Способ лазерной сварки тонкостенных труб

Авторы патента:

B23K26/14 - с использованием потока, например струи газа, направленного в место обработки, в сочетании с лазерным лучом (B23K 26/12 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2533572:

Общество с ограниченной ответственностью "СВЧ ЛАБ" (RU)

Изобретение относится к способу лазерной сварки тонкостенных труб и может найти применение в различных отраслях техники. Осуществляют воздействие лазерным лучом на подлежащие соединению кромки свариваемых труб. Подают в зону сварки для охлаждения кромок свариваемых труб аргон с температурой (-200°С.) При этом во время процесса сварки охлаждают весь корпус сварочного кондуктора до температуры, равной (-200°С) путем подачи через дополнительное устройство и непрерывной циркуляции в контуре кондуктора сжиженного азота. Лазерную сварку ведут в непрерывном режиме лазерного излучения до глубокого проплавления кромок свариваемой трубы и при непрерывном поступательном перемещении трубы вдоль горизонтальной оси сварочного кондуктора. Скорость лазерной сварки труб выбирают в зависимости от их толщины и времени глубокого проплавления металла при воздействии лазерного луча. В результате достигается повышение скорости сварки при сохранении качества проплава трубы и однородности полученного при сварке шва. 1 табл.

Изобретение относится к технологии и оборудованию для лазерной сварки и может быть использовано для лазерной сварки тонкостенных труб. Изделия из труб имеют широкое применение в различных отраслях техники. Высокая потребность в тонкостенных трубах имеется в авиастроении и многих других отраслях, но лидирующее место занимает атомная энергетика, где их применение весьма значительно. Они используются для изготовления оболочек тепловыделяющих элементов.

Применяемые промышленные способы изготовления цельнотянутых труб требуют многих циклов нагрева стальной заготовки трубы, необходимых для деформирования. При недостаточной защите нагревы вызывают в металле нежелательные ухудшения микроструктуры (межкристаллитное окисление, рост кристаллов). Методика механического протягивания заготовки трубы через фильеры со свободно скользящим калибрующим дорном внутри в принципе не может исключить возникновение разностенности или хотя бы обеспечить равномерность толщины трубы, как по окружности, так и по всей ее длине. Движение дорна также порождает микроцарапины внутри трубы, что ведет к ухудшению ее качества.

Известен «Способ лазерной сварки тонколистовых изделий цилиндрической формы», при котором предварительно раскатанный листовой материал формируют в валках в цилиндрическую заготовку, сваривают лазерным лучом, покрывают покрытием и режут на части с определенной длиной, при этом листовой материал раскатывают до толщины большей, чем эксплутационная толщина, а лазерную сварку ведут в режиме глубокого проплавления, а после сварки выполняют раскатку трубы в валиках до эксплуатационной толщины и затем режут ее на части, причем формирование в цилиндрическую заготовку, сварку, раскатку и разрезку трубы выполняют в процессе вращения ее вокруг собственной оси, которое ей обеспечивает механизм раскатки трубы, разрезку трубы на части ведут лазерным лучом.

Патент РФ на изобретение №2123918; В23K 26/00, д. публ. 1998.12.27.

Известен «Способ сварки непрерывным лазерным излучением», сварка непрерывным лазерным излучением, при котором процесс ведут в сварочной камере при остаточном давлении ниже атмосферного, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и улучшения качества сварного соединения, процесс осуществляют при остаточном давлении в сварной камере, равном 5*10^-2-1*10^-3 мм рт.ст.

Авторское свидетельство №1808588; МКИ: В23K 26/00, д. публ. 1993.04.15.

Наиболее близким к предлагаемому в качестве изобретения техническому решению является «Способ сварки Л.Е. Федорова», сварка при котором осуществляет воздействие высокоэнергетическим тепловым лучом на подлежащие соединению участки свариваемых деталей и подачу в зону сварки инертного газа, отличающийся тем, что подлежащие соединению участки свариваемых деталей охлаждают, для чего инертный газ подают при температуре (-200°С). Патент РФ на изобретение №2047446; МПК: В23К 26/00, д. публ. 1995.11.10. К недостаткам вышеописанных способов сварки относятся невысокие скорости сварки и качественные изменения микроструктуры (межкристаллитное окисление, рост кристаллов) металла свариваемой трубы из-за нагрева в результате непрерывного лазерного излучения всей массы металла свариваемой трубы.

