RU87380U1 - ULTRASONIC DEVICE FOR REMAINING RESIDUAL STRESSES IN WELDED CONNECTIONS - Google Patents

Abstract

Ультразвуковое устройство для снятия остаточных напряжений в сварных соединениях, содержащее источник ультразвуковых колебаний, блок управления сварочным процессом, имеющий связанную с датчиками схему контроля и защиты допустимых отклонений сварочных параметров, а также подключенный к блоку управления и сварочному автомату источник питания электрической дуги, отличающееся тем, что в качестве источника ультразвуковых колебаний использован импульсный лазер, а схема контроля и защиты допустимых отклонений сварочных параметров выполнена в виде оптической системы, состоящей из объектива, оптически связанного с импульсным лазером, установленного с возможностью поворота на 180° в плоскости сварки, и фокусирующей линзы или зеркала для обеспечения сканирования лазерного луча вдоль и поперек сварного шва с возможностью введения импульсного лазерного луча в сварочную ванну жидкого металла перед фронтом кристаллизации и в металл шва после фронта кристаллизации сварного шва.An ultrasonic device for relieving residual stresses in welded joints, comprising a source of ultrasonic vibrations, a welding process control unit, a circuit for monitoring and protecting permissible deviations of welding parameters connected to the sensors, and an electric arc power source connected to the control unit and the welding machine, characterized in that a pulsed laser was used as a source of ultrasonic vibrations, and the circuit for monitoring and protecting permissible deviations of welding parameters It is an optical system consisting of a lens optically coupled to a pulsed laser, mounted 180 ° to rotate in the welding plane, and a focusing lens or mirror to scan the laser beam along and across the weld with the possibility of introducing a pulsed laser beam into the welding a liquid metal bath before the crystallization front and into the weld metal after the crystallization front of the weld.

Description

Полезная модель относится к сварке, предназначена для снятия остаточных напряжений в сварных соединениях при дистанционном управлении и контроле автоматического регулирования основных технологических параметров сварки и наплавки и может быть использована при полуавтоматической сварке в среде защитных газов плавящимся и не плавящимся электродом, электрошлаковой сварке, а также при ручной дуговой сварке и с некоторыми конструктивными доработками при электронно-лучевой и лазерной сварке.The utility model relates to welding, designed to relieve residual stresses in welded joints during remote control and automatic control of the main technological parameters of welding and surfacing, and can be used in semi-automatic welding in protective gases by a consumable and non-consumable electrode, electroslag welding, and also when manual arc welding and with some design improvements in electron beam and laser welding.

Многочисленные исследования причин появления дефектов и разрушений сварных конструкций при их изготовлении и эксплуатации показывают, что основными факторами зарождения дефектов являются неблагоприятные структуры металла шва и околошовной зоны, а также высокий уровень остаточных напряжений. Основными факторами уменьшения вредного влияния этих факторов являются послесварочные термообработки: низкий или высокий отпуск, закалка с последующей нормализацией и пр.Numerous studies of the causes of defects and destruction of welded structures during their manufacture and operation show that the main factors for the generation of defects are the unfavorable structures of the weld metal and the heat-affected zone, as well as a high level of residual stresses. The main factors to reduce the harmful effects of these factors are post-weld heat treatments: low or high tempering, quenching, followed by normalization, etc.

Известна установка для автоматической электродуговой наплавки деталей, содержащая опору для размещения наплавляемой детали, вертикальную колонну с наплавочной оснасткой, включающей наплавочную головку с механизмом ее вертикального перемещения, бункер для флюса, катушку электродной проволоки с механизмом ее подачи в зону наплавки и пульт управления, при этом вертикальная колонна выполнена в виде П-образной рамы с вертикальными направляющими для перемещения по ним наплавочной головки и осуществления электродуговой наплавки детали по заданной программе (см., например, описание к патенту РФ на полезную модель №48851, кл. В23Р 6/00, опубл. 10.11.2005).A known installation for automatic electric arc surfacing of parts, containing a support for accommodating the surfaced part, a vertical column with a surfacing tool, including a surfacing head with a mechanism for its vertical movement, a hopper for flux, an electrode wire coil with a mechanism for feeding it to the surfacing zone and a control panel, the vertical column is made in the form of a U-shaped frame with vertical guides for moving the surfacing head along them and performing electric arc surfacing of the part along a given program (see, for example, the description of the patent of the Russian Federation for utility model No. 48851, class B23P 6/00, publ. 10.11.2005).

