Разработка инновационной технологии гибридной лазерно-дуговой сварки неповоротных стыков труб диаметром 1020 мм
ART 86415
Р.
А. ФарахутдиновБиблиографическое описание статьи для цитирования:
Фарахутдинов
Р.
А.,
Мосюков
Д.
Б.,
Николаев
С.
О. Разработка инновационной технологии гибридной лазерно-дуговой сварки неповоротных стыков труб диаметром 1020 мм // Научно-методический электронный журнал «Концепт». –
2016. – Т. 11. – С.
1941–1945. – URL:
http://e-koncept.ru/2016/86415.htm.
Аннотация. В данной работе представлена инновационная технология гибридной лазерно-дуговой сварки неповоротных стыков диаметром 1020 мм с применением технологии орбитальной сварки. Подобраны оптимальные с точки зрения эффективности и экономичности сварочные оборудования и материалы, параметры процесса сварки.
Ключевые слова:
гибридная сварка, лазерно-дуговая сварка, неповоротный стык, разработка технологии, сварка труб
Текст статьи
Фарахутдинов Руслан Альбертович,студент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казаньceoruslanf@gmail.com
Мосюков Дей Борисович,студент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казаньslim.93.933@gmail.com
Николаев Сергей Олегович,магистрант, студент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казаньslim.93.93@mail.ru
Курынцев Сергей Вячеславович,научный руководитель, доцент, к.э.н. КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казаньkuryntsev16@mail.ru
Разработка инновационной технологии гибридной лазернодуговой сваркинеповоротных стыковтруб диаметром 1020 мм
Аннотация.В данной работе разработана инновационная технология гибридной лазернодуговой сварки неповоротных стыков диаметром 1020 мм с применением технологии орбитальной сварки. Подобраны оптимальные с точки зрения эффективности и экономичности сварочные оборудования и материалы, параметры процесса сварки. Ключевые слова:гибридная сварка, лазернодуговая сварка, неповоротный стык, разработка технологии, сварка труб.
При сооружении магистральных трубопроводовширокоеприменение получило использование высокопрочных труб большого диаметра, которые имеют высокие эксплуатационные характеристики и к которым предъявляются самые высокие требования к качеству [1]. Сварка неповоротных кольцевых стыков труб большого диаметра –это весьма трудоемкий процесс, требующий высокой квалификации рабочих, много времени и средств. Широко распространенные способы сварки рассматриваемых стыков ручная дуговая и механизированная сварка характеризуются низкой скоростью процесса, что значительно замедляет темп строительства магистрали, а качество сварного соединениязависят от опыта и квалификации специалиста и др. факторов, в частности, качества сборки, предварительной подготовки к сварке и др.[2]. Одним из наиболее актуальных вопросов является использование новых методов сварки труб большого диаметра, которые позволили бы существенно увеличить производительность и качество продукции, а также снизить себестоимость изготовления и монтажа. Перспективным направлением развития современного производства являются лазерные технологии, которые активно применяются во многихотрасляхпроизводства [3]. Целью данной работы является разработка технологии гибридной лазернодуговой сварки неповоротных стыков трубопроводов диаметром 1020 ммс толщиной стенки 10 мм.Гибридная лазернодуговая сварка –это метод сварки, при котором формирование сварочной ванны происходит при одновременном действии лазерного излучения и сварочной дуги. Процесс лазерно дуговой сварки может осуществляться неплавящимся или плавящимся электродом. Дуга подогревает металл и расплавляет его верхний слой, а лазерный луч осуществляет глубокое проплавление(рис. 1).В результате этой комбинации преимущества от обоих процессов реализуются в полной мере: высокая скорость ибольшая глубина проплавления обеспечивается лазерным лучом, а дуга создает широкий шов, который заполняет зазоры.
Рис. 1. Схема процесса гибридной лазернодуговой сварки
Идея использования лучевой сварки для изготовления кольцевых швов трубопроводов не является новой. С начала 2000 г.опубликован ряд работ, в которых обсуждаются возможности использования электронного луча, газового CO2лазера, а также твердотельного Nd: YAGлазера для реализации процесса орбитальной сварки[4]. В разрабатываемой технологии сварки прямошовная трубаизготовлена из конструкционной легированной стали 10Г2ФБЮ по ГОСТ 105088. Данная сталь имеет высокие механические свойства (σв=633 МПа, δ=30%), обладает удовлетворительной свариваемостью.Гибридная сварка может осуществлятьсяв сочетаниях ©MAG+Laserª и ©MIG+Laserª . Проанализировав исследовательские данные ведущих национальных и международных институтов сварки[5], выбралинаиболее оптимальныйвариант
комбинация ©MIG+Laserª, в качестве защитного газа используем смесь газов ARCAL 21, состоящую из 92 % Ar и 8% диоксида углерода (M21 согласно DIN EN 439).
