СПОСОБ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ Российский патент 2007 года по МПК B23K26/20 B23K9/00 B23K15/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть применено для сварки изделий различной конструкции, в том числе при герметизации изделий активных зон ядерных реакторов как в обычных, так и в дистанционных условиях.

Известен способ лазерной импульсной сварки (Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов: Справочник\ Н.Н.Рыкалин, А.А.Углов и др. - М.: Машиностроение, 1985.- 496 с., стр.283), при котором сварка плавлением ведется двумя импульсами в один проход. Первый импульс реализуется с меньшей энергией и диаметром пятна нагрева и большей плотностью энергии, чем второй. Второй импульс с большей энергией следует непосредственно за первым и, будучи сфокусированным мене остро, обеспечивает заданную глубину проплавления. Таким способом получаются необходимые условия для формирования сварного шва, однако не обеспечивается требуемая сплошность сварных соединений, кроме того, для реализации данного способа в основном используются две лазерные установки, что увеличивает трудоемкость процесса.

Известен способ лазерной импульсной сварки (там же стр.282), который принят за прототип, при котором сварку плавлением ведут в несколько проходов и регулируют в процессе формирования шва плотность энергии в пятне нагрева источника тепла. При первом проходе, выполняемом с меньшей плотностью энергии, происходит оплавление кромок на небольшую глубину и удаление с них продуктов, переходящих в газообразное состояние. Последующим проходом с большей плотностью энергии обеспечивается максимальное проплавление материала. Данный технологический прием позволяет уменьшить вероятность выплеска свариваемого материала, улучшить внешний вид сварного шва. Этот способ позволяет также уменьшить образование в свариваемых металлах пор за счет газов, влаги, продуктов возгонки, находящихся на свариваемых кромках.

Однако при сварке металлов, склонных к порообразованию (например, алюминия и его сплавов, дисперсионно-упрочненной стали, изготовленной методом порошковой металлургии и т.д.) за счет внутренних источников образования дефектов, данный способ не обеспечивает решение задачи уменьшения порообразования и наличия в металлах окисных включений, что значительно снижает качество и работоспособность сварных соединений.

Целью данного изобретения является повышение качества и работоспособности сварных соединений различных конструкций путем уменьшения размеров пор и окисных включений и частичного их удаления.

Сущность предлагаемого способа сварки плавлением заключается в том, что сварку ведут в несколько проходов и регулируют в процессе формирования шва плотность энергии импульса в пятне нагрева источника тепла, при этом при первом проходе плотность энергии импульса в пятне нагрева и длительность импульса выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок по отношению плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса в интервале (5-350)×10² Дж/(мм²с), причем при сварке кромок меньшей толщины выбирают меньшие значения, а при сварке кромок большей толщины выбирают большие значения в указанном интервале. При каждом последующем проходе отношение плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса принимают равным или меньшим значения этого отношения при первом проходе.

Глубина проплавления при последующих проходах должна составлять не более 100% от глубины шва, сформированного при первом проходе.

Применяемые при первом проходе режимы формирования сварного шва позволяют снизить время существования сварочной ванны, при котором зародыши микропор в основном не успевают вырасти до браковочных размеров. Одновременно при первом проходе создаются условия для активного перемешивания металла сварочной ванны, при котором происходит разрушение и частичное удаление окисной пленки из литого металла. По существующим в отдельных отраслях машиностроения требованиям браковочными являются поры, размер которых превышает 20% от толщины свариваемых стенок, и окисные пленки, протяженность которых превышает значение, равное 0,1 мм от толщины свариваемых стенок. Повторное ведение процесса сварки при отношении плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса, равном или меньшем выбранного при первом проходе, обеспечивает дополнительное разрушение, перераспределение и частичное удаление окисной пленки и пор из сварного шва.

Если при первом проходе из указанного диапазона выбрано отношение меньше 5×10 Дж/(мм²с), то сварка изделий толщиной 0,1-0,2 мм приведет к неполному проплавлению свариваемых кромок [А.Г.Григорьянц, И.Н.Шиганов «Лазерная сварка металлов». М.: Высшая школа, 1988, стр.197], если больше 350×10² Дж/(мм²с) - к активному испарению металла с поверхности изделия, что приводит к ослаблению сечения сварного шва. При проведении последующих проходов отношение плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса не должно превышать этого отношения при первом проходе во избежание появления дефектов сварного шва в виде нарушения его формы, прожогов и др.

Такое сочетание новых признаков заявляемого решения с известными позволяет повысить качество и работоспособность сварных соединений.

