×
04.07.2018
218.016.6a40

Способ изготовления изделий из трубных заготовок

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к способу изготовления изделия из трубных заготовок и может быть использовано в технологических процессах изготовления теплообменных панелей методом лазерной сварки. Охлаждают их по объему путем подачи охлаждающей жидкости в полости свариваемых заготовок до момента сварки. Сваривают трубные заготовки лазерным лучом последовательно по этапам. На первом этапе заготовки сваривают попарно, на втором этапе парные сваренные заготовки сваривают между собой в блоки, а на последующих этапах полученные блоки сваривают между собой до получения требуемого размера изделия. Параметры сварки поддерживают постоянными на этапах изготовления изделия путем регулирования расхода охлаждающей жидкости, который определяют по определенному соотношению. В процессе сварки прикладывают к свариваемым заготовкам поперечное усилие сжатия, величина которого не превышает предела упругости материала заготовок. Технический результат изобретения заключается в снижении уровня сварочных напряжений и деформаций за счет компенсации избыточной тепловой энергии сварного шва. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к машиностроению, а именно к способам изготовления изделий из трубных заготовок, и может быть использовано в технологических процессах изготовления теплообменных панелей методом лазерной сварки.

Основной задачей, решаемой при лазерной сварке труб, в том числе тонкостенных, между собой является обеспечение минимального уровня внутренних напряжений и термических деформаций в зоне сварки. Решение поставленной задачи достигается за счет обеспечения в процессе сварки малого размера зон расплава и термического влияния при условии сохранения высокой прочности сварного шва. Оптимальные характеристики соединения при лазерной сварке получаются при обеспечении минимальной величины погонной энергии в сварном шве, что позволяет снизить остаточные напряжения и деформации в 5-10 раз по сравнению с дуговыми способами сварки.

Известен способ изготовления изделия из трубных заготовок, заключающийся в том, что заготовки устанавливают в сварочной оснастке и сваривают подлежащие соединению заготовки между собой по боковой поверхности параллельными швами лазерным лучом в соответствии с заданными параметрами (Носков А.А., Третьяков О.Н. Прогрессивные технологические процессы в производстве и эксплуатации газотурбинных двигателей. М., Изд-во МАИ, 2003. С. 163-171).

Известен способ изготовления изделия из трубных заготовок, заключающийся в том, что заготовки устанавливают в сварочной оснастке, сваривают подлежащие соединению заготовки лазерным лучом в соответствии с заданными параметрами, охлаждают зону сварки инертным газом (С. Катаяма, «Справочник по лазерной сварке», М., Техносфера, 2015, С. 452-457). Для получения изделия требуемых размеров, например, панелей теплообменника, последовательно выполняют параллельные сварочные швы между заготовками по их боковой поверхности, причем процесс осуществляют в роботизированном режиме, а в процессе сварки прижимают свариваемые поверхности друг к другу.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к заявляемому техническому решению является способ изготовления изделия из трубных заготовок, заключающийся в том, что заготовки устанавливают в сварочной оснастке, сваривают подлежащие соединению заготовки лазерным лучом в соответствии с заданными параметрами, охлаждают зону сварки инертным газом, а свариваемые заготовки - по всему объему путем подачи охлаждающей жидкости (патент RU №2533572, 2014 г.). В известном техническом решении охлаждение заготовок по всему объему осуществляется путем их перемещения относительно сварочной оснастки при непрерывной подаче и циркуляции охлаждающей жидкости в контуре оснастки.

Общим существенным недостатком известных способов является сложность точного совмещения лазерного пятна с фактической линией стыка, поскольку на это влияет кинематика перемещения сварочной головки устройства для лазерной сварки, или свариваемых труб относительно неподвижной сварочной оснастки, а также погрешности закрепления трубок в заданном положении и допуски на геометрию трубных заготовок. Для уменьшения влияния этих факторов увеличивают размер лазерного пятна, повышают погонную энергию и мощность излучения, что приводит к повышению суммарного объема расплава в сварном шве. Кроме того, при последовательном наложении большого количества близко расположенных сварных швов возникает эффект технологической наследственности, заключающийся во влиянии предшествующей операции на последующую. Таким образом, избыточная тепловая энергия предыдущего сварного шва влияет на скорости нагрева и охлаждения, условия кристаллизации сварочной ванны последующего сварного шва, что приводит к накоплению избыточного тепла и соответственно к росту остаточных напряжений и деформаций в изготавливаемом изделии.

Техническая проблема, на решение которой направлен заявленный способ, заключается в обеспечении точности геометрических характеристик изготовляемых изделий.

Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемого способа, заключается в снижении уровня сварочных напряжений и деформаций за счет компенсации избыточной тепловой энергии сварного шва.

Заявленный технический результат достигается за счет того, что при осуществлении способа изготовления изделия из трубных заготовок последние устанавливают в сварочной оснастке, сваривают подлежащие соединению заготовки лазерным лучом в соответствии с заданными параметрами, охлаждают зону сварки инертным газом, а свариваемые заготовки - по всему объему путем подачи охлаждающей жидкости, согласно предлагаемому изобретению охлаждение свариваемых заготовок по их объему осуществляют путем подачи охлаждающей жидкости в полости свариваемых заготовок, осуществляют сварку последовательно по этапам, сваривая на первом этапе заготовки попарно, на втором этапе парные сваренные заготовки сваривают между собой в блоки, а на последующих этапах полученные блоки сваривают между собой до получения требуемого размера изделия, причем поддерживают параметры сварки постоянными на этапах изготовления изделия путем регулирования расхода охлаждающей жидкости, который определяют по соотношению:

nρCT≥kWχh-1ν-1,

где: n - расход охлаждающей жидкости, м3/с;

ρ - плотность охлаждающей жидкости, кг/м3;

С - теплоемкость охлаждающей жидкости, Дж/(кг*К);

Т - температура охлаждающей жидкости, К;

k - коэффициент диссипации;

W - мощность лазерного излучения, Вт;

χ - температуропроводность материала заготовки, м2/с;

h - глубина проплава, м;

ν - скорость сварки, м/с.

Указанные существенные признаки обеспечивают решение поставленной проблемы с достижением заявленного технического результата, так как:

- осуществление охлаждения свариваемых заготовок по их объему путем подачи охлаждающей жидкости в полости свариваемых заготовок обеспечивает постоянство величины минимально необходимой погонной энергии путем компенсации избыточной тепловой энергии сварного шва, что позволяет снизить уровень сварочных напряжений и деформаций;

- осуществление сварки последовательно по этапам, сваривая на первом этапе заготовки попарно, сваривая на втором этапе парные сваренные заготовки между собой в блоки, а на последующих этапах полученные блоки сваривая между собой до получения требуемого размера изделия, поддержание параметров сварки постоянными на этапах изготовления изделия путем регулирования расхода охлаждающей жидкости, который определяют по указанному соотношению обеспечивает идентичные условия сварки заготовок, что позволяет снизить уровень сварочных напряжений и деформаций.

Существенные признаки могут иметь развитие и продолжение.

Осуществление сварки в роботизированном режиме, подача охлаждающей жидкости в полости свариваемых заготовок до момента сварки и приложение в процессе сварки к свариваемым заготовкам поперечного усилия сжатия, величина которого не превышает предела упругости материала заготовок, исключает влияние кинематики перемещения сварочной головки устройства для лазерной сварки относительно сварочной оснастки, погрешностей закрепления трубок в заданном положении и допусков на геометрию трубных заготовок, что позволяет также снизить уровень сварочных напряжений и деформаций.

Настоящий способ поясняется следующим описанием и иллюстрациями, где:

- на фиг. 1 изображена схема реализации предлагаемого способа;

- на фиг. 2 изображена таблица 1, содержащая данные расчета использования воды в качестве охлаждающей жидкости при сварке труб из сплава ХН60 ВТ;

- на фиг. 3 изображена таблица 2, содержащая результаты экспериментальных исследований;

- на фиг. 4 изображена фотография фрагмента панели теплообменника после сварки без охлаждающей жидкости;

- на фиг. 5 изображена фотография фрагмент панели теплообменника после сварки с применением охлаждающей жидкости.

Способ реализуется следующим образом.

Свариваемые заготовки в виде пары труб 1 устанавливают в калиброванном пазу плиты 2 сварочной оснастки, размещенной на рабочем столе 3, обеспечивающей равномерное прилегание свариваемых поверхностей труб 1 в условиях их поперечного сжатия, усилие которого не превышает предел упругости материала заготовок (см. фиг. 1). Это позволяет исключить влияние погрешностей закрепления труб в заданном положении и допусков на геометрию трубных заготовок, и обеспечить постоянный контакт свариваемых поверхностей заготовок. До момента сварки и в процессе сварки свариваемые заготовки охлаждают по всему объему. Для этого создают циркулирующий поток охлаждающей жидкости путем подачи ее во внутреннюю полость каждой из свариваемых труб 1 от источника 4 охлаждения через каналы 5, причем расход охлаждающей жидкости определяют из соотношения:

nρCT≥kWχh-1ν-1,

где: n - расход охлаждающей жидкости, м3/с;

ρ - плотность охлаждающей жидкости, кг/м3;

C - теплоемкость охлаждающей жидкости, Дж/(кг*К);

T - температура охлаждающей жидкости, К;

k - коэффициент диссипации;

W - мощность лазерного излучения, Вт;

χ - температуропроводность материала заготовки, м2/с;

h - глубина проплава, м;

ν - скорость сварки, м/с.

