СПОСОБ ЛАЗЕРНО-ДУГОВОЙ СВАРКИ ВЕРТИКАЛЬНЫХ СТЫКОВ ТОЛСТОЛИСТОВЫХ СТАЛЬНЫХ КОНСТРУКЦИЙ
METHOD OF LASER-ARC WELDING OF VERTICAL JOINTS OF THICK-SHEET STEEL STRUCTURES

Изобретение относится к стыковой сварке стальных толстолистовых конструкций в вертикальном положении и может быть использовано в различных отраслях промышленности.
Известен способ лазерно-дуговой сварки стыков толстостенных сварных труб из сталей повышенной прочности по патенту РФ №2412032. Способ позволяет сваривать толстостенные трубы в горизонтальном положении, осуществляя сначала лазерно-дуговую сварку внешнего шва X-образной разделки плавящимся электродом в импульсно-периодическом режиме. После чего выполняют сварку внутреннего шва за один проход электрической дугой в защитном газе или под слоем флюса.
Однако этот способ не может применяться для сварки изделий в вертикальном положении при изготовлении металлических конструкций, имеющих толщину 40 мм и более. Применяемая в этом способе X-образная разделка несимметричной формы имеет маленькое по глубине притупление и большой угол раскрытия разделки на внутреннем шве, для заполнения которой требуется много присадочного материала и длительное время.
Известен способ лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом алюминия и алюминиевых сплавов по патенту РФ №2440221, принятый за прототип. Согласно этому способу сварку деталей производят при одновременном воздействии лазерного луча и дуги в одну сварочную ванну в среде инертного газа. При сварке дуговую горелку располагают перед лазерным лучом по ходу его движения и направляют сварочную проволоку в точку пересечения лазерного луча с поверхностью свариваемых деталей, при этом лазерный луч наклоняют на 10-20°, а дуговую горелку - на 30-40° в противоположные стороны относительно нормали к поверхности свариваемых деталей. Однако этим способом нельзя сваривать толстостенные детали при вертикальном расположении свариваемого стыка, т.к. из-за высокой мощности лазерного излучения и дуги в металл в единицу времени происходит образование большой массы расплавленного металла, что приведет к стеканию сварочной ванны при вертикальном расположении сварочного шва.
Задачей настоящего изобретения является создание способа сварки толстолистовых конструкций при вертикальном расположении свариваемых стыков.
Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является уменьшение размеров зоны термического влияния и оптимизация формы разделки.
Согласно заявляемому способу лазерно-дуговой сварки вертикальных стыков толстолистовых стальных конструкций сварку стыковых соединений производят плавящимся электродом в среде защитных газов с предварительной X-образной разделкой толстолистовых стальных заготовок. Дуговую горелку располагают перед лазерным лучом по ходу его движения и сварку ведут при одновременном воздействии лазерного луча и дуги в одну сварочную ванну. Свариваемые сварные соединения имеют увеличенное притупление, составляющее от 40 до 50% от их толщины, угол раскрытия разделки не более 20° с каждой стороны X-образной разделки. Сварка кромок корневого прохода и последующее заполнение разделки с каждой стороны производится при движении лазерно-дуговой сварочной головки сверху вниз, при этом лазерный луч перпендикулярен участку поверхности зоны соединения, причем сварка притупления X-образной разделки производится за один проход на все сечение притупления, а заполнение разделки осуществляется с поперечными колебаниями лазерно-дуговой головки.
При сварке сверху вниз и расположении дуговой горелки перед лазерным лучом последний формирует в жидком металле сварочной ванны узкий глубокий парогазовый канал, способствующий глубокому проплавлению свариваемого металла, а столб дуги оказывает силовое воздействие на сварочную ванну и таким образом удерживает ее от выливания. Сварка вертикально расположенных стыков толстолистовых стальных конструкций позволяет изготавливать крупногабаритные объемные конструкции, сварка которых в нижнем положении затруднительна или невозможна, например обечайки прочного корпуса подводных лодок.
При использовании X-образной разделки с небольшим углом ее раскрытия, составляющим не более 20° с каждой стороны, и притуплению, увеличенному до 40-50% от толщины изделия, для получения готового сварного соединения требуется меньшее количество проходов, что повышает производительность сварки в 2-3 раза. На заполнение разделки расходуется меньше наплавочного металла, благодаря чему достигается существенная экономия на сварочных материалах.
Заполнение разделки с поперечными колебаниями лазерно-дуговой головки обеспечивает изготовление с высокой скоростью сварного соединения с требуемыми геометрическими и прочностными характеристиками.
Кроме того, высокое качество сварных соединений обеспечивается за счет повышения прочности, отсутствия несплавлений и уменьшения размеров зоны термического влияния, а экономичность - за счет уменьшения количества наплавленного металла и исключения необходимости ремонта некачественных сварных соединений.
Сущность изобретения поясняется рисунком (фиг. 1), на котором изображена X-образная разделка стыковых соединений толстолистовых стальных заготовок, где S - толщина заготовки, b - величина зазора между свариваемыми заготовками, d - величина притупления, α - угол разделки.
В качестве присадочного материала используется сплошная или металлопорошковая проволока, химический состав которой обеспечивает требуемый химический состав металла шва.
Способ опробован на сварке вертикальных стыков из стали Е36 толщиной S=48 мм. Была выполнена X-образная разделка, где α=15°, d=20 мм. Зазор между свариваемыми кромками b=(1,0÷1,5) мм (фиг. 1).
СВ
СВ
Лазерно-дуговую сварку проводили на волоконном лазере ЛС-25 с оптическим волокном диаметром 400 мкм при средней мощности лазерного излучения 15 кВт и с использованием дугового сварочного источника питания Jackle InnoMIG 500, со средними значениями сварочного тока I=410 А и напряжения U=23,7 В.
2
В качестве плавящегося электрода использовали сплошную проволоку ОК Autrod 12.51 диаметром 1,2 мм, при скорости подачи проволоки 15,5 м/мин, скорости сварки 1,4 м/мин, защитном газе с составом: 5% CO+95% Ar. Получили сварной шов глубиной 20 мм.
Затем поочередно осуществляли автоматическую лазерно-дуговую сварку с поперечными колебаниями сварочной головки внутреннего и внешнего шва при скорости подачи проволоки 6 м/мин и скорости сварки 0,9 м/мин.