Однако такая установка имеет ограниченную сферу применения, поскольку позволяет осуществлять по заданной программе только наплавку изношенных поверхностей.However, this installation has a limited scope, since it allows to carry out according to a given program only surfacing of worn surfaces.

Известна также автоматическая электродуговая наплавочная установка, состоящая из источника питания электрической дуги, автоматической наплавочной головки и устройства вращения наплавляемой детали, в которой в качестве администратора работы применен программируемый логический контроллер, механизм перемещения наплавочной головки выполнен в виде суппортов с сервоприводами, в механизмах подачи наплавочной головки и устройства вращения наплавляемой детали применены сервоприводы, а источник питания электрической дуги снабжен тиристорным выпрямителем, имеющим возможность централизованного управления контроллером (см., например, описание к патенту РФ на полезную модель №45667, кл. В23К 9/04, опубл. 20.02.2004).Also known is an automatic electric arc surfacing installation, consisting of a power source for an electric arc, an automatic surfacing head and a device for rotating a surfaced part, in which a programmable logic controller is used as the administrator of the work, the mechanism for moving the surfacing head is made in the form of calipers with servo drives, in the feed mechanisms of the surfacing head and devices for rotating the deposited part are applied servos, and the power supply of the electric arc is provided with a thyristor a rectifier having the ability to centrally control the controller (see, for example, the description of the patent of the Russian Federation for utility model No. 45667, class B23K 9/04, publ. 02.20.2004).

Эта установка также имеет строго ограниченную сферу применения, обусловленную ее назначением, не обеспечивает сварку деталей и регулирование основных параметров.This installation also has a strictly limited scope, due to its purpose, does not provide welding of parts and regulation of the main parameters.

Наиболее близким из известных по своей технической сущности и достигаемому эффекту является выбранное в качестве прототипа ультразвуковое устройство для снятия остаточных напряжений в сварных соединениях, содержащее источник ультразвуковых колебаний, блок управления сварочным процессом, имеющий связанную с датчиками схему контроля и защиты допустимых отклонений сварочных параметров, а также подключенный к блоку управления и сварочному автомату источник питания электрической дуги (см., например, Журнал «Безопасность, надежность и диагностика ядерных энегетических установок», №12, 2007, с.36-42).The closest known for its technical essence and the achieved effect is the selected as a prototype ultrasonic device for removing residual stresses in welded joints, containing a source of ultrasonic vibrations, a welding process control unit having a circuit for monitoring and protecting permissible deviations of welding parameters associated with sensors, and the power supply of the electric arc also connected to the control unit and the welding machine (see, for example, the journal “Safety, Reliability, and agnostic enegeticheskih nuclear installations », №12, 2007 s.36-42).

Недостатком способа является необходимость механической обработки для перемещения ультразвукового излучателя, использование масел для акустического контакта и дополнительного подогрева.The disadvantage of this method is the need for machining to move the ultrasonic emitter, the use of oils for acoustic contact and additional heating.

Сущность заявляемой полезной модели выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемой полезной моделью технического результата.The essence of the claimed utility model is expressed in the aggregate of essential features sufficient to achieve the technical result provided by the proposed utility model.

Технический результат от использования устройства состоит в снижении остаточных напряжений в сварных соединениях, в повышении качества и улучшении служебных характеристик металла сварных соединений, а также надежности их эксплуатации путем жесткого контроля тепловложения при их изготовлении.The technical result from the use of the device is to reduce residual stresses in the welded joints, to improve the quality and service characteristics of the metal of the welded joints, as well as the reliability of their operation by tight control of heat input during their manufacture.