Предлагаемый способ сварки плавлением может быть применен в процессе изготовления ампулы из алюминиевого сплава АД1-0, состоящей из оболочки диаметром 12 мм, толщиной 0,8 мм и двух концевых элементов с расплавляемым буртом. Собранную с концевыми элементами оболочку устанавливают в зажимное устройство вращателя серийно выпускаемой установки лазерной сварки и закрепляют. Затем устанавливается режим сварки для выполнения первого прохода: энергия - 6,5±0,1 Дж, диаметр пятна нагрева - 0,8 мм, частота - 4-5 Гц, отношение плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса 27×10² Дж/(мм²с). На вращающееся с заданной скоростью вокруг горизонтальной оси сварное соединение накладываются (с определенным перекрытием) сварочные импульсы, которые способствуют совместному расплавлению бурта и прилегающей к нему части оболочки. Указанный режим обеспечивает заданную глубину проплавления и такое время существования сварочной ванны, которое не превышает время, позволяющее зародышам микропор вырасти в поры браковочного размера. Кроме того, при первом проходе за счет гидродинамических процессов, происходящих в сварочной ванне, создаются условия для активного перемешивания металла, при котором происходит разрушение и частичное удаление окисной пленки из литого металла. Далее устанавливают режим сварки для выполнения второго прохода, при этом плотность энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса не превышает выбранного при первом проходе: энергия - 6,0±0,1 Дж, диаметр пятна нагрева - 2,0 мм, частота - 4-5 Гц, отношение плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса 6×10² Дж/(мм²с). В случае недостижения необходимого результата выполняют дополнительные проходы. Повторное ведение процесса обеспечивает дополнительное разрушение, перераспределение и частичное удаление окисной пленки и пор из сварного шва. Дефектные структуры (поры и окисные включения), оказавшиеся на границе твердой и жидкой фазы, при каждом очередном импульсе подвергаются переплавлению, перераспределению и частичному удалению в объеме жидкой фазы, что повышает объемную сплошность сварного шва. По сравнению с известными способами путем уменьшения количества и размеров пор и окисных включений в сварных швах повышается их сплошность, которая улучшает качество и работоспособность сварных соединений из алюминия и его сплавов.

Качество сварных соединений, полученных с применением данного способа, оценивали рентгенографическим контролем и металлографическими исследованиями с применением электронного микроскопа на 100 образцах. Результаты контроля показали, что количество забракованных сварных соединений по пористости и окисным включениям по сравнению с прототипом уменьшилось на 25%.

Предлагаемый способ сварки плавлением может быть применен в процессе изготовления тепловыделяющих элементов (твэлов) с оболочками диаметром 6,9 мм, толщиной 0,4 мм из дисперсионно-упрочненных сталей, изготовленных методом порошковой металлургии, для реакторов на быстрых нейтронах. Собранную с концевыми элементами оболочку устанавливают в зажимное устройство вращателя серийно выпускаемой установки лазерной сварки и закрепляют. Затем устанавливается режим сварки для выполнения первого прохода: энергия - 6,8±0,1 Дж, диаметр пятна нагрева - 0,8 мм, частота - 4-5 Гц, отношение плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса - 26×10² Дж/(мм²с). На вращающееся с заданной скоростью вокруг горизонтальной оси сварное соединение накладываются (с определенным перекрытием) сварочные импульсы, которые способствуют совместному расплавлению бурта и прилегающей к нему части оболочки. Указанный режим обеспечивает заданную глубину проплавления и такое время существования сварочной ванны, которое не превышает время, позволяющее зародышам пор, находящихся в микропустотах, вырасти в поры браковочного размера. Далее устанавливают режим сварки для выполнения второго прохода, при этом плотность энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса не превышает выбранного при первом проходе: энергия -5,3±0,3 Дж, диаметр пятна нагрева - 1,6 мм, частота - 4-5 Гц, отношение плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса - 5,2×10²Дж/(мм²c).

При повторном ведении процесса поры, образовавшиеся при первом проходе, подвергаются переплаву и частичному удалению из металла сварочной ванны, что повышает объемную сплошность сварного шва. По сравнению с известными способами путем уменьшения количества и размеров пор в сварных швах повышается их качество.

Качество сварных соединений, полученных с применением данного способа, оценивали с применением рентгенографического контроля на 50 образцах. Результаты контроля показали, что количество забракованных сварных соединений по пористости по сравнению с прототипом уменьшилось на 30%.

Сварка может вестись в среде гелия или аргона, которые могут подаваться в зону сварки любым известным способом.

Предлагаемый способ обеспечивает технический эффект и может быть осуществлен с помощью известных в технике средств. Следовательно, он обладает промышленной применимостью.

Изобретение относится к области машиностроения, в частности к способу сварки плавлением, и может быть применено для сварки изделий различной конструкции, в том числе при герметизации изделий активных зон ядерных реакторов как в обычных, так и в дистанционных условиях. Энергию в зону сварки вводят импульсами. Сварку ведут в несколько проходов и регулируют в процессе формирования шва плотность энергии в пятне нагрева источника тепла. При этом отношение плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса при первом проходе выбирают в пределах (5-350)×10² Дж/(мм²c). При уменьшении толщины свариваемых кромок выбирают меньшие значения, а при увеличении толщины кромок - большие значения в указанных пределах. При каждом последующем проходе отношение плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса принимают равным или меньшим значения этого отношения при первом проходе. Изобретение позволяет повысить качество и работоспособность сварных соединений различных конструкций путем уменьшения размеров пор и окисных включений и частичного их удаления.

Способ импульсной сварки плавлением, при котором сварку ведут в несколько проходов и регулируют в процессе формирования шва плотность энергии в пятне нагрева источника тепла, отличающийся тем, что при первом проходе плотность энергии импульса в пятне нагрева и длительность импульса выбирают в зависимости от толщины свариваемых кромок по отношению плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса в интервале (5-350)·10² Дж/(мм²с), при этом при сварке кромок меньшей толщины выбирают меньшие значения, а при сварке кромок большей толщины выбирают большие значения в указанном интервале, причем в каждом последующем проходе отношение плотности энергии импульса в пятне нагрева к длительности импульса принимают равным или меньшим значения этого отношения при первом проходе.