RU2653744C1 - Method of large thicknesses workpieces laser welding - Google Patents

Method of large thicknesses workpieces laser welding Download PDF

Info

Publication number
RU2653744C1
RU2653744C1 RU2017110190A RU2017110190A RU2653744C1 RU 2653744 C1 RU2653744 C1 RU 2653744C1 RU 2017110190 A RU2017110190 A RU 2017110190A RU 2017110190 A RU2017110190 A RU 2017110190A RU 2653744 C1 RU2653744 C1 RU 2653744C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
welding
magnetic field
laser
workpieces
laser beam
Prior art date
Application number
RU2017110190A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Сергей Вячеславович Курынцев
Альберт Харисович Гильмутдинов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ) filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева-КАИ" (КНИТУ-КАИ)
Priority to RU2017110190A priority Critical patent/RU2653744C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2653744C1 publication Critical patent/RU2653744C1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B23K26/24—Seam welding

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

FIELD: technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to a method of large thicknesses workpieces laser welding. Welded metal workpieces are fixed on the welding table or on the bay of the portal installation. Welding is performed by directing the laser beam into the junction between the workpieces, supplying the feeder of the filler wire or, in the case of hybrid laser-arc welding, welding torch with a consumable electrode. For 5–10 seconds before the laser is turned on and the movement starts along the joint, switching on the magnetic field acting longitudinally on the melt. Create the constant magnetic field inductors are synchronously moved with the laser beam and the arc torch along the seam.
EFFECT: by means of the molten metal longitudinal mixing the generated magnetic field promotes mixing, penetration and even distribution of the alloying chemical elements, which are part of the supplied filler wire, to the entire depth of the weld metal, which provides the high mechanical and operational properties of the welded seam.
4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области лазерной сварки с присадочным материалом.The invention relates to the field of laser welding with filler material.

Известно электромагнитное устройство для перемешивания расплава сварочной ванны при плазменной наплавке, защищенное патентом на полезную модель (патент №129861, МПК B23K 9/04 (2006.01), B23K 9/32 (2006.01), опубликовано 10.07.2013), включающее использование плазматрона наплавочной установки, содержащее электромагнит с сердечником. Сердечник изготовлен П-образным, причем одна его сторона выполнена с кольцевой частью для установки в него плазмотрона. Однако известное устройство не обеспечивает большой глубины (10-25 мм) перемешивания расплавленного металла.Known electromagnetic device for mixing the weld pool melt during plasma surfacing, protected by a utility model patent (patent No. 129861, IPC B23K 9/04 (2006.01), B23K 9/32 (2006.01), published July 10, 2013), including the use of a plasmatron of a surfacing installation containing an electromagnet with a core. The core is made U-shaped, one side being made with an annular part for installing a plasmatron in it. However, the known device does not provide a large depth (10-25 mm) of mixing the molten metal.

Известен способ стабилизации и удерживания сварочной ванны постоянным магнитным полем при лазерной сварке больших толщин (статья: About the influence of a steady magnetic field on weld pool dynamics in partial penetration high power laser beam welding of thick aluminium parts Marcel Bachmann, Vjaceslav Avilov, Andrey Gumenyuk, Michael Rethmeier International Journal of Heat and Mass Transfer 60 (2013) 309-321), наиболее близкий к заявляемому изобретению и принятый за прототип, включающий воздействие постоянного магнитного поля на металл сварочной ванны при лазерной сварке алюминиевых сплавов лазерами большой мощности. Техническим результатом исследований, представленных в вышеуказанной работе, является положительное влияние постоянного магнитного поля на стабилизацию поведения и удерживание жидкой сварочной ванны, расплавленной лазерным лучом большой мощности.A known method of stabilizing and holding a weld pool with a constant magnetic field in laser welding of large thicknesses (article: About the influence of a steady magnetic field on weld pool dynamics in partial penetration high power laser beam welding of thick aluminum parts Marcel Bachmann, Vjaceslav Avilov, Andrey Gumenyuk , Michael Rethmeier International Journal of Heat and Mass Transfer 60 (2013) 309-321), which is closest to the claimed invention and adopted as a prototype, including the effect of a constant magnetic field on the metal of the weld pool during laser welding of aluminum alloys with high-power lasers. The technical result of the studies presented in the above work is the positive influence of a constant magnetic field on the stabilization of behavior and retention of a molten weld pool molten by a high-power laser beam.