Зону сварки в процессе изготовления изделия охлаждают инертным газом, обеспечивающем также ее защиту. Сварка осуществляется лазерным методом в роботизированном режиме. Это исключает влияние кинематики перемещения сварочной головки устройства для лазерной сварки относительно сварочной оснастки. Режим поддерживается при помощи робота-манипулятора 6, имеющего шесть степеней свободы, на фланце которого закреплена оптическая сварочная головка 7, связанная оптоволоконным кабелем 8 с источником 9 лазерного излучения. Управление процессом сварки осуществляется при помощи последовательно связанных с источником 9 лазерного излучения стойки 10 управления, контроллера 11 и программного модуля 12. При этом последний связан с источником 4 охлаждения, а оптическая сварочная головка 7 через робот-манипулятор 6 связана с контроллером 11. Изготовление изделия заключается в поэлементном наращивании лазерной сваркой с искусственным теплоотводом. Сварку трубных заготовок осуществляют последовательно по этапам, сваривая на первом этапе попарно трубы 1, на втором этапе сваренные заготовки сваривают между собой в блоки, а на последующих этапах полученные блоки сваривают между собой до получения требуемого размера изделия. При этом параметры сварки поддерживают постоянными на этапах изготовления изделия путем регулирования расхода охлаждающей жидкости. Таким образом, сварка каждого шва производится в идентичных условиях.

Из теории теплообмена и фазовых переходов известно, что при сварке плавлением фазовый переход из твердого в жидкое состояние и обратно происходит при температуре плавления «Т» и сопровождается поглощением (выделением) удельной теплоты «Lm» плавления (А.Г. Аленицын и др. «Краткий физико-математический справочник», М., Наука, 1990, стр. 228-229). Уравнение теплового баланса для сварочного шва в присутствии дополнительного теплоотвода, осуществляющего искусственное охлаждение, можно представить в виде:

aW=Qm+Qo,

где: а - коэффициент поглощения лазерного излучения;

W - мощность лазерного излучения;

Qm - тепло, необходимое для нагрева, плавления и поддержание сварочной ванны в расплавленном состоянии;

Qo - тепло, отводимое от сварочной ванны охлаждающей жидкостью.

Для металла сварочной ванны:

Qm=νhbρm(CmTm+Lm),

где: ν - скорость сварки;

h - глубина проплава;

b - ширина шва;

ρm, Cm, Tm, Lm - плотность, удельная теплоемкость, температура плавления, удельная теплота плавления сплава, соответственно.

Очевидно, что тепловая мощность «QT», которая отводится от сварочной ванны путем естественной теплопроводности в окружающую среду, без дополнительного теплоотвода, будет определяться разностью:

QT=aW-Qm.

Мощность искусственного теплоотвода, осуществляемого посредством охлаждающей жидкости, имеет следующий вид:

Qo=nρСТ,

где: n - расход охлаждающей жидкости;

ρ - плотность охлаждающей жидкости;

С - удельная теплоемкость;

Т - температура охлаждающей жидкости.

Оптимизация режимов лазерной сварки с искусственным охлаждением на основе физического моделирования и экспериментальных исследований, а также анализа размерностей позволили установить следующее.

При сварке трубных заготовок из сплава ХН60 ВТ, стали 12Х18Н9Т и бронзы БрХ1, произведение глубины проплава «h» и скорости «ν» сварки, близко к величине «χ» температуропроводности свариваемых сплавов:

hν≈χ.

Установлено, что тепловая мощность, которая должна отводится от сварочной ванны для исключения перегрева (избыточное тепло):

QT=kWχ/hν,

где коэффициент диссипации (рассеяния) k равен 0,07-0,1.

Поскольку вместо естественного теплоотвода применяется искусственный теплоотвод, то:

QT=Qo,

следовательно можно записать:

kWχ/hν=nρСТ.

При этом «Qo» не должно значительно превышать «QT», а значение частного от деления χ на hν должно быть близко к единице. Для управления процессом искусственного охлаждения путем регулирования величины расхода «n» охлаждающей жидкости в свариваемых трубах полученное соотношение удобно представить в виде:

nρCT≥kWχh-1ν-1.

