Способ лазерной сварки труб

 

Изобретение относится к сварке, в частности к способу лазерной сварки, и может использоваться для сварки труб из различных материалов малого диаметра. Сущность изобретения состоит в следующем: подачу лазерного излучения осуществляют поворотным устройством, находящимся перед фокусирующей системой на расстоянии, равном l= F (1 + F/R), а угол поворота поворотного устройства равен α = аrctg Х/F/2, где F - фокусное расстояние фокусирующей системы; R - радиус свариваемой трубы; X - отклонение свариваемого стыка от нормального положения. Поворотным устройством, которое может быть использовано в данном способе, служит любой отклоняющий элемент - зеркало, призма. Фокусирующая система может быть как зеркального, так и проводного типов. Использование данного способа сварки позволит повысить качество сварного шва, а также улучшить динамические характеристики системы контроля положения стыка относительно падающего излучения. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к области лучевых методов обработки материалов и может быть использовано для лазерной сварки труб продольным швом.

Известные способы для сварки труб продольным швом [1] [2] [3] осуществляются следующим образом. Предназначенная для сварки труба устанавливается в специальные приспособления. Для наиболее оптимального формирования сварного шва стык выставляется вверху. Выходящее из лазера излучение направляется по системе транспортировки на поворотное зеркало, отражаясь от которого оно направляется в фокусирующее устройство (объектив). В нем излучение фокусируется и направляется на продольный стык трубы. Под воздействием сфокусированного излучения на кромке стыка образуется точка сплавления. При перемещении объектива и поворотного зеркала с помощью привода вдоль стыка трубы образуется продольный сварной шов.

Контроль за расположением сопла объектива непосредственно над стыком осуществляется датчиком контроля за стыком и приводом перемещения объектива и поворотного зеркала, объединенными в единый узел перпендикулярно продольному шву. При отклонении стыка от нормального положения находящийся непосредственно перед соплом объектива датчик подает управляющий сигнал на привод перемещения объектива и поворотного зеркала перпендикулярно продольному шву и тот отрабатывает необходимое перемещение.

Вышеуказанные способы имеют следующие недостатки.

1. Для отработки перемещений при отклонении стыка от нормального положения в процессе сварки необходимо реверсивно перемещать массивную конструкцию, состоящую из фокусирующего устройства и поворотного зеркала, причем ускорения будут постоянно изменяться. Это требует наличия в составе установки достаточно мощного дополнительного привода с механической передачей.

2. В процессе сварки, несмотря на контроль за стыком в горизонтальной плоскости, луч постоянно направлен вертикально вниз в то время, когда стык отклоняется по окружности. В результате нарушается необходимое условие качественного формирования сварного шва перпендикулярность падающего излучения в плоскости, которой принадлежит точка соприкосновения детали с излучением и которая перпендикулярна оси излучения.

Луч попадает в верхнюю часть стыка, но не идет вдоль него, а попадает на одну из его кромок. В результате неправильное формирование сварного шва и, следовательно, резкое ухудшение его качества. При больших отклонениях стыка от нормального положения возникает непровар сварного шва.

Задачами изобретения являются: повышение качества сварного шва, улучшение динамических характеристик системы контроля положения стыка относительно падающего излучения.

В предлагаемом способе в процессе лазерной сварки излучение направляется на свариваемый стык поворотным устройством, находящимся перед фокусирующим устройством на расстоянии l, равном , где F фокусное расстояние фокусирующей системы; R радиус свариваемой трубы.

При этом угол поворота поворотного устройства зависит от отклонения стыка X от нормального положения: Поворотным устройством, направляющим излучение в фокусирующее устройство, может быть любое как плоское, так и имеющее определенный фокус устройство, элемент, позволяющий отклонять излучение: зеркало, призма и т.д. Фокусирующее устройство может быть как зеркального, так и проходного типов.

Технические результаты, получаемые при осуществлении изобретения: 1. Подача лазерного излучения, ось которого перпендикулярна плоскости, которой принадлежит точка соприкосновения детали с излучением в процессе сварки, позволяет формировать качественный шов независимо от отклонений стыка от нормального положения.

2. Использование данного способа позволяет отказаться от мощного привода, перемещающего в направлении, перпендикулярном сварному шву, конструкцию, состоящую из фокусирующей системы и поворотного устройства. При осуществлении предложенного способа необходим маломощный двигатель, вращающий поворотное устройство на незначительный угол. Фокусирующая система при этом остается неподвижной.

Вышеуказанные формулы получены из следующих соотношении (фиг.1). Из соотношений катетов треугольников получаются три уравнения с тремя неизвестными:
где δ неизвестная величина, отклонение центральной оси излучения от нормального положения на фокусирующем устройстве:
X' неизвестная величина, отклонение центральной оси излучения от нормального положения на уровне верхней фокальной плоскости;
l расстояние между поворотным и фокусирующим устройствами;
F фокусное расстояние фокусирующей системы;
X неизвестная величина, отклонение свариваемого стыка на трубе от нормального положения;
R радиус свариваемой трубы;
Выделив и Х во втором и третьем соответственно уравнениях и подставляя их в первое, находим зависимость L от F и R. Х при этой операции сокращается.

Известно, что угол отклонения излучения β равен двум углам поворота поворотного устройства a:β=2α..

Из соотношения катетов треугольника получаем: . Подставляя вместо δ выражение, полученное из уравнения (3), а вместо l уравнение (4), получаем:

Способ иллюстрируется чертежом.

Пример конкретного использования способа. Сваривается труба 1 с диаметром 40 мм. Лазерный луч 2 подается на зеркало 3 и после него направляется на линзу 4. Фокусное расстояние линзы F 200 мм. Отсюда необходимое расстояние от зеркала до линзы равно: l 2200 мм.

При отклонении стыка от нормального положения Х 2 мм, угол наклона зеркала составит:

Формула изобретения

1. Способ лазерной сварки труб, при котором лазерный луч направляют поворотным устройством через фокусирующую систему на свариваемый стык, отличающийся тем, что поворотное устройство располагают перед фокусирующей системой на расстоянии

а угол α поворота поворотного устройства устанавливают в зависимости от отклонения стыка от нормального положения, исходя из следующего соотношения:

где F фокусное расстояние фокусирующей системы;
R радиус свариваемой трубы;
X отклонение стыка от нормального положения.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что используют фокусирующую систему зеркального или проходного типов.

РИСУНКИ

Рисунок 1