Способ контактной стыковой сварки оплавлением металлических труб Российский патент 2025 года по МПК B23K11/04 B23K101/06 

Изобретение относится к области контактной стыковой сварки оплавлением металлических труб и может быть использовано при создании неразъемного соединения рельсов и металлических деталей трубчатой конструкции как большого, так и малого сечения.

Известен способ контактной стыковой электросварки непрерывным оплавлением [SU АС №525277, В23К 11/04, 27.09.1999], при котором перед началом сварки задают конечную величину одной из характеристик относительного уровня мощности, выделяемой в свариваемых изделиях, начальную скорость оплавления и температуру оплавляемых торцов свариваемых изделий, соответствующую моменту начала осадки, а затем нагревают торцы изделий до заданной температуры при непрерывном изменении скорости оплавления, при этом осуществляют непрерывное изменение выбранной перед началом сварки характеристики относительного уровня мощности, выделяемой в свариваемых изделиях, в зависимости от отношения текущей температуры оплавляемых торцов изделий к ее заданной перед началом сварки величине, соответствующей моменту начала осадки, таким образом, что выбранная перед началом сварки характеристика относительного уровня мощности достигает заданной перед началом сварки конечной величины к моменту начала осадки.

Недостатком этого технического решения являются относительно низкие показатели экономичности и качества сварного соединения.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является способ контактной стыковой сварки оплавлением [RU 2281190 C1, В23К 11/04, 10.08.2006], включающий оплавление с одновременным контролем изменения физического состояния оплавляемых деталей при возможных отклонениях в ходе процесса и последующую осадку, причем контроль изменения физического состояния оплавляемых деталей осуществляют следующим образом: до начала оплавления устанавливают эталонные значения определенного интеграла по времени произведения текущих значений сварочного тока на сварочное напряжение, которые определяют заранее опытным путем, устанавливают эталонные значения укорочения свариваемых деталей для каждого из значений определенного интеграла по времени, а в процессе оплавления измеряют текущие значения сварочного тока и сварочного напряжения, вычисляют произведения указанных текущих значений и определенный интеграл по времени указанного произведения, при этом при достижении определенным интегралом по времени эталонного значения замеряют соответствующее ему укорочение свариваемых деталей, сравнивают измеренное значение укорочения с эталонным путем вычитания эталонного значения из измеренного, причем при положительном результате вычитания сварочное напряжение снижают, а при отрицательном повышают.

Недостатком указанного способа является то, что, во-первых, эталоны сравнения (количество тепловой энергии и величина оплавления) необходимо получать опытным путем для каждого этапа процесса оплавления, каждого типоразмера труб и каждой марки стали. Это трудоемкая и затратная работа.

Во-вторых, при оценке отклонения текущих значений перемещения от эталонных на каждом этапе для определения изменений теплового состояния свариваемых торцов за счет изменения градиента температурного поля способ не позволяет оценить влияние суммарного отклонения перемещений на всех этапах, а значит, не может обеспечить эталонное значение теплового состояния и, в частности, градиента температурного поля в свариваемых изделиях перед осадкой.

По сути все сводится к контролю технологических параметров процесса оплавления, а именно тока, напряжения и времени оплавления. Отклонение в температурном состоянии свариваемых торцов определяется только по несовпадению величины оплавления. При этом величина осадки не связывается с результатами изменений температурного поля, что не может гарантировать высокое качество сварных соединений.

Кроме того, этот способ предусматривает управление процессом оплавления только за счет изменения вторичного напряжения, что не всегда является оптимальным и приемлемым и требует дополнительных затрат на создание такой системы управления.

Таким образом, наиболее близкое техническое решение обладает относительно высокими трудозатратами и относительно низким качеством сварки.

Задача, которая решается в изобретении, заключается в разработке способа контактной стыковой сварки оплавлением металлических труб, который позволяет обеспечить более высокое качество сварки при одновременном снижении трудозатрат.

Требуемый технический результат заключается в повышении качества сварки.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что предварительно перед контактной стыковой сваркой оплавлением металлических труб определяют эталонное количество тепла Q_этал, необходимое для достижения требуемого теплового состояния свариваемых торцов труб, которое включает требуемые температуру торцов Т_пл свариваемых труб, градиент температурного поля k и величину осадки для сварного соединения L_oc, а в процессе контактной стыковой сварки оплавлением путем изменения скорости оплавления поддерживают постоянной установленную удельную мгновенную мощность, выделяемую в искровом промежутке между трубами, осуществляют измерение получаемого торцами выделяемого в процессе оплавления количества тепла Q_п(t), температуры Тк(t) и текущего коэффициента градиента температурного поля k(t), а также сравнивают текущее значение получаемого в процессе оплавления количества тепла Q_п(t) с эталонным Q_этал, а также Тк(t) и k(t) с заданными значениями и при отклонении k(t) в меньшую сторону увеличивают скорость оплавления, при отклонении Тк(t) и Q_з(t) от заданного и эталонного в меньшую сторону продолжают процесс оплавления до их совпадения и, если при совпадении Тк(t) и Q_п(t) с заданным и эталонным их значениями, независимо от значения текущего коэффициента градиента температурного поля k(t), реализуют режим форсировки и последующей осадки на величину, учитывающую текущее перед форсировкой значение коэффициента градиента температурного поля.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что величину осадки Loc в зависимости от получаемого результата измерения градиента температурного поля перед форсировкой определяют из соотношения

где k - коэффициент, определяющий градиент температурного поля перед форсировкой.