Пример. Лазерную сварку теплообменных панелей выполняли на рабочем столе роботизированного комплекса «LaserWeldlOR120» лазерной сварки. Размер стола 1,0 на 2,0 м, излучение иттербиевого волоконного лазера модели ЛС-10 фокусировали линзой с фокусным расстоянием 0,5 м оптической сварочной головки, закрепленной на подвижном фланце промышленного робота-манипулятора KUKA модели KR120HA. Фокальную плоскость располагали на уровне стыка свариваемых заготовок. Защиту сварного соединения осуществляли аргоном. Управляющую программу создавали в программной среде KRL (Kuka Robot Language) контроллера KRC4, дооснащенной программным модулем синхронизации подачи охлаждающей жидкости с подачей лазерного излучения. Величину мощности излучения и время лазерного воздействия задавали на стойке управления в программе LaserNet, которая связана с контроллером.

Панель шириной 725 мм поэлементно сваривали из трубных заготовок диаметром 7,5 мм с толщиной стенки 1,0 мм и длиной 600 мм из сплава ХН60 ВТ и нержавеющей стали 12Х18Н10Т при следующих режимах (см. фиг. 2):

- мощность излучения - 900-1050 Вт;

- скорость сварки - (20-30)*10-3 м/с;

- расход аргона - 10-15 л/мин;

- расход воды - (15-50)*10-6 м3/с.

Как видно из результатов экспериментов (см. фиг. 3), подача внутрь трубных заготовок охлаждающей жидкости с расходом, соответствующим, заявленному соотношению, обеспечивает поддержание минимальной погонной энергии в процессе формирования сварного соединения, что позволяет получать качественные сварные швы. На фиг. 4 представлен фрагмент парного элемента панели, сваренного без искусственного охлаждения сварного шва, предельная величина деформации которого составляет (7,0-8,0 мм), на фиг. 5 - фрагмент парного элемента панели с дополнительным теплоотводом путем подачи охлаждающей жидкости во внутренние полости свариваемых заготовок. В этом случае деформация составила 0,5-1,0 мм.

Экспериментальные данные показывают, что искусственное охлаждение позволяет изготавливать теплообменные панели практически без остаточных напряжений и деформаций.

Таким образом, изготовление изделий поэтапной сваркой в идентичных условиях при охлаждении труб по всему объему путем подачи охлаждающей жидкости в полости свариваемых заготовок, объем которой определяется по заданной зависимости, позволяет снизить уровень сварочных напряжений и деформаций, что обеспечивает повышение точности геометрических характеристик изделий.


Способ изготовления изделий из трубных заготовок
Способ изготовления изделий из трубных заготовок
Способ изготовления изделий из трубных заготовок
Способ изготовления изделий из трубных заготовок
Способ изготовления изделий из трубных заготовок
Способ изготовления изделий из трубных заготовок
Способ изготовления изделий из трубных заготовок
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 41-50 of 204 items.
20.09.2015
№216.013.7d2c

Гибридный ракетно-прямоточный воздушно-реактивный аэрокосмический двигатель

Гибридный ракетно-прямоточный воздушно-реактивный аэрокосмический двигатель включает ракетный двигатель на топливе в виде нанопорошка алюминия размером не более 25 нм в жидкой водной фазе и совмещенный с ним прямоточный воздушно-реактивный двигатель на молекулярном водороде, образующимся при...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002563641
Дата охранного документа: 20.09.2015
20.10.2015
№216.013.82f8

Прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом горючем и способ функционирования двигателя

Изобретение относится к авиационному двигателестроению и предназначено для прямоточных воздушно-реактивных двигателей. Прямоточный воздушно-реактивный двигатель на твердом горючем содержит воздухозаборник, газогенератор с зарядом твердого горючего в отдельном корпусе, камеру дожигания и сопло....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002565131
Дата охранного документа: 20.10.2015
10.11.2015
№216.013.8cf2

Зубчатое колесо

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано в высоконагруженных зубчатых передачах. Зубчатое колесо содержит обод с зубчатым венцом, ступицу, несущую диафрагму, жестко связанную с ободом и ступицей, и демпфирующий элемент, выполненный в виде лепесткового пластинчатого...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002567689
Дата охранного документа: 10.11.2015
20.01.2016
№216.013.a339

Способ сжигания топливо-воздушной смеси и прямоточный воздушно-реактивный двигатель со спиновой детонационной волной

Способ сжигания топливовоздушной смеси для создания реактивной тяги в прямоточном воздушно-реактивном двигателе со спиновой детонационной волной заключается в том, что набегающий высокоскоростной поток тормозят до чисел Маха в диапазоне от 3 до 4 в сверхзвуковом двухступенчатом воздухозаборнике...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002573427
Дата охранного документа: 20.01.2016
20.06.2016
№217.015.02ec