К техническому результату относятся повышение скорости сварки при сохранении качества проплава трубы и однородности полученного при сварке шва путем подачи в сварочный кондуктор сжиженного азота, его циркуляции по контуру кондуктора и в результате охлаждения всей массы свариваемой трубы.

Технический результат достигается путем того, что способ лазерной сварки тонкостенных труб включает установку свариваемых труб в сварочный кондуктор, воздействие лазерным лучом в непрерывном режиме на подлежащие соединению кромки свариваемых труб до глубокого проплавления кромок свариваемой трубы при непрерывном поступательном перемещении трубы вдоль горизонтальной оси сварочного кондуктора. Затем охлаждение зоны сварки путем подачи в нее химического реагента в виде инертного газа - аргона, с температурой (-200°С). При этом свариваемые трубы во время процесса сварки охлаждают по всей их массе до температуры, равной (-200°С), путем подачи и непрерывной циркуляции в контуре кондуктора сжиженного азота. Причем скорость лазерной сварки труб выбирают в зависимости от их толщины и времени глубокого проплавления металла при воздействии лазерного луча из следующего соотношения:

V=b/t С, где

V - скорость сварки, мм/сек;

b - толщина свариваемых труб, мм;

t - время глубокого проплавления металла, сек;

С - математическая константа, равная 4*10^-4.

Предлагаемый способ лазерной сварки позволяет получать высокопрочные сварные швы без выпуклости, в которых легко восстанавливается первичная структура свариваемого металла с его свойствами. Достигается это путем охлаждения жидким азотом всей массы свариваемой трубы, при этом повышение температуры от обработки лазером осуществляют только в области сварного шва, поэтому сварочная структура перекристаллизовывается в структуру свариваемого металла, и свариваемая труба становится как бы цельной, т.е. безшовной и бездефектной.

Примеры конкретного выполнения способа: в связи с тем, что толщина свариваемых металлов очень мала и, ее величина колеблется от 0,01 до 1 мм, а температура теплового лазерного луча составляет 8000-10000°C, то можно принять толщину металла равной 0,02 мм.

Кроме того на скорость сварки большее влияние оказывает тугоплавкость свариваемого металла. Таким образом, при температуре плавления металла до 1000°C, время воздействия лазером равно 1 сек. При температуре плавления металла от 1000 до 1500°C, время воздействия лазером равно 2 сек. При температуре плавления металла от 1500 до 2000°С, время воздействия лазером равно 3 сек.

Приводим расчеты скорости сварки труб различной толщины.

Скорость сварки труб с толщиной 0,01 мм (температура плавления металла до 1000°С):

V=0.01 мм / 4*10^-4*1 сек = 50 мм/сек = 3 м/мин.

Скорость сварки труб с толщиной 0,02 мм (температура плавления металла от 1000 до 1500°С):

V=0.02 мм / 4*10^-4*2 сек = 25 мм/сек = 1,5 м/мин.

Скорость сварки труб с толщиной 0,03 мм (температура плавления металла от 1500 до 2000°С):

V=0.03 мм / 4*10^-4*3 сек = 16,7 мм/сек = 1 м/мин.

Результаты сведены в таблицу 1.

Этот способ лазерной сварки позволяет изготавливать высокоточные геометрически тонкостенные трубы, однородной толщины из серийных металлических лент, толщиной 0,02÷0,5 мм, в том числе для оболочек ТВЭЛ атомных реакторов.

Предлагаемый способ изготовления труб лазерной сваркой обладает большими скоростями сварки, является очень малоотходным и дешевым, не имеет ограничений по размерам изготавливаемых труб и многослойной толщины их стенок, а также легко переналаживается на любые размеры труб.

Таблица 1.
Режимы воздействия на металлическую поверхность упрочняемого изделия
Основной металл изделия	Глубина воздействия	Скорость	Мощность лазера	Кол-во модулей	Охлаждение	Расход охлаждающей среды	Расход защитного газа	Фокусное расстояние
(мм)	(об/мин)	(кВт)	излучения (шт.)	Азот	Вода	кВт или л/мин		(мм)
ФНС-5 (фильтрующая нержавеющая сталь, 5 мкрн.)	0,16	200	120-130	1	нет	нет	нет	5	206
Никель	0,06	200	100	1	нет	нет	нет	5	206
МД-40	0,2	200	250	3		да	3 л/мин	5	180
12Х17Г9АН4	0,3 (Fe ~ 68%)	200	240	3	да		100 кВт	7	180
08Ю	0,05 (Fe ~ 99%)	150	100	1	да		150 кВт	5	206
12Х18Н10Т	0,05 (Fe ~ 67%)	250	90	1	да		150 кВт	7	186
12Х18Н10Т	0,16	200	250	3		да	3 л/мин	7	102,5

