К – Корректирующий-корневой проход без присадочной проволоки, З – заполняющие слои, О – облицовочный слой, Кор-О – корректирующий-облицовочный проход без присадочной проволокиOn the the parameters of the weld are shown, where, K - root layer, Cor-K - Correction-root pass without filler wire, Z - filling layers, O - facing layer, Cor-O - corrective-facing pass without filler wire
Увеличение высоты кромки притупления позволяет уменьшить количество проходов при многопроходной сварке и, соответственно, сократить расход сварочных материалов: защитных газов и сварочной проволоки, уменьшить длительность технологического цикла сварки одного стыка.Increasing the height of the blunt edge allows to reduce the number of passes in multi-pass welding and, accordingly, to reduce the consumption of welding materials: shielding gases and welding wire, to reduce the duration of the technological cycle of welding one joint.
Узкощелевая разделка свариваемых кромок позволяет реализовать при лазерной сварке раскладку (расположение) сварочных слоёв по технологической схеме один валик в слое сварного шва,
-5.Narrow-gap groove of the welded edges makes it possible to realize, during laser welding, the layout (arrangement) of the welding layers according to the technological scheme, one bead in the layer of the weld, -five.
Данная технологическая схема обеспечивает наиболее высокую производительность процесса сварки, так как требует минимального объема наплавленного металла.This technological scheme provides the highest productivity of the welding process, since it requires a minimum amount of deposited metal.
Высокое значение коэффициента сосредоточенности лазерного источника энергии кроме преимуществ имеет и ряд недостатков. Качество формирования корня шва и обратного валика во многом определяется зазором между свариваемыми поверхностями кромок притупления. Малый диаметр пятна нагрева сфокусированного лазерного излучения требует минимизации такого конструктивного элемента как зазор или беззазорной сборки, что достаточно трудно реализовать, особенно при орбитальной сварке труб большого диаметра. Поэтому лазерную сварку притупления производят в режиме глубокого проплавления с присадочной проволокой.The high value of the concentration factor of the laser energy source, in addition to advantages, has a number of disadvantages. The quality of the formation of the root of the seam and the back bead is largely determined by the gap between the welded surfaces of the edges of the blunting. The small diameter of the heating spot of the focused laser radiation requires the minimization of such a structural element as a gap or gap-free assembly, which is rather difficult to implement, especially in orbital welding of large-diameter pipes. Therefore, laser blunt welding is performed in the deep penetration mode with a filler wire.
Высокое значение коэффициента сосредоточенности лазерного источника энергии, а также распределение интенсивности (плотности мощности) сфокусированного пучка лазера в пятне нагрева, близкое к нормальному (гауссовому), может привести к появлению дефектов, поэтому с целью рассредоточения воздействия теплового потока, применяют осцилляцию (сканирование) пучка лазера, которая также изменяет формирование геометрии сварочной ванны, придавая заполняющему валику большую ширину. Раскрытие (ширину разделки) кромок необходимо соизмерять с амплитудой колебаний при осцилляции пучка лазера при определении ширины разделки кромок.The high value of the concentration factor of the laser energy source, as well as the distribution of the intensity (power density) of the focused laser beam in the heating spot, close to normal (Gaussian), can lead to the appearance of defects, therefore, in order to disperse the effect of the heat flux, oscillation (scanning) of the beam is used. laser, which also changes the formation of the weld pool geometry, giving the fill bead a greater width. The opening (width of the groove) of the edges must be commensurate with the amplitude of oscillations during oscillation of the laser beam when determining the width of the groove.
Учитывая вышеизложенное при орбитальной односторонней многопроходной лазерной сварке неповоротных стыковых кольцевых соединений требуется оптимизировать следующие конструктивные элементы разделки свариваемых кромок:Taking into account the above, in orbital one-sided multi-pass laser welding of non-rotatable butt ring joints, it is required to optimize the following structural elements for grooving the edges to be welded:
– высоту притупления кромок –
,- the height of blunting of the edges - ,
– ширину разделки кромок –
со стороны кромок притупления,- groove width - from the side of the edges of the blunting,
– угол подъема поверхности разделки –
от кромки притупления к боковой поверхности разделки кромок,- the angle of rise of the cutting surface - from the blunt edge to the side surface of the groove,
– радиус сопряжения поверхностей разделки –
,- radius of conjugation of groove surfaces - ,
– угол скоса кромки –
,- bevel angle - ,
– ширину разделки кромок с лицевой стороны шва –
,- the width of the groove on the front side of the seam - ,
– величину зазора между свариваемыми поверхностями кромок притупления –
.- the size of the gap between the welded surfaces of the edges of the blunting - ...
