Способ сварки стыковых соединений
METHOD FOR WELDING BUTT JOINTS

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, а также швов трубопроводных изделий (отводов, тройников и т.д.).
При лазерной или лазерно-гибридной сварке толстостенных металлоконструкций образуется глубокий парогазовый канал проплавления. Данный канал состоит из газов, а вокруг окружен расплавленным металлом. Если данный парогазовый канал открыт, ничем не экранирован, то лазерный луч беспрепятственно проникает вглубь парогазового канала, эффективность воздействия лазерного луча при этом заметно возрастает и, следовательно, увеличивается глубина проплавления. Однако следует отметить, что при воздействии высокомощного лазерного излучения на свариваемый материал, происходит бурное испарение и кипение металла, над сварочной ванной образуется плазменное облако, вокруг кромок свариваемого металла также образуется плотный слой газа. Данное облако частично экранирует лазерный луч, вследствие чего проплавляющая способность лазерного луча заметно падает и снижается глубина проплавления металла. Также парогазовый слой над сварочной ванной ухудшает подвод тепла от лазерного луча, что способствует образованию дефектов.
Известен способ сварки, совмещающий в себе использование лазерного пучка и электрической дуги с плавящимся электродом, для сборки укладываемых встык металлических труб с целью формирования металлических трубопроводов (патент РФ №2403135, B23K 31/02, B23K 26/20, B23K 9/173, опубликован 10.11.2010 г.), в соответствии с которым проплавление выполняют снаружи при формировании единственной сварочной ванны под одновременным воздействием, по меньшей мере, одного лазерного пучка, передаваемого по оптическому волокну, точку фокусировки которого регулируют, и, по меньшей мере, одной электрической дуги в среде защитного газа, генерируемой из плавящегося электрода, образующего присадочный материал.
К недостаткам данного способа можно отнести низкое качество сварного соединения, обусловленное недостаточной глубиной проплавления из-за поглощения лазерного луча в парогазовом канале сварочной ванны.
Известен способ лазерной сварки (патент РФ №2038937, B23K 26/00, опубликован 09.07.1995 г.), принятый за прототип, в котором сфокусированный лазерный луч подается в зону сварки (стыка свариваемых кромок) и образует с расплавленным основным металлом общую сварочную ванну, в которую подают присадочную проволоку, при этом подачу проволоки осуществляют по касательной к свариваемому изделию, причем проволоку прижимают к свариваемому стыку или к его разделке), а одновременно со сварочной проволокой в том же направлении подают защитный газ. В данном способе предполагается подавление плазменного облака посредством воздействия на него потока защитного газа, подаваемого по специальному каналу к сварочной ванне.
Недостатком данного способа является недостаточно высокое качество сварного шва из-за наличия в нем дефектов типа пор и свищей, т.к. сама причина, по которой плазменное облако экранирует лазерный луч, не устраняется, происходит лишь сдув облака плазмы с незначительного участка свариваемых кромок. Величина потока защитного газа, который сдувает облако плазмы, ограничена шириной сопла, через которое подается защитный газ, а также давлением, под которым подается газ, причем, если поток газа достаточно интенсивный, то это может привести к ухудшению формирования сварного шва и появления в нем дефектов типа пор и свищей. При этом необходимо учитывать, что подача защитного газа осуществляется в точку контакта пятна лазера и свариваемой поверхности, следовательно область над струей газа будет все равно частично заполнена облаком плазмы, которое будет экранировать лазерный луч. Также стоит отметить, что для эффективного подавления плазменного облака струей газа необходимо применять высококачественные инертные газы, такие как аргон и гелий, или их смесь, что является достаточно затратным.
Предлагаемый способ решает техническую проблему повышения качества сварного соединения при достижении технического результата - уменьшения числа дефектов сварного шва за счет подавления экранирующего действия плазменного облака и повышения проплавляющей способности лазерного луча.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе сварки стыковых соединений, включающем формирование сварочной ванны в зоне стыка свариваемых кромок с помощью электрической дуги и/или лазерного луча и подачу в сварочную ванну присадочной проволоки, согласно изобретению перед сваркой на свариваемые кромки наносят соединения щелочных металлов, выбранных из группы, включающей натрий и калий. При этом соединения щелочных металлов наносят на кромки в виде раствора или в виде порошка.
Сущность изобретения раскрывается следующим образом.
При воздействии высокомощного лазерного излучения соединения щелочных металлов, таких как калий и натрий, нанесенные на кромки свариваемых соединений, будут способствовать ионизации газов в области сварки, тем самым снижать экранирующее воздействие плазменного облака над сварочной ванной. За счет ионизации парогазового слоя улучшается проницаемость для лазерного излучения и повышается эффективность теплового воздействия на металл при лазерной или лазерно-дуговой сварке, что приводит к увеличению глубины проплавления металла и снижению образования дефектов сварного шва.
Предлагаемым способом осуществлена сварка продольного шва при изготовлении стальной трубы большого диаметра. Наибольший эффект достигается при нанесении на свариваемые кромки соединений щелочных металлов слоем толщиной не более 5-6 микрон. Предлагается использовать хлориды калия и натрия, либо другие соли данных элементов, при этом главным критерием выбора типа соли является отсутствие в составе соли химических элементов, которые могли бы негативно сказаться на свойствах сварного соединения, например, таких как фосфор, сера и т.п. Соли калия или натрия могут быть нанесены на свариваемые кромки в виде растворов путем опрыскивания с последующим высыханием, или посредством посыпки порошком в сухом виде, или каким-либо другим способом.
Таким образом, предлагаемый способ позволяет уменьшить число дефектов сварного шва за счет повышения проплавляющей способности лазерного луча, которое достигается путем подавления плазменного облака, образующегося над сварочной ванной при лазерной или гибридной лазерно-дуговой сварке толстостенных металлоконструкций.