Однако известный способ предназначен для стабилизации и удерживания жидкого металла сварочной ванны от провисания и вытекания, получаемой без применения присадочного материала.However, the known method is intended to stabilize and hold the molten metal of the weld pool from sagging and leakage obtained without the use of filler material.

Техническая проблема, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, заключается в создании способа лазерной сварки заготовок больших толщин, предназначенного для увеличения глубины проникания и равномерного распределения химических элементов присадочного материала при лазерной сварке заготовок больших толщин (10-25 мм).The technical problem to which the invention is directed is to create a method for laser welding of large thickness blanks, designed to increase the penetration depth and uniform distribution of chemical elements of filler material during laser welding of large thickness blanks (10-25 mm).

Технический результат, на достижение которого направлено предлагаемое изобретение, заключается в увеличении глубины проникания и равномерном распределении химических элементов присадочного материала на всю глубину металла сварного шва, при сварке заготовок больших толщин.The technical result to which the invention is directed is to increase the penetration depth and uniform distribution of the chemical elements of the filler material to the entire depth of the weld metal, when welding workpieces of large thicknesses.

Технический результат достигается тем, что способ лазерной сварки заготовок больших толщин, включающий воздействие постоянного магнитного поля на жидкий металл сварочной ванны, отличается тем, что в сварочную ванну подают присадочный материал, а постоянное магнитное поле накладывают продольно направлению сварки, воздействуя на процесс перемешивания, проникновения и равномерного распределения химических элементов присадочного материала на всю глубину металла сварного шва, при этом для свариваемых заготовок толщиной 10-25 мм выбирают режимы лазерной сварки: скорость перемещения лазерного луча 10-40 мм/сек, мощность лазерного луча 5-25 кВт, оптимальная индукция магнитного поля находится в диапазоне 0,1-1,0 Тесла.The technical result is achieved in that the method of laser welding of workpieces of large thicknesses, including the effect of a constant magnetic field on the molten metal of the weld pool, is characterized in that filler material is fed into the weld pool, and a constant magnetic field is applied longitudinally to the direction of welding, affecting the mixing process, penetration and a uniform distribution of the chemical elements of the filler material over the entire depth of the weld metal, while p laser welding modes: the speed of the laser beam 10-40 mm / sec, the power of the laser beam 5-25 kW, the optimal induction of the magnetic field is in the range of 0.1-1.0 Tesla.

Индукторы, создающие постоянное магнитное поле, перемещают вдоль шва синхронно с перемещением лазерного луча.Inductors that create a constant magnetic field are moved along the seam synchronously with the movement of the laser beam.

Свариваемые заготовки перемещают относительно неподвижных индукторов и неподвижного лазерного луча.The welded workpieces are moved relative to the stationary inductors and the stationary laser beam.

В качестве присадочного материала используют металлическую проволоку или металлический порошок химического состава, соответствующего химическому составу свариваемого материала.As the filler material, metal wire or metal powder of a chemical composition corresponding to the chemical composition of the material being welded is used.

Лазерную сварку производят с плавным нарастанием мощности лазерного луча в начале сварки и плавным убыванием мощности лазерного луча в конце сварки.Laser welding is performed with a smooth increase in the power of the laser beam at the beginning of welding and a smooth decrease in the power of the laser beam at the end of welding.

На фигуре 1 представлена принципиальная схема осуществления лазерной сварки с присадочным материалом с наложением магнитного поля.The figure 1 presents a schematic diagram of the implementation of laser welding with filler material with a magnetic field.

На фигуре 2 представлена принципиальная схема осуществления лазерной сварки с присадочным материалом с наложением магнитного поля, вид сверху, в начальной точке.The figure 2 presents a schematic diagram of the implementation of laser welding with filler material with a magnetic field, a top view at the starting point.

На фигуре 3 представлено продольное сечение сварочной ванны в процессе сварки и предполагаемое воздействие на сварочную ванну магнитного поля.The figure 3 presents a longitudinal section of the weld pool during the welding process and the estimated impact on the weld pool of a magnetic field.

Позиции на фигурах: 1 - лазерный луч, 2 - свариваемые заготовки, 3 - присадочная проволока, 4 - индукторы, 5 - направление движения, 6 - расплавленный присадочный материал в жидкой сварочной ванне, 7 - траектория движения металла сварочной ванны под воздействием внешнего магнитного поля.Positions in the figures: 1 - laser beam, 2 - welded workpieces, 3 - filler wire, 4 - inductors, 5 - direction of movement, 6 - molten filler material in a liquid weld pool, 7 - trajectory of the weld pool metal under the influence of an external magnetic field .