Геометрия узкощелевой разделки свариваемых кромок показана на
-5. The geometry of the narrow-gap groove of the welded edges is shown in -five.
Поле допуска геометрических размеров конструктивных элементов определяется параметрами технологического процесса сварки и точностью механической обработки.The tolerance field for the geometric dimensions of structural elements is determined by the parameters of the welding process and the accuracy of machining.
Значение высоты кромки притупления определяется наибольшей глубиной проплавления при лазерной сварке в режиме глубокого (канального) проплавления [4,10].The value of the blunt edge height is determined by the maximum penetration depth during laser welding in the deep (channel) penetration mode [4, 10].
Ширина разделки кромок со стороны кромок притупления –
не должна превышать двойную амплитуду колебания луча лазера –
, но должна быть равна или больше лицевой ширины корневого шва –
и определяется условием (1).Width of groove on the side of blunt edges - should not exceed double the amplitude of the oscillation of the laser beam - , but must be equal to or greater than the face width of the root bead - and is determined by condition (1).
Угол подъема поверхности разделки
от кромки притупления к боковой поверхности разделки кромок определяется диаметром сварочной проволоки –
и шириной разделки –
, условие (2).Rise angle of the groove surface from the blunt edge to the side surface of the groove is determined by the diameter of the welding wire - and groove width - , condition (2).
Радиус сопряжения поверхностей разделки
определяется диаметром сварочной проволоки –
, условие (3)Radius of mating of groove surfaces determined by the diameter of the welding wire - , condition (3)
Угол скоса кромки –
определяется толщиной свариваемого металла –
, высотой притупления кромки –
, углом сходимости луча фокусирующей оптической сварочной головки –
, условие (4) [Математическая формула 4]
Bevel angle - determined by the thickness of the welded metal - , edge bluntness height - , angle of convergence of the beam of the focusing optical welding head - , condition (4) [Mathematical formula 4]
Ширина разделки свариваемых кромок с лицевой стороны шва – d определяется шириной разделки со стороны корня шва, толщиной свариваемого металла, высотой кромки притупления, углом скоса свариваемых кромок и амплитудой колебания пучка лазера, условие (5)The width of the groove of the edges to be welded from the front side of the seam - d is determined by the groove width from the root of the seam, the thickness of the metal to be welded, the height of the blunt edge, the bevel angle of the edges to be welded and the amplitude of the oscillation of the laser beam, condition (5)
Максимальная величина ширины зазора –
между кромками притупления определяется требованиями к качеству формирования корневого шва и обратного валика, а также требуемыми значениями эксплуатационной прочности и определяется экспериментальным путем. Maximum gap width - between the edges of the blunting is determined by the requirements for the quality of the formation of the root weld and the back bead, as well as the required values of the operational strength and is determined experimentally.
Где,
– наибольшее значение величины зазора, обеспечивающее качественное формирование корневого шва и обратного валика при лазерной сварке с присадкой в режим глубокого проплавления.Where, - the largest value of the gap size, ensuring high-quality formation of the root weld and back bead during laser welding with an additive in the deep penetration mode.
Допускается на отдельных участках периметра стыкового соединения зазор. Величина зазора и его протяженность определяется технологической инструкцией на автоматическую лазерную сварку неповоротных стыковых соединений в соответствии с техническими условиями на сварную конструкцию.A gap is allowed in some sections of the butt joint perimeter. The size of the gap and its length are determined by the technological instructions for automatic laser welding of fixed butt joints in accordance with the specifications for the welded structure.