Указанный технический результат достигается тем, что в ультразвуковом устройстве для снятия остаточных напряжений в сварных соединениях, содержащее источник ультразвуковых колебаний, блок управления сварочным процессом, имеющий связанную с датчиками схему контроля и защиты допустимых отклонений сварочных параметров, а также подключенный к блоку управления и сварочному автомату источник питания электрической дуги, в качестве источника ультразвуковых колебаний использован импульсный лазер, а схема контроля и защиты допустимых отклонений сварочных параметров выполнена в виде оптической системы, состоящей из объектива, оптически связанного с импульсным лазером, установленного с возможностью поворота на 180° в плоскости сварки, и фокусирующей линзы или зеркала для обеспечения сканирования лазерного луча вдоль и поперек сварного шва с возможностью введения импульсного лазерного луча в сварочную ванну жидкого металла перед фронтом кристаллизации и в металл шва после фронта кристаллизации сварного шва.The specified technical result is achieved in that in an ultrasonic device for removing residual stresses in welded joints, containing a source of ultrasonic vibrations, a welding process control unit having a control circuit for monitoring and protecting tolerances of welding parameters associated with sensors, and also connected to a control unit and a welding machine a power source for an electric arc, a pulsed laser was used as a source of ultrasonic vibrations, and a control and protection circuit for permissible offsets of welding parameters is made in the form of an optical system consisting of a lens optically coupled to a pulsed laser, mounted 180 ° to be rotated in the welding plane, and a focusing lens or mirror to allow scanning of the laser beam along and across the weld with the possibility of introducing a pulsed laser beam into the weld pool of liquid metal in front of the crystallization front and into the weld metal after the crystallization front of the weld.

Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники.Comparison of the claimed technical solution with the prototype made it possible to establish compliance with its criterion of "novelty", since it is not known from the prior art.

Предложенное устройство является промышленно применимым, поскольку может быть реализовано существующими техническими средствами.The proposed device is industrially applicable, since it can be implemented by existing technical means.

Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности полезной модели.Thus, the proposed technical solution meets the established conditions of patentability of a utility model.

Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.The other known technical solutions for a similar purpose with similar significant features by the applicant was not found.

На чертеже представлена функциональная блок-схема заявленного устройства.The drawing shows a functional block diagram of the claimed device.

Ультразвуковое устройство для снятия остаточных напряжений в сварных соединениях содержит сварочный автомат 1, источник ультразвуковых колебаний, выполненный в виде импульсного лазера 2, установленного с возможностью поворота на 180° в плоскости сварки, оптическую систему, включающую объектив 3, фокусирующую линзу (зеркало) 4 для обеспечения сканирования лазерного луча 5 вдоль и поперек сварного шва с возможностью введения импульсного лазерного луча в сварочную ванну жидкого металла 6 перед фронтом кристаллизации и в металл шва после фронта кристаллизации сварного шва, а также сварочный электрод 7 для формирования сварочной дуги 8, сварочную ванну 9 жидкого металла, в которой при сварке образуется фронт кристаллизации 11, а после сварки - сварочный шов 12. Кроме этого, устройство содержит блок управления сварочным процессом, имеющий связанную с датчиками схему контроля и защиты допустимых отклонений сварочных параметров, а также подключенный к блоку управления и сварочному автомату источник питания электрической дуги (условно не показаны).An ultrasonic device for relieving residual stresses in welded joints contains a welding machine 1, a source of ultrasonic vibrations made in the form of a pulsed laser 2 mounted with the possibility of rotation through 180 ° in the welding plane, an optical system including a lens 3, a focusing lens (mirror) 4 for providing scanning of the laser beam 5 along and across the weld with the possibility of introducing a pulsed laser beam into the weld pool of liquid metal 6 before the crystallization front and into the weld metal after the front this crystallization of the weld, as well as a welding electrode 7 for forming a welding arc 8, a molten metal weld pool 9, in which a crystallization front 11 is formed during welding and a weld seam 12 is formed after welding. In addition, the device includes a welding process control unit having a circuit for monitoring and protecting permissible deviations of welding parameters associated with the sensors, as well as an electric arc power source connected to the control unit and the welding machine (not shown conventionally).

Все элементы устройства выполнены на базе взаимосвязанных функциональных модульных блоков и стандартных микросхем.All elements of the device are based on interconnected functional modular units and standard microcircuits.

Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.The operation of the proposed device is as follows.

Ультразвуковое устройство подключают к источнику трехфазной сети, осуществляют регулировку оптической лазерной системы, производят сварку изделия, в процессе изготовления которого осуществляют сканирование лазерного луча вдоль и поперек сварного шва с возможностью введения импульсного лазерного луча в сварочную ванну жидкого металла перед фронтом кристаллизации и в металл шва после фронта кристаллизации сварного шва.The ultrasonic device is connected to the source of a three-phase network, the optical laser system is adjusted, the product is welded, during the manufacture of which the laser beam is scanned along and across the weld with the possibility of introducing a pulsed laser beam into the molten metal weld pool before the crystallization front and into the weld metal after crystallization front of the weld.

