Способ лазерной сварки внахлест листов конструкционной стали и сплавов алюминия

Изобретение относится к способам лазерной сварки внахлест листов конструкционной стали и сплавов алюминия и может быть использовано в машиностроении. Перед сваркой контактируемые поверхности соединяемых листов обрабатывают лазерной чисткой. Затем листы плотно прижимают. Сварной шов образуют периодической повторяемостью базисных элементов V-, U-, Ω-образной геометрической формы, в частности, эллипсов или кругов, лазерным лучом с постоянной скоростью под углом 90° относительно соединения в два этапа - нагрев поверхности стали разфокусированным лучом до температуры 600°÷700° и проплавление листа стали сфокусированным лучом с защитой расплава газовой смесью аргона и гелия. Для различных соотношений толщин соединяемых листов расплав стали обеспечивает проплавление листа алюминия на толщины. В результате достигается упрощение технологии сварки, возможность осуществления подбора рациональной геометрической формы сварного шва, повышение качества сварного соединения и снижение производственного брака. 4 ил., 3 пр., 3 табл.

 

Изобретение относится к промышленной индустрии, а именно к способам лазерной сварки внахлест (ЛСВ) листов конструкционной стали и сплавов алюминия, разнородных по температуре плавления, сварным швом (СШ) периодической повторяемости и может быть использовано при ЛСВ в авто- и вагоностроении.

Известен способ лазерной сварки листовых разнородных материалов встык (Заявка на изобретение RU №2009 122958, МПК В23K 31/00, 16.06.2009), выполняемой при наклоне соединения на определенный угол и направлении лазерного излучения (ЛИ) на более тугоплавкий металл, что обеспечивает испарение легкоплавкого металла при его нагреве расплавом тугоплавкого металла и формирование оптимальной структуры СШ.

Недостатком этого способа является его применимость только для лазерной сварки разнородных материалов встык - соединения, не самого распространенного в промышленности.

Известен способ сварки внахлест соединений разнородных материалов (Патент на изобретение RU 2542938 C2, МПК В23K 9/23, 07.05.2013) проплавлением со стороны более плотного металла обоих элементов сжатой дугой в плазмообразующем защитном газе при жестких требованиях к соотношению толщин соединяемых элементов и величине «нахлеста».

Недостатком этого способа является высокая неопределенность геометрических параметров СШ и низкая производительность.

Наиболее близким к заявленному техническому решению и выбранным в качестве прототипа является способ сварки внахлест изделий из тонколистовых и разнородных материалов (Патент на изобретение RU 2404887 C1, МПК В23K 33/00, 09.06.2009) с использованием высокоэнергетических источников, например, лазерного, плазменного или электронно-лучевого, с предварительным проплавлением свариваемой зоны при добавлении в расплав модификаторов в виде суспензии тугоплавких нанопорошковых материалов, например нитридов, карбонитридов или оксидов, с концентрацией менее 0,1% от объема сварочной ванны.

Недостатками этого способа являются усложнение технологии сварки и необходимость использования дорогостоящих порошковых материалов, введение которых в сварочную ванну в объеме ≈0,1% технически сложно.

Целью предлагаемого способа лазерной сварки внахлест листов конструкционной стали и сплавов алюминия является упрощение технологии сварки, подбор рациональной геометрической формы сварного шва, повышение качества сварного соединения и снижение производственного брака.

Поставленная цель достигается тем, что перед сваркой контактируемые поверхности соединяемых листов обрабатывают, например, лазерной чисткой, листы плотно прижимают, сварной шов образуют периодической повторяемостью базисных элементов V-, U-, Ω-образной геометрической формы, в частности эллипсов или кругов, лазерным лучом с постоянной скоростью под углом 90° относительно соединения в два этапа - нагрев поверхности стали разфокусированным лучом до температуры 600°÷700° и проплавление листа стали сфокусированным лучом с защитой расплава газовой смесью аргона и гелия.