Предложенный способ стыковой сварки оплавлением металлических труб реализуется следующим образом. Предварительно проведем обоснование операций предложенного способа.

Перед сваркой выполняют установку в программируемом устройстве, которое является неотъемлемой частью сварочной машины, следующих параметров процесса: скорости перемещения свариваемых труб в процессе оплавления, теплофизических характеристик свариваемого металла (температуру плавления Т_пл, объемную теплоемкость «сγ»), критериев процесса нагрева при оплавлении (температуру торцов Т_к, градиент температурного поля k), критериев процесса деформации торцов в процессе осадки и коэффициента качества оплавляемой поверхности «А», параметры геометрических размеров свариваемых деталей (диаметр, площадь сечения F), коэффициент тепловой эффективности процесса оплавления «η», программу форсировки с заданной конечной скоростью. По критериям процесса нагрева при оплавлении (Т_к и k), установленным теплофизическим характеристикам Т_пл, сγ и геометрическим параметрам F, рассчитывают и запоминают программируемым устройством эталонное количество тепла Q_этал, необходимое для получения качественного сварного соединения свариваемых труб:

После завершения предварительной подготовки на сварочной машине выполняют сборку, центровку и сварку, включая оплавление (перемещения свариваемых труб) на установленной скорости, обеспечивающей необходимую удельную мгновенную мощность, выделяемую в искровом промежутке, и поддерживают ее постоянной за счет изменения скорости оплавления. В процессе оплавления вычисляют:

- количество тепла, получаемое торцами в процессе оплавления как произведение определенного интеграла произведения напряжения и тока по времени и коэффициента тепловой эффективности:

- удельную мгновенную потребляемую тепловую мощность торцов q как определенный интеграл произведения действительных значений напряжения и тока по времени, соответствующий потребляемой мощности в искровом промежутке Q_з(t), умноженного на коэффициент тепловой эффективности и деленного на произведение площади свариваемого сечения на текущее время как:

- температуру торцов Тк(t) оплавляемых деталей по зависимости:

где а=3.

- градиент температурного поля, характеризуемый коэффициентом «k» по зависимости:

где Q_з(t) - текущее количество тепловой энергии, выделяемое в искровом промежутке,

Тк(t) - текущая температура торцов, определяемая по зависимости (4);

- коэффициент тепловой эффективности процесса оплавления. Сравнивают указанные критерии оплавления (Тк(t), «k(t)» и Q_п(t)) с эталонными и по результатам сравнения выполняют корректировку режима оплавления (скорость оплавления и время) программным устройством, доведя температуру торцов до установленного критерия (Т_пл), после чего дается команда на выполнение форсировки и осадки, с корректировкой ее величины в зависимости от значения градиента температурного поля.

Величину осадки автоматически рассчитывают программным устройством с учетом возможных изменений градиента температурного поля по зависимости:

где L_oc - величина перемещения подвижной части сварочной машины в процессе осадки (припуск на осадку);

- максимальная относительная истинная поперечная деформация торцов, соответствующая критерию деформации;

А - коэффициент, учитывающий величину искрового зазора и макрогеометрию оплавляемых торцов;

k - декремент экспоненты, характеризующий градиент температурного поля перед форсировкой.

Тепловую эффективность процесса оплавления η при постоянном вторичном напряжении для конкретной сварочной машины с известными электрическими характеристиками сварочного контура (R, X, Z_к.з) определяют в процентном соотношении известным способом как отношение получаемого торцами количества тепла к общему количеству тепла, выделяемого в процессе оплавления, для одного из диапазонов скоростей оплавления (обычно: 0.2; 0.3; 0,4; 0,5; 0.6 мм/с), при которых для данного сечения достигается температура плавления за время не более 4 мин.

Достижение температуры плавления определяют по графикам изохрон температур при х=0, построенных по записи температуры от 4-х термопар, установленных на разном расстоянии от торцов.

По графикам изохрон температур также рассчитывают значение градиента температурного поля «k» и определяют величину Q_п и η.

При этом, для выбранной скорости, расчетом определяют значение удельной мгновенной тепловой мощности q дж/мм² в единицу времени, получаемой свариваемыми торцами в процессе оплавления для установленной скорости оплавления.

Предварительное время сварки определяют в зависимости от выбранной мгновенной удельной мощности q, получаемой торцами в процессе оплавления, как частное от деления эталонного количества тепла Q_этал, необходимого для получения качественного соединения, на удельную мгновенную мощность, умноженную на площадь свариваемого сечения, как:

Практическая реализация предлагаемого способа осуществляется следующим способом.