Устройство для осуществления способа состоит из роботизированного комплекса лазерной сварки, сварочной головы, магнитного индуктора, системы подачи защитного газа, сварочного стола, прижимных устройств, свариваемых заготовок 2.A device for implementing the method consists of a robotic complex of laser welding, a welding head, a magnetic inductor, a protective gas supply system, a welding table, clamping devices, welded workpieces 2.

Сущность способа заключается в следующем.The essence of the method is as follows.

Механической и химической обработкой подготавливают свариваемые заготовки 2 необходимых размеров в диапазоне (Д×Ш×Т) 300×100×10 мм до 3000×1500×25 мм из токопроводящих металлов. Свариваемые заготовки 2 фиксируют на сварочном столе или на полете портальной установки (на фигуре не показано). Сварку производят путем наведения лазерного луча в стык между заготовками, подвода механизма подачи присадочной проволоки, за 5-10 секунд до включения лазера и начала движения вдоль стыка посредством роботизированного комплекса включается магнитное поле, действующее продольно на расплав, индукторы 4, создающие постоянное магнитное поле, перемещаются вдоль шва синхронно с лазерным лучом. Создаваемое магнитное поле посредством продольного перемешивания расплавленного металла способствует перемешиванию, проникновению и равномерному распределению химических элементов, входящих в состав подаваемого присадочного материала, на всю глубину металла сварного шва, что обеспечивает высокие механические и эксплуатационные свойства сварного шва. Мощность лазерного луча выбирается с целью обеспечения сквозного проплава обеих заготовок, скорость подачи присадочного материала зависит от толщины свариваемых заготовок и скорости сварки.By mechanical and chemical processing, welded billets of 2 required sizes are prepared in the range (L × W × T) 300 × 100 × 10 mm to 3000 × 1500 × 25 mm from conductive metals. Welded workpieces 2 are fixed on the welding table or on the flight of the gantry (not shown in the figure). Welding is carried out by pointing the laser beam into the joint between the workpieces, feeding the filler wire feeder, 5-10 seconds before turning on the laser and starting to move along the joint, the magnetic field acting longitudinally on the melt is switched on by a robotic complex, inductors 4 creating a constant magnetic field, move along the seam synchronously with the laser beam. The generated magnetic field through longitudinal mixing of the molten metal promotes the mixing, penetration and uniform distribution of the chemical elements that make up the filler material throughout the depth of the weld metal, which ensures high mechanical and operational properties of the weld. The laser beam power is selected in order to ensure through melt of both workpieces, the feed rate of the filler material depends on the thickness of the workpieces being welded and the welding speed.

Траектория перемещения сварочного луча и режимы сварки задаются программой роботизированного комплекса.The trajectory of the welding beam and the welding modes are set by the program of the robotic complex.

При осуществлении сварочного процесса используется плавное нарастание и убывание мощности лазерного луча 1 с целью обеспечения стабильности процесса сварки, т.е. спокойного поведения расплавленного металла и улучшения косметических характеристик сварного шва.When carrying out the welding process, a smooth increase and decrease in the power of the laser beam 1 is used in order to ensure the stability of the welding process, i.e. calm behavior of molten metal and improve the cosmetic characteristics of the weld.

По окончании сварочного процесса магнитное поле продолжает действовать на расплав в течение 10-30 секунд, до полного затвердевания расплавленного металла, это зависит от толщины свариваемых заготовок и режимов сварки.At the end of the welding process, the magnetic field continues to act on the melt for 10-30 seconds, until the molten metal solidifies completely, this depends on the thickness of the welded workpieces and welding conditions.

Основными параметрами режимов лазерной сварки с присадочным материалом являются линейная скорость сварки, мощность лазерного излучения, скорость подачи присадочного материала. Мощность лазерного излучения, линейная скорость перемещения, скорость подачи присадочного материала задаются программой роботизированного комплекса.The main parameters of the modes of laser welding with filler material are the linear welding speed, laser radiation power, feed rate of the filler material. The power of laser radiation, the linear velocity of movement, the feed rate of the filler material are set by the program of the robotic complex.

Используют токопроводящие металлы и сплавы.Use conductive metals and alloys.

