Способ изготовления сварных труб из ленты и установка для его осуществления Советский патент 1992 года по МПК B23K26/00 

Изобретение относится к технологии и оборудованию для лазерной сварки.

Цель изобретения:-повышение качества сварного соединения.

На фиг. 1 изображена схема осуществления способа; на фиг.2 - схема установки для осуществления способа; на фиг.З и 4--схемы измерения смещения кромок ленты при использовании источника света и датчика регистрации светового потока; на фиг.5- сечение А-А на-фиг.2; на фиг.6 - схема сварочной ванны; на фиг.7 - схема осадки; на

фиг.8 - схема устройства для подготовки свариваемых кромок ленты.

При изготовлении сварных труб из ленты 1 ее перемещают с заданной скоростью и формируют из нее трубную заготовку, сводя предварительно подготовленные, с заданной высотой микронеровностей кромки 2 и 3 ленты 1 и располагая одну кромку напротив другой, предварительно нагревают их, сваривают сфокусированным лазерным лучом 4, охлаждают с заданной скоростью до заданной температуры и осаь

со

живают до заданного объема высадки. Высоту микронеровностей подготовленных кромок 2 и 3 ленты 1 берут равной не более половины диаметра сфокусированного луча 4, охлаждение свареных кромок осуществля- 5 ют до температуры, соответствующей точке Асз диаграммы железо-углерод для углеродистых сталей или соответствующей образованию дендритов для специальных и эустенитных сталей, а осадку осуществля- 10 ют, создавая усилие, соответствующее высадке с отношением объемов высаженного металла с внутренней и наружной сторон трубы, по меньшей мере, равным 1:3. Величину смещения кромок 2 и 3 ленты 1 при 15 сведении их в зоне сварки берут равной не более 20% их толщины (фиг.1).-/

Объем высаженного металла определяют по высоте высадю/гили по ее ширине, или . по углу наклона боковой поверхности вы- 20 садки к поверхности трубы. Скорость охлаждения сваренных кромок регулируют, дополнительно подогревая их или околошовную зону.

Выбор высоты микронеровностей под- 25 готовленных кромок регламентируется тем, что в случае выбора этой высоты большей половины диаметра фокусированного луча наблюдается неравномерный нагрев свариваемых кромок, что ухудшает процесс фор- 30 мирования шва.

Температура охлаждения сваренных кромок регламентируется тем; что в случаях несоответстия этой температуры точке Асз диаграммы железо-углерод для углероди- 35 стых сталей или образованию дендритов для специальных и аустенитных сталей наблюдается понижение прочностных характеристик соединения, а также повышение напряжений в околошовной зоне.40

При выборе объемов высаженного металла с внутренней и наружной сторон трубы меньшим, чем 1:3 наблюдаются провалы шва по его длине, что снижает прочностные характеристики соединения.«45

При выборе величины смещения кромок ленты более 20% их толщины наблюдается ухудшение геометрии шва и снижение его прочностных характеристик.

Установка для изготовления сварных 50 труб из ленты 1 содержит блоки 5 формирования и перемещения и осадки 6 трубы с направляющими элементами 7, лазерную сварочную головку 8 и устройство 9 для предварительной подготовки и нагрева сва- 55 риваемых кромок 2 и 3 трубы (фиг.2 и 8).. Установка также снабжена блоком 10 измерения смещения кромок ленты и ширины зазора между ними с устройством 11 преобразования полученных из зоны контроля

сигналов в электрические, позиционными датчиками 12 и блоком 13 обработки данных для управления блоками 5 формирования и перемещения трубы, блоком 14, трехкоор- динатного перемещения сварочной головки 8 с системой 15 управления и бесконтактного слежения за относительным положением луча и зазора между свариваемыми кромками и обработки данных, а также узлом 16 измерения температуры с системой обработки данных, механизмом 17 регулирования перемещения направляющих элементов 7 и узлом 18 измерения величины осадка с системой обработки данных.

Направляющие элементы 7 блока б осадки трубы могут быть выполнены в виде роликовых клетей или в виде скользящих формирующих колец (фиг.6-7).

Блок 10 измерения смещения кромок ленты 1 и ширины зазора между ними может быть выполнен в виде источника 19 света и датчика 20 регистрации светового потока (фиг.З и 4).