Способ опробован при односторонней лазерной сварке неповоротных стыковых соединений труб магистральных трубопроводов и трубной стали марки К60, с толщиной стенки S=25,8 мм с разделкой кромок, представленной на
. Макрошлиф сварного соединения представлен на
.The method was tested in one-sided laser welding of non-rotatable butt joints of pipes of main pipelines and pipe steel grade K60, with a wall thickness S = 25.8 mm with cutting edges, presented on ... The macrosection of the welded joint is shown in ...
Лазерную сварку проводили в среде защитного газа на специализированной установке УЛСТ-1 для лазерной сварки неповоротных кольцевых стыков труб. В качестве источника лазерного излучения использовался волоконный лазер ЛС-10 мощностью 10 кВт.Laser welding was carried out in a shielded gas environment on a specialized ULST-1 installation for laser welding of fixed annular pipe joints. An LS-10 fiber laser with a power of 10 kW was used as a source of laser radiation.
Контроль полученных сварных соединений, показал соответствие качества шва и сварного соединения,
, требованиям нормативно-технической документации при строительстве и ремонте промысловых и магистральных газопроводов [7].The control of the obtained welded joints showed the conformity of the quality of the seam and the welded joint, , the requirements of normative and technical documentation during the construction and repair of field and main gas pipelines [7].
Заявленное изобретение отвечает критерию промышленной применимости, поскольку может быть изготовлено с использованием известных технических средств. The claimed invention meets the criterion of industrial applicability, since it can be manufactured using known technical means.
Claims (1)
- Способ подготовки свариваемых кромок деталей под орбитальную одностороннюю многопроходную лазерную сварку неповоротных стыковых кольцевых соединений включающий выполнение разделки свариваемых кромок с углом скоса кромки, шириной разделки кромок с лицевой стороны шва, шириной разделки со стороны притупления кромок, высотой притупления свариваемых кромок радиусом и утлом сопряжения скоса кромки с притуплением кромок, которые выбирают с учетом технологических особенностей, параметров и режимов лазерной сварки, геометрических параметров оптических фокусирующих головок, толщины свариваемых кромок и диаметра сварочной проволоки, при этом величину
угол подъема
угол скоса кромок
величину радиуса сопряжения
ширину разделки свариваемых кромок
а максимальную величину зазора
A method of preparing the edges of parts to be welded for orbital one-sided multi-pass laser welding of non-rotatable butt ring joints, including the preparation of the edges to be welded with the bevel angle, the width of the groove on the front side of the seam, the width of the groove on the blunt side of the edges, the bluntness height of the edges to be welded with the radius and the mating angle of the bevel with blunt edges, which are selected taking into account technological features, parameters and modes of laser welding, geometric parameters of optical focusing heads, thickness of welded edges and diameter of a welding wire, while the value
ascent angle
bevel angle
mating radius value
width of groove of edges to be welded
and the maximum clearance
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2020103742 | 2020-01-29 | ||
| RU2020103742A RU2743131C1 (en) | 2020-01-29 | 2020-01-29 | Method for preparing the edge for orbital laser welding of non-rotating butt ring joints |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| WO2021154120A1 true WO2021154120A1 (en) | 2021-08-05 |
Family
ID=74666120
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| PCT/RU2020/050376 WO2021154120A1 (en) | 2020-01-29 | 2020-12-13 | Method of preparing edges for orbital laser welding |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2743131C1 (en) |
| WO (1) | WO2021154120A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115070252A (en) * | 2022-06-22 | 2022-09-20 | 四川航天长征装备制造有限公司 | Lock bottom welding joint |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08168892A (en) * | 1994-12-20 | 1996-07-02 | Nkk Corp | Production of welded steel pipe |
| JP2002018584A (en) * | 2000-05-31 | 2002-01-22 | L'air Liquide | Application of method of hybrid arc/laser beam to welding of pipe |
| RU2637034C1 (en) * | 2017-01-30 | 2017-11-29 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of pipe laser welding |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH09170050A (en) * | 1995-12-18 | 1997-06-30 | Nkk Corp | Production of welded dual-phase stainless steel pipe |