Способ лазерной сварки тонкостенных труб, включающий установку свариваемых труб в сварочный кондуктор, воздействие лазерным лучом в непрерывном режиме на подлежащие соединению кромки свариваемых труб до глубокого проплавления кромок свариваемой трубы при непрерывном поступательном перемещении трубы вдоль горизонтальной оси сварочного кондуктора и охлаждение зоны сварки путем подачи в нее в качестве химического реагента инертного газа в виде аргона с температурой (-200°С), отличающийся тем, что свариваемые трубы во время процесса сварки охлаждают по всей их массе до температуры (-200°С) путем подачи и непрерывной циркуляции в контуре кондуктора сжиженного азота, причем скорость лазерной сварки труб выбирают в зависимости от их толщины и времени глубокого проплавления металла при воздействии лазерного луча из следующего соотношения:
V=b/t С, где
V - скорость сварки, мм/сек;
b - толщина свариваемых труб, мм;
t - время глубокого проплавления металла, сек;
С - математическая константа, равная 4*10^-4.

Изобретение относится к способу лазерной сварки встык листов из стали с содержанием бора 1,3-3,6%, в частности листов из борсодержащей стали 04Х143Р1Ф-Ш, и может найти применение для изготовления сварных изделий и труб с повышенными требованиями к поглощению нейтронного излучения для объектов атомной энергетики.

Способ и устройство для обработки перемещаемой подложки при помощи лазера // 2496623

Изобретение относится к способу и устройству для обработки подвижной подложки при помощи лазера для получения в результате обработки материала, отделенного от подложки.

Способ получения теплостойкого покрытия // 2492980

Изобретение относится к металлургии и машиностроению и может быть использовано для поверхностного упрочнения и восстановления деталей машин и механизмов. На подложку газопорошковой лазерной наплавкой наносят самофлюсующиеся порошки системы NiCrBSi, после чего осуществляют отжиг при температуре 1000-1075°C в течение 1-3 часов.

Способ газолазерной резки крупногабаритных деталей из композиционных материалов и устройство для его осуществления // 2471600

Изобретение относится к способу и устройству газолазерной резки композиционных материалов. .

Способ газолазерной резки материалов и установка для газолазерной резки // 2466842

Изобретение относится к области обработки лучом лазера преимущественно металлических материалов больших толщин, в частности к способу и установке для газолазерной резки.

Способ и устройство для сварки деталей из термостойких жаропрочных сплавов // 2466841

Способ лазерного раскроя металлического листового материала // 2459690

Изобретение относится к области металлообработки, а именно к способам и устройствам для лазерного раскроя металлических листовых материалов, и может быть использовано в атомной технике, а также в других отраслях промышленности.

Лазерное формообразование механических микроструктур на поверхности подложки // 2452792

Изобретение относится к оптическим технологиям, в частности к лазерным методам формирования на подложках структурных образований нано- и микроразмеров для нано- и микромеханики и микроэлектроники.

Способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом алюминия и алюминиевых сплавов // 2440221

Изобретение относится к способам сварки соединений из алюминия и алюминиевых сплавов и может быть использовано при производстве легких металлоконструкций в различных отраслях промышленности.

Способ лазерной термообработки сложных пространственных поверхностей крупногабаритных деталей // 2425894

Изобретение относится к способу термообработки поверхности материалов концентрированными источниками энергии. .

Способ лазерного упрочнения плоской заготовки // 2537429

Изобретение относится к способу лазерного упрочнения плоской заготовки и может быть использовано для формирования поверхностных слоев материалов путем термообработки. Способ включает воздействие на обрабатываемую поверхность заготовки лазерным лучом с получением закаленного подповерхностного слоя. Одновременно с воздействием лазерным лучом на заданные участки заготовки подают поток охлаждающей среды с формированием незакаленного вязкого подповерхностного слоя, заданную глубину залегания которого регулируют объемом подаваемой охлаждающей среды. В результате получают заготовку с заданной глубиной залегания вязкого подповерхностного слоя материала, что повышает ее эксплуатационные свойства. 1 ил., 1 пр.