На фиг. 1 изображены разрезы по толщине соединения СШ, образованного ЛИ проплавом соединяемых листов, в форме трапеции:

а) общий случай поперечного сечения СШ (tкс≈t), где: tкс - толщина листа стали; tал - толщина листа алюминия; A1, А2, А3 - площади поперечных сечений, соответственно, каверны и расплава стали в пределах листов стали и алюминия; tк - толщина (глубина) каверны; t0 - глубина не проплава в листе алюминия;

б) частный случай поперечного сечения СШ при tкс<tал;

в) частный случай поперечного сечения СШ при tкс>t.

Разфокусировка луча выполняется на ширину Δн=kр×Δсш, где Δсш - ширина СШ; kр - коэффициент разфокусировки. Проплавление более тугоплавкого металла сфокусированным лучом выполняется с защитой расплава газовой смесью аргона Ar и гелия He при соотношении Ar/Не=50/50.

Полагая, что расплав алюминия полностью вытесняется из зоны СШ, площади A1=A3 должны быть равны между собой, т.е. площадь поперечного сечения каверны равна площади проникновения расплава стали в лист алюминия.

Указанное обстоятельство, очевидно, накладывает ограничение на сочетание толщин листов стали tкс и алюминия tал - при tкс<<t весь расплав стали может оказаться в листе алюминия и сварное соединение не работоспособно.

Из условия А13, толщина (глубина) каверны tк определяется по формуле:

где Н- толщина сварного соединения листов: Н=tкс+t.

В качестве общего случая базисного элемента (БЭ) СШ принята линия, образованная дугами эллипсов и прямых, соединяющих эти дуги - частные случаи БЭ имеют эллиптическую, круговую или V-, U-, Ω-образную формы.

На фиг. 2 изображены БЭ СШ для общего и частных случаев:

а) общий случай БЭ СШ, где обозначены: 1, 2, 3 - эллипсы; 4, 5 - касательные к эллипсам, соответственно, касательная 4 - к эллипсам 1 и 2, касательная 5 - к эллипсам 2 и 3; α - угол наклона касательной 5 к оси x; h1=h2=а - расстояние от центров эллипсов до границы СШ (горизонтальные прямые, показанные пунктиром); h0=h-2×а - расстояние между горизонтальными осями эллипсов; БТ - базисная точка;

б) V-образный БЭ СШ, получаемый при а=b=r<<h;

в) U-образный БЭ СШ, получаемый при а=b=r<h и l=4×r;

г) Ω-образный БЭ СШ, получаемый при а=b=r>h/2 и контакте кругов - вырождении прямых БТ2-БТ3 и БТ4-БТ5, т.е. совмещении БТ2 и БТ3, БТ4 и БТ5.

д) СШ, образованный отдельными эллипсами (БЭ - эллипс), при l=с+2×b и h=2×а, где: с - расстояние по оси x между эллипсами.

Уравнение линии БЭ, в общем случае, записывается в следующем виде:

при соблюдении условий: l>6×b; h=h1+h0+h2×a.

На фиг. 3 изображены варианты сварных соединений (швов), полученные из различных:

а) V-образных БЭ СШ;

б) U-образных БЭ СШ;

в) БЭ СШ, образованный кругами при а=b=r или эллипсами при а>b;

г) Ω-образных БЭ СШ, образованный эллипсами, при а<b;

д) Ω-образных БЭ СШ, образованный эллипсами при а=b=r;

е) Ω-образных БЭ СШ, образованный эллипсами, при α>b.

В табл. 1 приведены некоторые рекомендуемые сочетания толщин свариваемых листов стали и алюминия, а также параметров поперечного сечения СШ, обеспечивающих выполнения условия tк<½×tкс - условия прочности СШ в пределах листа стали.

В табл. 2 приведены некоторые варианты рекомендуемых форм СШ, параметров элементов СШ и коэффициента kl - отношения длины СШ lсш к длине l БЭ (фиг. 2д) сварного соединения листов внахлест:

где li-j - длина i-j-го участка СШ между смежными (БТi-БТj) базисными точками, т.е. БТ1 и БТ2, БТ2 и БТ3, БТ3 и БТ4, БТ4 и БТ5, БТ5 и БТ6.

Пример 1. Рассмотрим результаты сварки листов стали Ст3 и алюминиевого сплава марки АМг2М с различными толщинами - в табл. 3 приведены пределы прочности СШ: τв=120÷425 МПа.