Стенд для циклических испытаний газодинамических подшипников

Изобретение относится к испытательной технике и может быть использовано при испытаниях и доводке газовых подшипников высокооборотных турбомашин. Стенд содержит вал, установленный в радиальном подшипнике, закрепленном на станине стенда, установленный на валу испытуемый газодинамический...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002587758
Дата охранного документа: 20.06.2016
10.04.2016
№216.015.2d20

Способ конвертирования турбовального авиационного двигателя в наземную газотурбинную установку

Способ конвертирования турбовального авиационного двигателя в наземную газотурбинную установку. Удаляют лопатки из проточных частей последних ступеней компрессора и первых ступеней турбины. Заменяют сопловой аппарат первой ступени (из оставшихся) конвертированной турбины на сопловой аппарат...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002579526
Дата охранного документа: 10.04.2016
10.04.2016
№216.015.3221

Способ функционирования турбореактивного двухконтурного двигателя летательного аппарата с выносными вентиляторными модулями

Изобретение позволяет улучшить согласование взлетного и крейсерского режимов работы двигателя и повысить топливную экономичность двигателей гражданской и транспортной авиации. Указанный технический результат достигается тем, что турбореактивный двухконтурный двигатель летательного аппарата с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002580608
Дата охранного документа: 10.04.2016
20.05.2016
№216.015.3f8b

Муфта составного ротора газогенератора газотурбинного двигателя

Муфта составного ротора газогенератора газотурбинного двигателя содержит средства для передачи крутящего момента и осевого сцепления двух соосных вращающихся колес в виде перемещающихся элементов, размещенных в кольцевых выемках, выполненных в цапфе центробежного колеса компрессора и цапфе...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002584109
Дата охранного документа: 20.05.2016
12.01.2017
№217.015.5898

Насос-дозатор

Изобретение относится к системам подачи и дозирования рабочего тела с электроприводными насосами, в частности к системам топливоподачи и управления газотурбинных двигателей. Насос-дозатор содержит насос подачи рабочего тела с регулируемым электроприводом, включающим электродвигатель (ЭД), блок...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002588315
Дата охранного документа: 27.06.2016
13.01.2017
№217.015.713e

Способ определения тяги в полете турбореактивного двухконтурного двигателя со смешением потоков

Изобретение относится к области управления турбореактивным двухконтурным двигателем со смешением потоков ТРДД и ТРДД с форсажной камерой сгорания ТРДДФ и позволяет определить с повышенной точностью тягу в полете с учетом реального истечения газа из реактивного сопла. По замерам полетной...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002596413
Дата охранного документа: 10.09.2016
Showing 1-4 of 4 items.
25.08.2017
№217.015.cb07

Разнолигандные комплексные соединения тербия с фенантролином, интенсивность люминесценции которых зависит от температуры

Изобретение относится к люминесцентным соединениям тербия и может быть использовано для создания люминесцентных меток, например для маркировки ценных бумаг. Описываются разнолигандные комплексные соединения тербия с фенантролином формулы Tb(L)(phen) и их сольваты, за исключением трис-салицилата...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002620117
Дата охранного документа: 23.05.2017
16.06.2018
№218.016.62d3

Разнолигандные фторзамещенные ароматические карбоксилаты лантанидов, проявляющие люминесцентные свойства, и органические светодиоды на их основе

Изобретение относится к новым соединениям комплексов лантанидов, а именно к разнолигандным фторзамещенным ароматическим карбоксилатам лантанидов, которые могут быть использованы в качестве люминесцентного материла в оптических приборах. Предлагаются соединения формулы Ln(CFHACOO)(Q)(HO),где x =...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002657496
Дата охранного документа: 14.06.2018
24.10.2019
№219.017.da75

Способ изготовления полого диска из жаропрочного сплава

Изобретение относится к способам изготовления полых дисков из жаропрочных сплавов и может найти применение при изготовлении высокотемпературных роторов турбин газотурбинных двигателей. Две осесимметричные половины диска, содержащие ступицу с прорезью, две стенки и обод с обращенными друг к...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002704045
Дата охранного документа: 23.10.2019
30.10.2019
№219.017.dba2

Способ лазерной сварки полых изделий

Изобретение относится к способам лазерной сварки полых изделий и может быть использовано в технологических процессах изготовления пустотелых дисков турбин, компрессоров и вентиляторов газотурбинных двигателей. В способе лазерной сварки полых изделий на стыкуемые кромки подают лазерный луч с...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002704353
Дата охранного документа: 28.10.2019
+ добавить свой РИД