Способ и установка для лазерной сварки с припоем стальных деталей, в частности деталей из металлического листа для корпуса автомобиля // 2566702

Изобретение относится к лазерной сварке двух стальных деталей (1, 2) и может быть использовано в автомобилестроении. Лазерный луч (3) и металлическую присадочную проволоку (4) непрерывно перемещают вдоль соединительной линии между двумя деталями (1, 2) таким образом, что этот лазерный луч (3) непрерывно плавит металлическую присадочную проволоку (4) так, чтобы образовывать непрерывный сварочный шов (5) между двумя деталями (1, 2). Защитный газ вдувают на сварочный шов. Защитный газ представляет собой сжатый воздух, свободный от газов, отличающихся от тех, что содержатся в окружающем воздухе. Устройство содержит форсунку для вдувания воздуха, присоединенную к источнику сжатого воздуха. В результате предотвращается образование пористости сварных швов и, соответственно, повышается качество сварных деталей. 4 н. и 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Способ соединительной сварки оснащенных покрытием стальных листов // 2573454

Изобретение относится к способу соединительной сварки встык оснащенных покрытием стальных листов (1). К сварочному расплаву (6) через, по меньшей мере, один проточный канал (10) подводят, по меньшей мере, одну порошкообразную сварочную присадку (8) в форме потока (9) газа и порошка. Выходящий из проточного канала (10) поток (9) газа и порошка направляют на сварочный расплав (6) со скоростью выхода, по меньшей мере, 2 м/с. За счет возникновения турбулентного перемешивания сварочной присадки (8) со сварочным расплавом (6) в сварочном расплаве (6) образуются завихрения (12) потока. В результате получают сварное соединение стальных листов с покрытием без потери прочности в сварном шве за счет подмешивания основных частей покрытия. 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

Оптическая лазерная головка // 2578885

Изобретение относится к оборудованию для лазерной обработки. Оптическая лазерная головка содержит наружное и внутреннее газовые сопла с каналами для подвода активного и защитного газов, фокусирующую линзу, размещенную во внутреннем сопле, сквозные отверстия, размещенные на боковой поверхности внутреннего сопла. Внутреннее сопло выполнено по типу сопла Лаваля. Фокусирующая линза базируется своей цилиндрической поверхностью по цилиндрической поверхности внутреннего сопла с возможностью поршневого перемещения вдоль оси. При этом канал для подвода активного газа к внутреннему соплу расположен между фокусирующей линзой и соплом Лаваля, а сквозные отверстия внутреннего сопла расположены над линзой. Изобретение направлено на повышение надежности конструкции и расширение технологических возможностей лазерной головки. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Способ гибридной лазерно-дуговой сварки деталей из алитированной стали с проволокой, содержащей образующие гамму-фазу элементы, и газом, содержащим менее 10% азота или кислорода // 2588978

Изобретение относится к способу гибридной лазерно-дуговой сварки стальных деталей, содержащих поверхностное покрытие на основе алюминия. Осуществляют сварку с помощью электрической дуги и лазерного луча, сочетающихся друг с другом в единой сварочной ванне, в которую расплавленный металл вносят в результате плавления расходуемой проволоки, сварку ведут с защитным газом. Расходуемая проволока содержит 3-20 мас.% одного или более образующих гамма-фазу элементов. Эти элементы выбраны из C, Mn, Ni и N, а защитный газ образован из гелия и/или аргона с добавлением менее 10 об.% азота или кислорода. Изобретение особенно приспособлено для сварки составных заготовок («tailored blanks»), использующихся в области автомобилестроения, или для сварки труб. 13 з.п. ф-лы, 1 пр.

Способ гибридной лазерно-дуговой сварки алитированных стальных деталей с газом, содержащим азот и/или кислород // 2590759

Изобретение относится к способу гибридной лазерно-дуговой сварки, осуществляемому с помощью электрической дуги и лазерного луча, сочетающихся друг с другом в единой сварочной ванне, в которую расплавленный металл подается посредством плавления расходуемой проволоки. Сварочную ванну получают на по меньшей мере одной стальной детали, содержащей поверхностное покрытие на основе алюминия. Процесс ведут с защитным газом. Защитный газ образован по меньшей мере одним основным компонентом, выбранным среди аргона и гелия, и по меньшей мере одним дополнительным компонентом, выбранным среди азота и кислорода. Защитный газ содержит от 1% до 20% по объему упомянутого одного дополнительного компонента. 10 з.п. ф-лы, 1 пр.