Позиционные датчики 12 блока 10 измерения смещения кромок 2 и 3 ленты 1 и ширины зазора между ними могут быть полнены в виде потенциометров.

Система 15 управления и бесконтактного слежения за относительным положением луча и зазора между свариваемыми кромками может быть выполнена в виде оптической системы.

Узел 18 измерения величины осадки может быть выполнен оптическим или в виде механических щупов, или в виде приборов индуктивности.

Установка работает следующим образом.

Ленточный исходный материал сгибают посредством формования с помощью роликов, и/или роликовых клеток до получения шлицевой трубы.

Источником света бесконтактной системы 15 слежения освещают поверхность шлицевой трубы наклонно к направлению ее подачи. При помощи телевизионной камеры, расположенной над зазором по отраженному от поверхности трубы или поглощенных в зазоре световому потоку, регистрируют Контрастное видеоизображение о зазоре. При помощи промышленной телевизионной камеры записывают двоичное изображение (полукадр поперек к оси трубы из, например, точек изображения без серых оттенков).

Вычислительный блок обрабатывает амплитуды поступающих видеосигналов с помощью порога, соответствующего среднему значению яркости, который достаточно точно обеспечивает различие между

отраженным и поглощенным световыми потоками.

Смещение контрастной границы, т.е. границы между отражающей и поглощающей поверхностями трубы, предоставляет- ся для дальнейшей обработки после электронного определения контрастного различия с помощью аналогового напряжения 11д, пропорционального отклонению за- зора.

Каждую из кромок 2 и 3 ленты 1 направляют посредством роликов, рткалибррван- ных в соответствии с диаметром трубы.

Роликовые линейки регулируют по высоте перпендикулярно к оси трубы и получа- ют опорное усилие через опорную линейку е призматическими роликами.

Высоту роликовых линеек определяют с помощью соответствующих потенциометров, пропорциональный сигнал в которых в виде аналогового напряжения Ur подается в блок обработки данных,

Системой 15 регистрируют смещения кромок 2 и 3 ленты 1, а также ширину зазора между ними непосредственно перед зоной сварки.

В зависимости от смещения кромок ленты образуются затененные поверхности, которые обнаруживаются диодной строчной камерой с помощью различно от- раженных пучков световых лучей.

Зазор под сварку также дает теневую или поглощающую поверхность, соответствующую его ширине/

Диодная строчная камера, имеющая разрешающую способность, достигающую 3000 точек изображения на строку, преобразует в аналоговое напряжение Ub длину теневых поверхностей, пропорциональную высоте смещения кромок 2 и 3, которое по- дается в блок 13 обработки данных. Равным образом другой камерой в блок 13 обработ- ки данных подается напряжение Us,-пропорциональное ширине зазора между кромками 2 и 3. После переработки и срав- нения с напряжением Un пропорциональным положению пр высоте роликовых линеек, блок 13 обработки данных генерирует управляющее напряжение, которое подается на исполнительный привод смещения по высоте роликовых линеек.

На дальнейшем этапе технологического процесса индуктивной катушкой, которая приводится в действие генератором средних частот, осуществляют нагрев трубной заготовки.

Генератор средних частот регулируется по мощности с помощью устройства обработки данных, которое получает от пирометра излучение, измеряющее температуру

шва позади точки осадки и тем самым регулирующее подогрев кромок 2 и 3 ленты, аналоговое напряжение Ut, пропорциональное этой температуре, преобразует его в управляющее напряжение для генератора средних частот.

Направляющие ролики 7 направляют трубу в зону сварки, но без приложения давления к кромкам 2 и 3 ленты и при сохранении зазора под сварку шириной 0,3 мм.

Поперечную подачу направляющих роликов 7 регулируют с помощью исполни- тельных приводов, управляющее напряжение которых обеспечивается блоком 13 обработки данных после выработки пропорционального напряжения.