Режимы лазерной сварки зависят от природы материала, толщины свариваемых заготовок 2, находятся в диапазоне: скорость перемещения лазерного луча 10-40 мм/с, мощность лазерного луча 5-25 кВт, индукция магнитного поля 0,1-1,0 Тесла. Индукторы устанавливают так, чтобы создавалось продольное направление вращения магнитного поля с направлением сверху вниз.Laser welding modes depend on the nature of the material, the thickness of the welded workpieces 2, are in the range: the speed of the laser beam 10-40 mm / s, the power of the laser beam 5-25 kW, the magnetic field induction of 0.1-1.0 Tesla. Inductors are set so that a longitudinal direction of rotation of the magnetic field with a direction from top to bottom is created.

Режимы нарастания в начале процесса сварки и убывания в конце мощности лазерного луча 1 влияют на качество поверхности сварного шва и минимизацию механической обработки после лазерной сварки, так как положительно влияют на поведение металла в расплавленном состоянии, т.е. не происходит ударного взаимодействия лазерного излучения большой мощности со свариваемыми металлическими листами. Оптимальный режим нарастания мощности лазерного луча 2 до 5-25 кВт за 400-1200 миллисекунд, убывания с 25-5 кВт за 800-1500 миллисекунд.Rising modes at the beginning of the welding process and decreasing at the end of the power of the laser beam 1 affect the surface quality of the weld and the minimization of machining after laser welding, since they positively affect the behavior of the metal in the molten state, i.e. there is no shock interaction of high-power laser radiation with welded metal sheets. The optimal mode of increasing the power of the laser beam 2 to 5-25 kW for 400-1200 milliseconds, decreasing from 25-5 kW for 800-1500 milliseconds.

Таким образом, за счет продольного влияния постоянного магнитного поля на ванну расплавленного металла посредством продольного перемешивания расплавленного металла достигается равномерная кристаллизация, перемешивание, проникновение и равномерное распределение химических элементов, входящих в состав подаваемого присадочного материала, на всю глубину металла сварного шва, что обеспечивает высокие механические и эксплуатационные свойства сварного шва.Thus, due to the longitudinal influence of a constant magnetic field on the molten metal bath through longitudinal mixing of the molten metal, uniform crystallization, mixing, penetration and uniform distribution of the chemical elements that make up the filler material are achieved throughout the depth of the weld metal, which provides high mechanical and operational properties of the weld.

Claims (4)

1. Способ лазерной сварки заготовок больших толщин, включающий воздействие постоянного магнитного поля на жидкий металл сварочной ванны, отличающийся тем, что в сварочную ванну подают присадочный материал, при этом постоянное магнитное поле накладывают продольно направлению сварки, воздействуя на процесс перемешивания, проникновения и равномерного распределения химических элементов присадочного материала на всю глубину металла сварного шва, причем лазерную сварку заготовок толщиной 10-25 мм выполняют со скоростью перемещения лазерного луча 10-40 мм/с, мощностью лазерного луча 5-25 кВт и индукцией магнитного поля в диапазоне 0,1-1,0 Тесла.1. A method of laser welding of workpieces of large thicknesses, including the effect of a constant magnetic field on the molten metal of the weld pool, characterized in that filler material is fed into the weld pool, while a constant magnetic field is applied longitudinally to the direction of welding, affecting the process of mixing, penetration and uniform distribution chemical elements of the filler material to the entire depth of the weld metal, and laser welding of workpieces with a thickness of 10-25 mm is performed at a laser about the beam 10-40 mm / s, the power of the laser beam 5-25 kW and the induction of a magnetic field in the range of 0.1-1.0 Tesla. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что создают постоянное магнитное поле посредством индукторов, которые перемещают вдоль шва синхронно с перемещением лазерного луча.2. The method according to p. 1, characterized in that they create a constant magnetic field by means of inductors that move along the seam synchronously with the movement of the laser beam. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что свариваемые заготовки перемещают относительно неподвижных индукторов и неподвижного лазерного луча.3. The method according to p. 1, characterized in that the welded workpiece is moved relative to the stationary inductors and the stationary laser beam. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве присадочного материала используют металлическую проволоку или металлический порошок химического состава, соответствующего химическому составу материала свариваемых заготовок.4. The method according to p. 1, characterized in that as the filler material using a metal wire or metal powder of a chemical composition corresponding to the chemical composition of the material of the welded workpieces.
RU2017110190A 2017-03-27 2017-03-27 Method of large thicknesses workpieces laser welding RU2653744C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017110190A RU2653744C1 (en) 2017-03-27 2017-03-27 Method of large thicknesses workpieces laser welding