В качестве сварочной проволоки применилишироко используемую проволоку марки Св08Г2С согласно ГОСТ 2246 –70 диаметром 1,2 мм, которая обладает высокими механическими свойствами, обеспечивающая требуемое качество, также отличающейся невысокой стоимостью.Параметрыразделки кромок для металла толщиной 10 мм для гибридной лазернодуговой были подобраны экспериментально: зазор 0,3…0.65 мм; притупление 5,0 мм;угол разделки кромок 30º.
Рис. 2. Форма иразмеры сварного соединения
Разделка шва выполняется таким образом, чтобы с помощью лазерного излучения производилась заварка корневого шва и заполнение разделки металлом плавящегося электрода (проволоки).На данный момент методики расчета режимов гибридной лазернодуговой сварки нет,поэтомурежимы сварки определяется с помощью экспериментальных данных, выведенных в лаборатории КАИ Лазер на базе исследовательского лазерного комплекса: мощность лазера –5кВт; мощность дуги –18.5 кВт;скорость сварки –0.6м/мин.Параметры режима сварки оптимизируют таким образом, чтобы обеспечитьзаданную глубину проплавления. Толщина основного металла 10мм, сваривается за один проход.Для использования гибридной лазернодуговой технологии при сварке неповоротных кольцевых швов, актуальным является создание мобильных технологических комплексов (рис. 3).
Рис.3. Лабораторный комплекс гибридной лазерно дуговой сварки.
На каретку, перемещающуюся погибкому направляющему поясу, установлены лазернодуговой модуль, система наведения нашов имеханизм подачи электродной проволоки.Вкачестве источника лазерного излучения используетсяиттербиевый волоконный лазер ЛС8(одномодовый) с пиковой мощностью 5кВт. Волоконный лазер работает в паре с лазерной головкой фирмы Scansonic ВОSF, головка применяется в промышленности для качественного решения задач с высокими требованиями к стабильному положению фокуса. Вкачестве дугового источника— используем инвертор ВД508компании ИТС.Приведенный выше перечень оборудования будет базироваться (устанавливаться) на модернизированный сварочный трактор модели Р600, который предназначен для орбитальной сварки труб большего диаметра.
Рис. 4. Компоновка установки гибридно лазернодуговойсварки: 1 –корпус; 2 –привод перемещения автомата; 3 –колесо; 4 –привод поперечного перемещения сварочной головки; 5 –система охлаждения; 6 –сварочный мундштук; 7 –лазерная сварочная головка.
Для сборки трубопровода в полевых условияхс указанным зазоромиспользуетсяцентратор внутренний ЦВ107, для подготовки кромок –станок трубСПК 1423, для укладки и манипуляции трубами –трубоукладчики.Источником питания для оборудования является мобильная подвижная электростанция.Анализ экономической эффективности при внедрении данной технологии оправдал целесообразность применения гибридной сваркипо сравнению с традиционными способами: за счет высокой производительности, автоматизации процесса достигается значительная экономия средств. Критериями оценки являлись суммарные затраты на получение одного стыка. Однако, изза высокой стоимости лазерного оборудования и обслуживания, потраченные средства окупятся ориентировочно только через 56 лет.Разработаннаятехнология гибридной лазернодуговой сварки неповоротных стыков труб большого диаметраспособствуют повышениюпроизводительности, уменьшениюбрака и затрат на производство.Выбранные оборудование и параметры технологии гарантируют требуемое качество продукции, автоматизация процесса минимизирует влияние человеческого фактора. Инновационная технология обоснована с помощью экономических расчетов, целесообразности базового и спроектированного способов.
Ссылки на источники1.Рудаченко А.В. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов: учебное пособие / А.В. Рудаченко, Н.В. Чухарева, А.В. Жилин. –Томск: издво ТПУ, 2008. –238 с. 2.Мустафин Ф.М. Сварка трубопроводов: учеб. Пособие / Ф.М. Мустафик, Н.Г. Блехерова, О.П. Квятковский и др. –М.: ООО ©НедраБизнесцентрª, 2002. –350 с.3.В.М. Вакуленко Лазерная технология. Нужна ли она России? / ©Р.И.Т.М.ª. 2006. №12. С. 3537.4.Особенности процесса орбитальной лазернодуговой сварки толстостенных труб большого диаметра / С. Гоок, А. Гуменюк, М. Ламмерс, М. Ретмайер,©Автоматическая сваркаª, № 9, 2010.с. 513.5.Гибридная лазерная сварка –объединяя усилия / К.Пауль, Ф.Ридель, ©Фотоникаª, №1, 2009. с.5.