Процесс оплавления начинают на малой скорости, которая задается программным устройством и обеспечивающей его непрерывность (отсутствие остановки процесса оплавления из-за К.З) до выхода на полное свариваемое сечение. В процессе оплавления в первичной цепи сварочного трансформатора измеряют текущие действующие значения сварочного тока и сварочного напряжения, с помощью вычислительного устройства вычисляют произведение указанных текущих значений тока, напряжения и суммируют их по времени действия, что соответствует определенному интегралу по времени указанного произведения и по полученному результату с учетом коэффициента тепловой эффективности процесса оплавления, определяют количество тепла, полученного свариваемыми торцами в процессе оплавления:

Используя зависимость и текущие значения Q_П(t) и Q_ЭТЛ, с помощью программного устройства определяют изменение температуры торцов во времени в процессе оплавления. Через определенный интервал времени сравнивают количество тепла, выделенное в процессе оплавления и накопленное в торцах с количеством тепла рассчитанным по зависимости (1) Q_ЭТЛ. Это соотношение должно стремиться к единице, и в этом случае выражение стремиться к нулю, а температура торцов будет соответствовать установленному критерию Т_к, равному Т_пл. При отклонении соотношения от 1 в процессе оплавления, если получаемое торцами количество тепла Q_п(t) меньше, чем эталонное, и коэффициент градиента температурного поля меньше установленного критерия, то это свидетельствует о том, что тепловое состояние торцов меньше эталонного, и будет дана команда на увеличение скорости оплавления, и процесс оплавления будет продолжен. Если полученное количество тепла соответствует эталонному Q_ЭТЛ, а коэффициент градиента температурного поля больше, равен или меньше установленного критерием нагрева, то, независимо от этого, дается команда на включение программы форсировки и последующей осадки. При этом величина осадки корректируется с учетом реально получаемого коэффициента градиента температурного поля.

Таким образом, благодаря усовершенствованию известного способа в предложении заявителя достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении качества сварки.

Изобретение относится к области контактной стыковой сварки оплавлением металлических труб. Осуществляют контроль изменения физического состояния при оплавлении металлических труб в процессе сварки. Предварительно рассчитывают требуемое количество тепла, необходимое для достижения заданного теплового состояния свариваемых торцов труб, для чего определяют требуемые значения температуры торцов свариваемых труб, градиент температурного поля перед форсировкой и величину осадки для получения сварного соединения. В процессе сварки поддерживают постоянной удельную мгновенную мощность, выделяемую в искровом промежутке между трубами, путем изменения скорости оплавления. В процессе оплавления измеряют текущую температуру, текущий коэффициент градиента температурного поля и получаемое торцами количество тепла для определения текущего количества тепловой энергии, выделяемого в искровом промежутке. Если в результате сравнения текущих значений параметров накопленное торцами количество тепла и коэффициент градиента меньше требуемого значения, то увеличивают скорость оплавления и продолжают процесс оплавления до совпадения текущих температуры и количества тепловой энергии с требуемыми их значениями, после чего реализуют режим форсировки и последующей осадки с учетом реально получаемого коэффициента градиента температурного поля. Контроль теплового состояния свариваемых торцов труб, осуществляемый в процессе сварки, обеспечивает получение высококачественного сварного шва.

Способ контактной стыковой сварки оплавлением металлических труб, включающий контроль изменения физического состояния при оплавлении металлических труб в процессе сварки, отличающийся тем, что предварительно перед сваркой рассчитывают требуемое количество тепла Q_этал, необходимое для достижения заданного теплового состояния свариваемых торцов труб, при этом определяют требуемые значения температуры торцов Т_пл свариваемых труб, коэффициента k, представляющего собой декремент экспоненты, характеризующего градиент температурного поля перед форсировкой, и величины осадки L_oc для получения сварного соединения, а в процессе сварки поддерживают постоянной удельную мгновенную мощность, выделяемую в искровом промежутке между трубами, путем изменения скорости оплавления, причем в процессе оплавления по представленным зависимостям проводят измерение текущей температуры Тк(t) торцов, текущего коэффициента градиента температурного поля k(t), а также получаемого торцами количества тепла Q_п(t) для определения текущего количества тепловой энергии Q_з(t), выделяемого в искровом промежутке, и сравнивают полученные текущие значения с требуемыми значениями данных параметров, при этом, если накопленное торцами количество тепла меньше Q_этал, и коэффициент k(t) меньше требуемого значения, то увеличивают скорость оплавления и продолжают процесс оплавления до совпадения текущей температуры Tк(t) с требуемой температурой торцов Т_пл свариваемых труб, а текущего количества тепловой энергии Q_з(t) с требуемым количеством тепла Q_этал, после чего реализуют режим форсировки и последующей осадки с учетом реально получаемого коэффициента градиента температурного поля k(t).