Сканирование импульсного лазерного луча поперек шва, кроме измельчения размеров зерна и снижения остаточных напряжений, позволяет очищать свариваемые кромки перед сваркой от адсорбированных газов, эмульсий, масел и других загрязнений, а после сварки - от шлака.Scanning a pulsed laser beam across the seam, in addition to grinding grain sizes and reducing residual stresses, allows you to clean the welded edges from welding of adsorbed gases, emulsions, oils and other contaminants, and after welding, from slag.

Наиболее эффективно ультразвуковыми колебаниями воздействуют в жидкий металл ванны и с обратной стороны сварного шва, если свариваемая конструкция допускает свободный доступ к корню сварного шва, а также через электродную проволоку или мундштук.The most effective ultrasonic vibrations act in the molten metal of the bath and on the reverse side of the weld, if the welded structure allows free access to the root of the weld, as well as through the electrode wire or mouthpiece.

Ультразвуковыми колебаниями воздействуют на основной металл шва слева или справа от сварочной ванны с частотой импульсов - 20-80 кГц при плотности потока энергии в свариваемом металле перед фронтом кристаллизации от 0,1 до 0,4 Вт/см².Ultrasonic vibrations act on the base metal of the weld to the left or right of the weld pool with a pulse frequency of 20-80 kHz at an energy flux density in the metal being welded in front of the crystallization front from 0.1 to 0.4 W / cm ² .

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает дистанционное управление и контроль автоматического регулирования основных технологических параметров сварки и наплавки, фиксирует отклонения параметров сварки и наплавки Рс.н. (тока, напряжения, скорости сварки и наплавки, температуры основного металла и окружающей среды) от номинальных значений, указанных в технологических картах сварки и наплавки и позволяет отключать выполнение технологического процесса сварки и наплавки при выходе значений Рс.н. из критического диапазона.Thus, the proposed device provides remote control and automatic control of the main technological parameters of welding and surfacing, fixes deviations of the welding and surfacing parameters (current, voltage, speed of welding and surfacing, temperature of the base metal and the environment) from the nominal values indicated in the technological maps of welding and surfacing and allows you to disable the execution of the technological process of welding and surfacing when output values Rs. out of critical range.

Применение заявленного устройства обеспечивает его надежную работу в условиях воздействия электромагнитных полей, сильной запыленности и высокой влажности в самом широком диапазоне температур от -40°С до +40°С.The use of the claimed device ensures its reliable operation in conditions of exposure to electromagnetic fields, strong dust and high humidity in the widest temperature range from -40 ° C to + 40 ° C.

Использование ультразвука, воздействующего на сварочную ванну в процессе сварки, весьма существенно улучшает структуру металла шва и резко уменьшает уровень остаточных напряжений в сварных соединениях.The use of ultrasound acting on the weld pool during the welding process significantly improves the structure of the weld metal and sharply reduces the level of residual stresses in the welded joints.

Claims (1)

Ультразвуковое устройство для снятия остаточных напряжений в сварных соединениях, содержащее источник ультразвуковых колебаний, блок управления сварочным процессом, имеющий связанную с датчиками схему контроля и защиты допустимых отклонений сварочных параметров, а также подключенный к блоку управления и сварочному автомату источник питания электрической дуги, отличающееся тем, что в качестве источника ультразвуковых колебаний использован импульсный лазер, а схема контроля и защиты допустимых отклонений сварочных параметров выполнена в виде оптической системы, состоящей из объектива, оптически связанного с импульсным лазером, установленного с возможностью поворота на 180° в плоскости сварки, и фокусирующей линзы или зеркала для обеспечения сканирования лазерного луча вдоль и поперек сварного шва с возможностью введения импульсного лазерного луча в сварочную ванну жидкого металла перед фронтом кристаллизации и в металл шва после фронта кристаллизации сварного шва.

An ultrasonic device for relieving residual stresses in welded joints, comprising a source of ultrasonic vibrations, a welding process control unit, a circuit for monitoring and protecting permissible deviations of welding parameters connected to the sensors, and an electric arc power source connected to the control unit and the welding machine, characterized in that a pulsed laser was used as a source of ultrasonic vibrations, and the circuit for monitoring and protecting permissible deviations of welding parameters It is an optical system consisting of a lens optically coupled to a pulsed laser, mounted 180 ° to rotate in the welding plane, and a focusing lens or mirror to scan the laser beam along and across the weld with the possibility of introducing a pulsed laser beam into the welding a liquid metal bath before the crystallization front and into the weld metal after the crystallization front of the weld.