СПОСОБ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ ТОНКОСТЕННЫХ ТРУБ
LASER WELDING OF THIN-WALL PIPES

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.
-2
-3
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*10-1*10 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;
-4
С - математическая константа, равная 4*10.
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):
-4
V=0.01 мм / 4*10*1 сек = 50 мм/сек = 3 м/мин.
Скорость сварки труб с толщиной 0,02 мм (температура плавления металла от 1000 до 1500°С):
-4
V=0.02 мм / 4*10*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):
-4
V=0.03 мм / 4*10*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