Для регулирования положения пятна нагрева лазерного луча используют измерительный лазер, которым параллельно к оптической оси рабочего лазерного луча -.. измеряют расстояние до поверхности кромок 2 и 3. При этом измерение расстояния производится с помощью триангуляционного метода, при котором лазерный луч, направленный наклонно к поверхности объекта, отражается и снова принимается. С помрщью строчной камеры оценивается расстояние между точкой выхода- измерительного луча м точкой приема отраженного луча, которое прямопропорционально расстоянию до поверхности объекта, и в виде аналогового напряжения Ui в качестве входного сигнала подается в блок обработки данных. Блок обработки данных генерирует после дополнительной обработки аналогового напряжения Ug из вычислительного блока, пропорционально перемещениям кромок ленты управляющее напряжение, подаваемое на электрический привод блока 14 трехкоординатного перемещения сварочной головкой 8. Через лазерную сварочную головку 8 в зону сварки подают защитный газ.

Выполненный сваркой плавлением шов проходит со скоростью подачи участок охлаждения до точки осадки, где производится его осаждение с помощью механизма 17 перпендикулярно к продольной оси сварного шва.

Поперечная подача производится с помощью исполнительных двигателей, воздействующих на установочные шпиндели, которые получают свои управляющие напряжения через устройство обработки данных. Для этого устройство обработки данных оценивает и сравнивает аналоговые напряжения, получаемые в качестве выходных сигналов из узлов 18 измерения величины осадки.

Эти аналоговые напряжения получаются при измерении ширины высаженного металла и пропорциональны этой ширине, причем данное измерение осуществляют с помощью эндоскопов, установленных на внутренней и внешней стороне шва, а также из последующих производимых в узлах 18 измерений величины осадки.

Стандартные эндоскопы имеют расположенный по дуге окружности пакет стекловолокон для наблюдения и окружающий их расположенный по кольцу пакет стекловолокон для освещения области, подлежащей отображению.

Пример. Из ленточного материала (ферритная специальная сталь XSCvTi 12) толщиной 3 мм с помощью роликов формируют трубную заготовку диаметром 63,5 мм. Поверхность свариваемых кромок ленты подготавливают со средней высотой микронеровностей Rm 40 мкм. Для слежения за величиной зазора используют промышленную телевизионную камеру с двоичным изображением по точкам изображения без серых оттенков. Зазор между свариваемыми кромками выдерживают 0,3 мм.

Трубу формируют из ленты размером 199, мм, Свариваемые кромки подготавливают строганием с помощью расположенных по обеим сторонам ленты резцов из материала 105. МпСг4 на 3-4 мм. Для сварки используют лазерное излучение с плотностью мощности 2.022М06 Вт/мм2 и диаметром пятна нагрева 0/05 см. Вводимая мощность составляет 3.97Х-103 Вт.В процессе формирования трубы осуществляют кон- троль зазора между свариваемыми кромками, если зазор смещается или поворачивается в направлении перемещением трубы вправо, то на каждые 0,2 мм управляющее напряжение Ug пропорционально изменяется на 0,5 В, Аналогично напряжение уменьшается на 0,5 В при смещениях трубы от заданного положения влево. Предварительный нагрев свариваемых кромок осуще- ствляют до температуры 220°С. -Температура металла шва после осадки кромок составляет 850°С. Скорость сварки была равна 5,8 м/мин. В результате формируют шов с объемом высаженного металла на внутренней и внешней сторонах равным 1:10 по всей длине трубы. Провалы шва отсутствуют, что обеспечивает его высокое качество.

Формула изобретения 1. Способ изготовления сварных труб из ленты, при котором ленту перемещают с заданной скоростью и формируют из нее трубную заготовку, сводя предварительно изготовленные с заданной высотой микронеровностей кромки ленты и располагая одну кромку напротив другой, предварительно нагревают их, сваривают сфокусированным лазерным лучом, охлаждают с заданной скоростью до заданной температуры и осаживают до заданного объема высадки, отличающийся тем, что. с целью повышения качества сварного соединения, микронеровности подготовленных кромок ленты вы0 полняют высотой, равной не более половины диаметра сфокусированного луча, охлаждение сваренных кромок осуществляют до температуры, соответствующей точке Асз диаграммы железо-углерод для углеро5 дистых сталей или образованию дендритов для специальных и аустенитных сталей; а осадку осуществляют, создавая усилие, соответствующее высадке с отношением объемов высаженного металла с внутренней и

0 наружной сторон трубы, по меньшей мере равным 1:3,

2.Способ по п. 1,отличающийся тем, что величина смещения кромок ленты при сведении их в зоне сварки равна не

5 более 20% их толщины.

3.Способ по пп.1 и 2, отличающий.- с я тем, что объем высаженного металла определяют по высоте высадки..

4.Способ по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ и й-- 0 с я тем, что объем высаженного металла

определяют по ширине высадки,

5.Способ по пп.1 и 2, от л и ч а ю щи й- с я тем, что объем высаженного металла определяют по углу наклона боковой повер5 хности высадки к поверхности трубы.

6.Способ по пп, 1-5, отличающий-- i с я тем, что скорость охлаждения сваренных кромок регулируют.

7.Способ по п.6, отличающийся 0 тем, что скорость охлаждения сваренных

кромок регулируют, дополнительно подогревая их.

8.Способ по п.6, отличающийся тем, что скорость охлаждения сваренных

5 кромок регулируют, дополнительно подогревая околошовную зону.

9.Установка для изготовления сварных труб из ленты, содержащая блоки формирования и перемещения и осадки трубы с на0 правляющими элементами, лазерную сварочную головку и устройство для предварительной подготовки и нагрева свариваемых кромок трубы, отличающаяся тем, что, с целью повышения качества сварного

5 соединения, она снабжена блоком измере- - ния смещения кромок ленты и ширины зазора между ними с устройством преобразования полученных из зоны контроля сигналов в электрические, позиционными датчиками и блоком обработки

данных для управления блоками формирования и перемещения трубы, блоком трех- координатно о перемещения сварочной головки с системами управления-и бесконтактного слежения за относительным положением луча и зазора между свариваемыми кромками и обработки данных, а также узлом измерения температуры с системой обработки данных, механизмом регулирования перемещения направляющих элементов и узлом измерения величины осадки с системой обработки данных.

10.Установка по п.7, отл ича юща я- с я тем, что направляющие элементы блока осадки трубы выполнены в виде роликовых клетей.

11.Установка по п.7, отличающая- с я тем, что направляющие элементы блока осадки трубы выполнены в виде скользящих формирующих колец

12.Установка по п,7, о т л и ч а ю щ а я- с я тем, что блок измерения смещения кромок ленты и ширины зазора между ними

выполнен в виде источника света и датчика регистрации светового потока.

13. Установка по п.7. отличающая- с я тем, что позиционные датчики блока

измерения смещения кромок ленты и ширины зазора между ними выполнены в виде потенциометров.

14. Установка по п.7, отличающаяся тем, что система управления и бесконтактного слежения за относительным положением луча и зазора между свариваемыми кромками выполнена в виде оптической системы.

ТБ, Установка по п.7, отличающаяс я тем, что узел измерения величины осадки выполнен оптическим

16. Установка по п.7, отличающаяся тем, что узел измерения величины осадки выполнен в виде механических щупов.

17. Установка по по.7, отличающаяся тем, что узел измерения величины осадки выполнен в виде приборов индуктивности.

Изобретение относится к технологии и оборудованию для лазерной сварки. Цель изобретения - повышение качества сварного соединения. При изготовлении сварных труб из ленты последнюю перемещают с заданной скоростью и формируют из нее трубную заготовку, сводя предварительно подготовленные с заданной высотой микронеровностей кромки ленты и располагая одну кромку напротив другой, предварительно нагревают их, сваривают сфокусированным лазерным лучом, охлаждают с заданной скоростью до заданной температуры и осаживают до заданного объема высадки: Высоту микронеровностей подготовленных кромок ленты берут равной не более половины диаметра луча, охлаждение свариваемых кромок осуществляют до температуры, соответствующей точке Асэ диаграммы железо-углерод для углеродистых сталей или соответствующей образованию деидритов для специальных и аустенитных сталей,, а осадку осуществляют, создавая усилие, соответствующее высадке с от ношением объемов высаженного металла с внутренней и наружной сторон трубы, по меньшей мере, равным 1:3. В результате формируют качественный шов с объемом высаженного металла на внутренней и внешней сторонах, равным 1:10,по всей длине трубы,2 с.и 15 з.п. ф-лы,8 ил.

С

ftei.f

РигЛ

Фиг. 5

7

1

Фаг: 6

Фиг. 7

/7

222222

7