Лазерное сопло с подвижным элементом // 2607889

Изобретение может быть использовано при лазерной резке, в частности, с использованием волоконного или дискового лазера. Корпус (1) сопла выполнен с осевой полостью (5), имеющей первое выходное отверстие (11) на передней стороне (1а). Подвижный элемент (2) выполнен с возможностью поступательного перемещения в осевой полости (5) в направлении первого выходного отверстия (11) под воздействием давления газа пока передняя часть (2а), образующая внутреннюю цилиндрическую стенку подвижного элемента (2), не будет выступать за пределы осевой полости (5) через первое выходное отверстие (11). Эластичный элемент (8) расположен в осевой полости (5) между корпусом (1) сопла и подвижным элементом (2). Эластичный элемент (8) производит упругую возвратную силу на подвижный элемент (2) и стремится противодействовать поступательному перемещению в осевой полости (5) в направлении первого выходного отверстия (11). 4 н. и 7 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство и способ резания лазером с автоматическим регулированием импульсов газа по частоте или по давлению // 2617301

Изобретение относится к области лазерного резания с нагнетанием потока продувочного газа в зону резания для удаления шлаков и газов, образующихся в процессе резания. Нагнетание продувочного газа в зону резания осуществляют с помощью импульсов газа, при этом непрерывно измеряют интенсивность отраженного из зоны резания излучения лазера и осуществляют регулирование расхода продувочного газа путем изменения частоты, давления, либо одновременно частоты и давления импульсов газа в зависимости от измеренной интенсивности, которую поддерживают на заданном минимуме. Использование изобретения позволяет повысить качество процесса резания. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

Способ лазерной обработки материала (варианты) // 2624568

Изобретение относится к области лазерной обработки и может быть использовано в различных отраслях машиностроения как для резки листового материала и гравировки, так и термоупрочнения, наплавки и сварки металлов. Способ включает направление на материал сфокусированного линзой лазерного излучения с одновременной подачей потока газа газораспределительными отверстиями под нижнюю поверхность линзы и от нее соплом в зону обработки. Перед фокусировкой лазерное излучение коллимируют. Поток газа подают в центральную часть линзы или размещенного под ней защитного стекла по крайней мере одним рядом наклоненных к оптической оси фокусирующей линзы и симметрично расположенных газораспределительных отверстий. Центральная часть линзы или размещенного под ней защитного стекла, на которую воздействуют струями газа, по меньшей мере, равна диаметру проходящего через них пучка лазерного излучения. Коллимацию лазерного излучения осуществляют телескопом через его отрицательную линзу и положительную линзу, перемещаемую вдоль ее оптической оси. Технический результат заключается в увеличении эффективности процесса лазерной обработки и качества обработки за счет регулировки плотности мощности лазерного излучения в зоне обработки, охлаждения линзы и эффективного предотвращения загрязнения и повреждения линзы продуктами испарения и других мелких частиц с обрабатываемого изделия. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 4 ил.

Способ лазерно-дуговой сварки // 2635679

Изобретение относится к способу лазерно-дуговой сварки с использованием плавящегося электрода в среде защитного газа, и может быть использовано для сварки сформованных трубных заготовок. Способ включает сварку с одновременным воздействием лазерного луча и дуги плавящего электрода в среде инертного газа на сварочную ванну. Расстояние между центром сфокусированного пятна лазерного излучения и точкой дугового контакта составляет 10-15 мм. Лазерный луч наклоняют в сторону, противоположную направлению движения кромок, на угол 20-25° относительно нормали к поверхности свариваемых кромок, а дуговую горелку наклоняют в сторону направления движения кромок на угол 30-35°. В зону лазерного излучения и в зону электрода подают защитный газ. В зоне электрода защитный газ в процессе сварки подают в одном направлении с электродом дуговой горелки. Технический результат заключается в повышении качества сварного шва за счет снижения дефектов сварки, в частности, таких как дефектов типа сквозных отверстий, раковин, пор и шлаковых включений путем выпрямления парогазового канала при лазерно-дуговом процессе сварки и, как следствие, путем улучшения условий дегазации сварочной ванны. 1 ил.