Пример 2. Рассмотрим результаты (фиг. 4а) сварки листов сталей Ст3 и алюминиевого сплава марки АМг2М с толщинами t1=t2=3 мм, полученных на оптимальном технологическом режиме, при различных формах БЭ: поперечный линейный - «-»; поперечная волна - «~»; кольцевой - «О»; V-образными с внутренними углами 45°, 60° и 90°; кольцевой сектор 270° - , . Пределы прочности СШ: τв=78÷121 МПа, при этом лучшие результаты соответствуют БЭ СШ поперечная волна «~» и кольцевой «О».

Пример 3. Для автобуса была изготовлена деталь «Люк» из алюминиевого сплава марки АМг2М с толщиной листа t2=1,5 мм, усиленного рамкой из стального профиля прямоугольного сечения 15×15×1 мм. Сварка БЭ в форме кольца r=5 мм выполнялась через круглые отверстия R=10 мм в стенке стального профиля. На фиг. 4б показан вид детали «Люк» со стороны стальных профилей, на фиг. 4в показан вид детали «Люк» со стороны алюминиевого листа. Качество сварного соединения определялось его прочностью и сохранностью алюминиевого листа от повреждения сквозным проплавом - см. фиг. 4в.

Из фиг. 4а и табл. 3 следует, что пределы прочности СШ составляют 88÷92% от предела прочности τв сплава марки АМг2М - τв=136 МПа. Из фиг. 4в следует, что в сварном соединении отсутствуют сквозные проплавы листа алюминия и обеспечивается высокое качество поверхности изделия.

Проведенные исследования показали, что при упрощении технологии сварки, без добавления модификаторов в зону плавления и рациональной геометрической формы сварного шва обеспечиваются высокие качество и прочность сварного соединения, для различных соотношений толщин соединяемых листов расплав стали обеспечивает проплавление листа алюминия на толщины.

Способ лазерной сварки внахлест листов конструкционных сталей и сплавов алюминия, включающий предварительный подогрев зоны сварки и лазерную сварку, отличающийся тем, что предварительно осуществляют лазерную чистку контактируемых поверхностей соединяемых листов, затем листы плотно прижимают друг к другу и сваривают лазерным лучом под углом 90° относительно соединения с постоянной скоростью в два этапа, причем сначала осуществляют нагрев поверхности расфокусированным лучом до температуры 600°÷700° и затем - проплавление листа стали сфокусированным лучом с защитой расплава газовой смесью аргона и гелия, при этом сварной шов образуют из периодически повторяемых базисных элементов V-, U-, Ω-образной геометрической формы, эллипсов или кругов.



 

Похожие патенты:

Изобретение может быть использовано для сварки толстостенных металлоконструкций, собранных между собой встык, в частности, при изготовлении стальных прямошовных труб для магистральных газо- и нефтепроводов с использованием лазерной или гибридной лазерно-дуговой сварки.

Изобретение относится к способу сварки труб методом лазерной сварки. Осуществляют наложение технологического шва и лазерную сварку стыка кромок, при этом при наложении технологического шва виртуально задают три точки, соответствующие точкам на кромках трубной заготовки и включающие точку на стыке кромок и две точки на краях кромок, лежащие на соответствующих касательных линиях к поперечной плоскости трубной заготовки.

Изобретение относится к способу гибридной лазерно-дуговой сварки продольного шва толстостенных трубных заготовок. Технический результат: повышение качества сварного шва при сварке заготовки стыка кромок как с максимально допустимым зазором, так и излишним зазором.

Изобретение относится к способу лазерной сварки труб большого диаметра, в частности к сварке продольных швов цилиндрической трубной заготовки. Осуществляют наложение технологического шва с наружной стороны трубы и последующее наложение рабочего шва посредством лазерной сварки.

Изобретение относится к способам лазерной нейтрализации взрывоопасных объектов и может быть использовано для бездетонационного обезвреживания взрывоопасных объектов, содержащих энергонасыщенные аминные комплексы кобальта(III), а также деактивации инициируемых лазером запалов.

Изобретение относится к способу лазерной сварки материалов, имеющих разные толщины. Располагают встык две пластины (10), (12), имеющие разные толщины так, что одна поверхность пластины (10) и одна поверхность пластины (12) расположены заподлицо друг с другом.