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2017110190A RU2653744C1 (en) 2017-03-27 2017-03-27 Method of large thicknesses workpieces laser welding

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2653744C1 true RU2653744C1 (en) 2018-05-14

Family

ID=62152792

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2017110190A RU2653744C1 (en) 2017-03-27 2017-03-27 Method of large thicknesses workpieces laser welding

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2653744C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108817712A (en) * 2018-08-30 2018-11-16 哈尔滨工业大学（威海） A kind of swing of magnetic control heated filament laser soldering device, methods and applications
CN112719594A (en) * 2021-01-15 2021-04-30 南京航空航天大学 Electromagnetic-assisted laser welding method for aluminum alloy surface preset powder

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61255785A (en) * 1985-05-09 1986-11-13 Mitsubishi Electric Corp Laser welding method
JPS62107885A (en) * 1985-11-06 1987-05-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Magnetic agitation welding method
SU1779511A1 (en) * 1991-02-11 1992-12-07 Nii T Mash Method of electron-beam welding
JPH07124781A (en) * 1993-10-28 1995-05-16 Hitachi Constr Mach Co Ltd Laser beam machining method and laser beam machine
RU2087283C1 (en) * 1994-09-15 1997-08-20 Воронежская государственная архиитектурно-строительная академия Method of arc welding

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS61255785A (en) * 1985-05-09 1986-11-13 Mitsubishi Electric Corp Laser welding method
JPS62107885A (en) * 1985-11-06 1987-05-19 Mitsubishi Heavy Ind Ltd Magnetic agitation welding method
SU1779511A1 (en) * 1991-02-11 1992-12-07 Nii T Mash Method of electron-beam welding
JPH07124781A (en) * 1993-10-28 1995-05-16 Hitachi Constr Mach Co Ltd Laser beam machining method and laser beam machine
RU2087283C1 (en) * 1994-09-15 1997-08-20 Воронежская государственная архиитектурно-строительная академия Method of arc welding

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
About the influence of a steady magnetic field on weld pool dynamics in partial penetration high power laser beam welding of thick aluminium parts Marcel Bachmann, Vjaceslav Avilov, Audrey Gumenyuk, Michael Rethmeier International Journal of Heat and Mass Transfer,v.60 (2013) 309-321. *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN108817712A (en) * 2018-08-30 2018-11-16 哈尔滨工业大学（威海） A kind of swing of magnetic control heated filament laser soldering device, methods and applications
CN112719594A (en) * 2021-01-15 2021-04-30 南京航空航天大学 Electromagnetic-assisted laser welding method for aluminum alloy surface preset powder

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10052706B2 (en) Method and system to use AC welding waveform and enhanced consumable to improve welding of galvanized workpiece
US9718147B2 (en) Method and system to start and use combination filler wire feed and high intensity energy source for root pass welding of the inner diameter of clad pipe
US9782850B2 (en) Method and system to start and use combination filler wire feed and high intensity energy source for welding
US10086461B2 (en) Method and system to start and use combination filler wire feed and high intensity energy source for welding
KR102093528B1 (en) Method of and system for starting and using in combination a filler wire feed and arc generating source for welding
US20130092667A1 (en) Method and System to Start and Use Combination Filler Wire Feed and High Intensity Energy Source for Welding
JP3201246U (en) System for initiating and using a combination of filler wire feeder and high strength energy source for welding
RU2572671C1 (en) Method of aluminium alloy butt weld laser-arc welding by consumable electrode
LU503409B1 (en) Negative arc pressure constricted gastungsten arc welding (gtaw)-based additivemanufacturing (am) method
RU2653744C1 (en) Method of large thicknesses workpieces laser welding
JP4848921B2 (en) Composite welding method and composite welding equipment
RU2497644C2 (en) Multiarc welding of welded blanks
RU2668625C1 (en) Formulated pipe stock butt joint laser-arc welding with consumable electrode method in an atmosphere of shielding gas
KR101207625B1 (en) Tandem electro gas arc welding apparatus and welding method thereof
WO2015022569A2 (en) Method and system to start and use combination filler wire feed and high intensity energy source for welding aluminium to steel
Pires et al. Welding Technology

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20200328