| DE102008029724B4 (en) * | 2007-06-26 | 2010-09-30 | V&M Deutschland Gmbh | Method for joining thick-walled metallic pieces by means of welding |
| RU2637035C1 (en) * | 2017-02-06 | 2017-11-29 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of hybrid arc augmented laser welding of pipe longitudinal seam |
| RU2679858C1 (en) * | 2018-02-19 | 2019-02-13 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of hybrid laser-arc welding of steel thick-walled structures |
| RU2684735C1 (en) * | 2018-05-25 | 2019-04-12 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method for hybrid laser-arc welding of steel pipes with outer layer of plating |
-
2020
- 2020-01-29 RU RU2020103742A patent/RU2743131C1/en active
- 2020-12-13 WO PCT/RU2020/050376 patent/WO2021154120A1/en active Application Filing
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH08168892A (en) * | 1994-12-20 | 1996-07-02 | Nkk Corp | Production of welded steel pipe |
| JP2002018584A (en) * | 2000-05-31 | 2002-01-22 | L'air Liquide | Application of method of hybrid arc/laser beam to welding of pipe |
| RU2637034C1 (en) * | 2017-01-30 | 2017-11-29 | Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") | Method of pipe laser welding |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115070252A (en) * | 2022-06-22 | 2022-09-20 | 四川航天长征装备制造有限公司 | Lock bottom welding joint |
| CN115070252B (en) * | 2022-06-22 | 2023-11-03 | 四川航天长征装备制造有限公司 | Lock bottom welding joint |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2743131C1 (en) | 2021-02-15 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CA2691715C (en) | Method and device for connecting thick-walled metal workpieces by welding | |
| EP2546020B1 (en) | Laser/arc hybrid welding method and method for producing welded member using same | |
| Banas | High power laser welding-1978 | |
| WO2018227382A1 (en) | Method for laser welding metal workpieces using a combination of weld paths | |
| Salminen et al. | The characteristics of high power fibre laser welding | |
| CN110280900B (en) | Light beam swinging laser welding method for titanium alloy | |
| JPH08300172A (en) | Manufacture of welded steel tube | |
| RU2697545C1 (en) | Method for laser-arc welding of fillet welds of t-joints | |
| WO2021154120A1 (en) | Method of preparing edges for orbital laser welding | |
| RU2637035C1 (en) | Method of hybrid arc augmented laser welding of pipe longitudinal seam | |
| CN110340529B (en) | Groove width calculation method for narrow-gap laser filler wire welding plate | |
| Kah | Usability of laser–arc hybrid welding processes in industrial applications | |
| CN107081528A (en) | A kind of method for laser welding of high-grade pipe line steel | |
| Bagger et al. | Comparison of plasma, metal inactive gas (MIG) and tungsten inactive gas (TIG) processes for laser hybrid welding | |
| Bokelmann et al. | Influence of laser spot oscillation parameters on the seam geometry and dilution in the LDNA process | |
| Bunaziv et al. | Application of LBW and LAHW for fillet welds of 12 and 15 mm structural steel | |
| RU2734312C1 (en) | Metal pipelines repair method in field conditions and installation for its implementation | |
| Wieschemann et al. | Hybrid-welding and the HyDRA MAG+ LASER processes in shipbuilding | |
| Tsibulskiy et al. | The influence of the gap size on the formation of a welded joint in hybrid laser-arc welding of angular joints and T-joints | |
| Kuzmikova et al. | Investigation into feasibility of hybrid laser-GMAW process for welding high strength quenched and tempered steel | |
| RU2751403C1 (en) | Method of laser-arc surfacing with a melting electrode in a protective gas environment | |
| Kumar et al. | Exploration of parametric effect on fiber laser weldments of SS-316L by response surface method | |
| Üstündağ et al. | Hybrid laser-arc welding of thick-walled pipe segments with optimization of the end crater | |
| KR100722385B1 (en) | Hybrid weding method for plasma cut plate steels | |
| RU2754216C1 (en) | Method for controlling the thermal cycle of multiple-pass laser welding of non-rotary annular connections in a narrow-gap preparation with filler wire |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 20916649 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 20916649 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
|
| 32PN | Ep: public notification in the ep bulletin as address of the adressee cannot be established |
Free format text: NOTING OF LOSS OF RIGHTS PURSUANT TO RULE 112(1) EPC (EPO FORM 1205A DATED 02/03/2023) |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 20916649 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |