Патент на изобретение №2309033

(54) СПОСОБ СВАРКИ ПЛАВЛЕНИЕМ

(57) Реферат:

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.

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 (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.

Формула изобретения

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.

Другие изменения, связанные с зарегистрированными изобретениями

Изменения:

Зарегистрирован переход исключительного права без заключения договора
Дата и номер государственной регистрации перехода исключительного права: 27.11.2009/РП0000338
Патентообладатель: Открытое акционерное общество «Государственный научный центр Научно-исследовательский институт атомных реакторов»
Прежний патентообладатель: Федеральное государственное унитарное предприятие «Государственный научный центр Российской Федерации – Научно-исследовательский институт атомных реакторов»

Номер и год публикации бюллетеня: 30-2007

Извещение опубликовано: 10.01.2010 БИ: 01/2010