Изобретение относится к области поверхностной обработки прокатных цилиндров для получения заданной шероховатости. Установка (M) содержит устройство (МА) для поддержания обрабатываемого цилиндра (C) и приведения его во вращение вокруг его собственной продольной оси (X) и по меньшей мере одно устройство (MB), взаимодействующее с указанной первой станцией (МА) для создания и испускания с помощью оптоволоконного устройства импульсного лазерного излучения, случайным образом воздействующего на поверхность (S) цилиндра (C) и создающего заданную шероховатость на этой поверхности (S).
Изобретение относится к способу лазерной или гибридной лазерно-дуговой сварки стыковых соединений толстостенных металлоконструкций, в частности к сварке продольных швов труб большого диаметра, кольцевых швов трубопроводов и трубопроводных изделий.

Изобретение относится к способу лазерно-дуговой сварки с использованием плавящегося электрода в среде защитного газа, и может быть использовано для сварки сформованных трубных заготовок.

Изобретение относится к устройству (10) облучения обрабатывающим светом объекта, устройству и способу герметизации объекта и носителю информации. Группы источников света генерируют свет для обработки объекта, причем группы источников света изображают в рабочей плоскости (17) посредством блока (16) формирования изображения для получения обрабатывающего света.

Изобретение относится к способам лазерной наплавки и может быть использовано при наплавке различных материалов лазерным излучением и при выращивании монокристаллов или осуществлении направленной кристаллизации в образцах путем лазерного спекания порошковых материалов газопорошковой смеси. Cпособ выращивания монокристалла включает подачу направленного потока газопорошковой смеси из сопла устройства на подложку с одновременным расплавлением порошкового материала газопорошковой смеси на подложке лазерным лучом и перемещением сопла относительно подложки, при этом в процессе наплавки сопло перемещают относительно подложки с кристаллизатором с одновременным подъемом и меняют направление угла его наклона или положение в пространстве таким образом, чтобы осуществлялись бесконечно непрерывный рост монокристалла и заданное изменение направления его роста, при этом процесс осуществляют при скорости потока газопорошковой смеси 1-50 г/мин, линейной скорости движения лазерного луча 0,1-50 мм/с, мощности лазерного излучения 0,5-10 кВт и скорости перемещения сопла относительно подложки 0,001-30 м/с. Способ осуществляют в устройстве, содержащем лазерный блок, сопло 1 с входным патрубком для подачи газопорошковой смеси 6 на подложку 4 и волоконным кабелем, соединенным с лазерным блоком для транспортировки лазерного луча 7, столик 3 для размещения подложки 4, систему приводов для взаимного перемещения корпуса сопла относительно поверхности столика с подложкой 4, при этом устройство снабжено кристаллизатором 2, расположенным ниже выходного отверстия сопла 1 и представляющим собой водоохлаждаемый патрубок, по крайней мере, с одним ответвлением, подведенным к поверхности подложки. Технический результат изобретения заключается в получении монокристаллических изделий или изделий с направленными кристаллами в структуре без ограничения в размерах, с заданной ориентировкой и формой монокристалла. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к стыковой сварке металлопродукции, в частности к сварке продольных швов труб большого диаметра, кольцевых швов трубопроводов, а также швов трубопроводных изделий (отводов, тройников и т.д). Для улучшения микроструктуры сварного шва после лазерной или лазерно-дуговой сварки труб путем воздействия лазерным лучом на свариваемые участки труб до полного их проплавления осуществляют охлаждение зоны сварки. Охлаждение сварного шва выполняют в интервале от температуры Ms, где Ms - температура начала образования мартенсита, и до температуры не ниже Mf, где Mf - температура завершения образования мартенсита. Затем повторно нагревают до температуры Ms (+100…300)°С с дальнейшим окончательным охлаждением. При этом охлаждение производят на воздухе, или водой, или водовоздушной смесью. Повторный нагрев выполняют индукционным методом или лазером. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится способу ремонта трубы с продольном швом. Ремонт включает обнаружение дефекта, выборку дефекта и заплавление выборки. Оборудование для обнаружения, выборки дефекта и заплавления выборки устанавливают с возможностью работы через блок управления в единой системе координат. При этом для обнаружения дефекта осуществляют ультразвуковой контроль путем сканирования вдоль линии шва с использованием ультразвуковых преобразователей до обнаружения дефекта, при котором строят координатную модель дефекта, данные которой используют для задачи параметров выборки, которые вводят в блок управления, осуществляющий на стадии выборки дефекта позиционирование фрезерной головки, а на стадии заплавления выборки - позиционирование оптической лазерной головки, осуществляющей очистку зоны выборки, и позиционирование оборудования наплавки. Изобретение обеспечивает точное наведение ремонтного оборудования на зону дефекта шва трубы, нанесенного методом лазерной сварки, позволяет устранить любой дефект лазерного шва с минимальным объемом выборки, максимальным сохранением геометрии шва и минимизирует тепловложение в ремонтный участок сварного шва. 11 ил.

Изобретение относится к области изготовления стального профиля посредством лазерной сварки. С помощью устройства для лазерной сварки приваривают боковые края стеночного элемента (4) к двум полочным элементам (2, 3), при этом стеночный элемент удерживают роликовым устройством (30), которое содержит множество роликов (31) первой поверхности, которые вращаются вдоль одной поверхности стеночного материала и расположены с интервалами в направлении транспортировки, и множество роликов (32) второй поверхности, которые вращаются вдоль другой поверхности стеночного материала и расположены с интервалами в направлении транспортировки. При этом для участка, на котором зажат стеночный элемент, обеспечивается условие плохого прилипания брызг, рассеянных из точек сварки, или условие, при котором он не подвергается нагреву от точек сварки. Использование изобретения позволяет повысить качество изготовления сварного стального профиля. 4 н.п. ф-лы, 12 ил.

Изобретение относится к способу и оборудованию для наплавки металлической детали (202) турбореактивного двигателя летательного аппарата, содержащей множество подлежащих наплавке металлических частей (203, 204). Для наплавки используют форсунку (211), излучающую лазерный пучок. Способ включает следующие этапы: размещение подлежащей наплавке металлической детали (202) на поворотной плите (201); размещение крышки (205) на поворотной плите (201), позиционирование форсунки (211) на уровне отверстия (206), имеющегося в крышке (205); введение инертного газа под крышку (205); наплавку первой части (203) из множества металлических частей металлической детали (202). Осуществляют лазерную наплавку металлического порошка на упомянутую первую металлическую часть (203) с перемещением форсунки (211) относительно упомянутой первой металлической детали (203). 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к способу двухлучевой лазерной сварки алюминиевых сплавов и конструкционных сталей и может найти применение в различных отраслях машиностроения, в частности при сварке изделий в камере сварки с инертным газом. Способ заключается в направлении лазерных лучей к месту сварки и выполнении ее в среде инертного газа. Лучи лазеров сводят в одну оптическую систему, а после лучи лазеров через фокусный объектив направляют к месту сварки. Непрерывный лазер во время сварки включают с опережением и выключают с задержкой относительно импульсного лазера. Изобретение позволяет получать качественный сварной шов при сварке алюминиевых сплавов и трудносвариваемых конструкционных сталей за счет увеличения глубины провара более чем в 2 раза и осуществлять сварку деталей сложной геометрии. 6 ил., 1 табл., 3 пр.

Изобретение относится к способу гибридной лазерно-дуговой сварки. Формируют сварочную ванну одновременно электрической дугой и лазерным лучом путем расплавления металла присадочного материала в защитной среде, состоящей из инертного и активного компонентов. В качестве инертного компонента используют аргон. Присадочный материал используют в виде двух расходуемых проволок диаметром до 1,6 мм, которые вместе с защитной средой подают из одного сопла. Заполнение наружной части разделки кромок осуществляют путем одновременного плавления проволок заданного объема с формированием наружного валика. Изобретение позволяет повысить производительность процесса лазерно-гибридной сварки, уменьшить дефекты формируемого шва, а также повысить его механические свойства. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к способам сварки продольных швов труб большого диаметра, применяемых преимущественно для строительства магистральных нефтепроводов и газопроводов, а также водоканалов и тепловых сетей. После стыковки кромок трубной заготовки выполняют прихваточный шов дуговой сваркой. Накладывают основной рабочий шов с переплавлением прихваточного шва лазерной или лазерно-дуговой сваркой. Затем выполняют внутренний и наружный облицовочные швы дуговой сваркой. Перед выполнением основного рабочего шва осуществляют подъем трубной заготовки до фиксированного положения посредством приводного механизма, связанного с блоком управления, на вход которого вводят значение угла наклона трубной заготовки. При помощи приводных опорных роликов, выполненных с возможностью размещения и поворота трубной заготовки на 360°, устанавливают стык кромок трубной заготовки в положение на 12 часов. Выполняют основной рабочий шов на подъем. Затем опускают трубную заготовку и выполняют либо наружный облицовочный шов на спуск, не меняя положения стыка кромок трубной заготовки, либо - внутренний облицовочный шов на спуск, предварительно установив стык кромок трубной заготовки в положение на 6 часов. 2 ил.

Изобретение относится к лазерному плазмотрону для осаждения композитных алмазных покрытий и может быть использовано в машиностроении, в химической и электронной промышленности, в атомной энергетике. Плазмотрон содержит непрерывный CO2-лазер, входной блок формирования рабочей газовой смеси Ar/CH4/H2, фокусирующую линзу, установленную в упомянутом блоке на пути лазерного излучения, газовое сопло и реакционную камеру. Реакционная камера имеет узел ввода нано-/микрофункциональных частиц в виде газопылевой струи. Упомянутый узел установлен с возможностью перемещения вдоль поверхности реакционной камеры по направлению потока лазерной плазмы и с возможностью подачи газопылевой струи поперек упомянутого потока в область фокуса лазерного излучения или ниже упомянутой области фокуса в направлении по потоку лазерной плазмы. В результате того, что узел ввода частиц может передвигаться вдоль поверхности реакционной камеры плазмотрона возможно осуществлять очистку и активацию поверхности частиц, частичную абляцию (испарение) частиц с уменьшением их среднего размера, полное испарение частиц до атомарного состояния. Таким образом, использование непрерывного лазерного плазмотрона с вводом газопылевой струи нано-/микронных частиц наполнителя для осаждения композитных алмазных покрытий позволяет улучшать функциональные характеристики обычных алмазных покрытий (прочность, микрорельеф поверхности, устойчивость к износу и др.), формировать сравнительно толстые покрытия, увеличивать их скорость осаждения. 1 ил.

Изобретение относится к сварочному производству и может быть применимо для производства труб с использованием технологии лазерной сварки. Способ подготовки стыка кромок трубной заготовки под лазерную сварку включает подготовку разделки кромок листа, сборку трубной заготовки, размещение между кромками присадочного металлического материала в качестве вставки. Разделке придают конфигурацию на основе Y-образной разделки кромок с нижним косым срезом кромок. Вставку формируют путем спрессовывания металлического порошка, который засыпают в зазор между кромками в процессе обжима трубной заготовки. Технический результат: расширение арсенала средств, обеспечивающих эффективное образование прослойки из легирующего металла, находящейся в стыке кромок трубной заготовки и предназначенной для использования в технологиях лазерной сварки. 3 ил.

Изобретение относится к способам лазерной сварки внахлест листов конструкционной стали и сплавов алюминия и может быть использовано в машиностроении. Перед сваркой контактируемые поверхности соединяемых листов обрабатывают лазерной чисткой. Затем листы плотно прижимают. Сварной шов образуют периодической повторяемостью базисных элементов V-, U-, Ω-образной геометрической формы, в частности, эллипсов или кругов, лазерным лучом с постоянной скоростью под углом 90° относительно соединения в два этапа - нагрев поверхности стали разфокусированным лучом до температуры 600°÷700° и проплавление листа стали сфокусированным лучом с защитой расплава газовой смесью аргона и гелия. Для различных соотношений толщин соединяемых листов расплав стали обеспечивает проплавление листа алюминия на толщины. В результате достигается упрощение технологии сварки, возможность осуществления подбора рациональной геометрической формы сварного шва, повышение качества сварного соединения и снижение производственного брака. 4 ил., 3 пр., 3 табл.

Наверх