Мосюков Дей Борисович,студент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казаньslim.93.933@gmail.com
Николаев Сергей Олегович,магистрант, студент, КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казаньslim.93.93@mail.ru
Курынцев Сергей Вячеславович,научный руководитель, доцент, к.э.н. КНИТУКАИ им. А.Н. Туполева, г. Казаньkuryntsev16@mail.ru
Разработка инновационной технологии гибридной лазернодуговой сваркинеповоротных стыковтруб диаметром 1020 мм
Аннотация.В данной работе разработана инновационная технология гибридной лазернодуговой сварки неповоротных стыков диаметром 1020 мм с применением технологии орбитальной сварки. Подобраны оптимальные с точки зрения эффективности и экономичности сварочные оборудования и материалы, параметры процесса сварки. Ключевые слова:гибридная сварка, лазернодуговая сварка, неповоротный стык, разработка технологии, сварка труб.
При сооружении магистральных трубопроводовширокоеприменение получило использование высокопрочных труб большого диаметра, которые имеют высокие эксплуатационные характеристики и к которым предъявляются самые высокие требования к качеству [1]. Сварка неповоротных кольцевых стыков труб большого диаметра –это весьма трудоемкий процесс, требующий высокой квалификации рабочих, много времени и средств. Широко распространенные способы сварки рассматриваемых стыков ручная дуговая и механизированная сварка характеризуются низкой скоростью процесса, что значительно замедляет темп строительства магистрали, а качество сварного соединениязависят от опыта и квалификации специалиста и др. факторов, в частности, качества сборки, предварительной подготовки к сварке и др.[2]. Одним из наиболее актуальных вопросов является использование новых методов сварки труб большого диаметра, которые позволили бы существенно увеличить производительность и качество продукции, а также снизить себестоимость изготовления и монтажа. Перспективным направлением развития современного производства являются лазерные технологии, которые активно применяются во многихотрасляхпроизводства [3]. Целью данной работы является разработка технологии гибридной лазернодуговой сварки неповоротных стыков трубопроводов диаметром 1020 ммс толщиной стенки 10 мм.Гибридная лазернодуговая сварка –это метод сварки, при котором формирование сварочной ванны происходит при одновременном действии лазерного излучения и сварочной дуги. Процесс лазерно дуговой сварки может осуществляться неплавящимся или плавящимся электродом. Дуга подогревает металл и расплавляет его верхний слой, а лазерный луч осуществляет глубокое проплавление(рис. 1).В результате этой комбинации преимущества от обоих процессов реализуются в полной мере: высокая скорость ибольшая глубина проплавления обеспечивается лазерным лучом, а дуга создает широкий шов, который заполняет зазоры.
Рис. 1. Схема процесса гибридной лазернодуговой сварки
Идея использования лучевой сварки для изготовления кольцевых швов трубопроводов не является новой. С начала 2000 г.опубликован ряд работ, в которых обсуждаются возможности использования электронного луча, газового CO2лазера, а также твердотельного Nd: YAGлазера для реализации процесса орбитальной сварки[4]. В разрабатываемой технологии сварки прямошовная трубаизготовлена из конструкционной легированной стали 10Г2ФБЮ по ГОСТ 105088. Данная сталь имеет высокие механические свойства (σв=633 МПа, δ=30%), обладает удовлетворительной свариваемостью.Гибридная сварка может осуществлятьсяв сочетаниях ©MAG+Laserª и ©MIG+Laserª . Проанализировав исследовательские данные ведущих национальных и международных институтов сварки[5], выбралинаиболее оптимальныйвариант
комбинация ©MIG+Laserª, в качестве защитного газа используем смесь газов ARCAL 21, состоящую из 92 % Ar и 8% диоксида углерода (M21 согласно DIN EN 439).
В качестве сварочной проволоки применилишироко используемую проволоку марки Св08Г2С согласно ГОСТ 2246 –70 диаметром 1,2 мм, которая обладает высокими механическими свойствами, обеспечивающая требуемое качество, также отличающейся невысокой стоимостью.Параметрыразделки кромок для металла толщиной 10 мм для гибридной лазернодуговой были подобраны экспериментально: зазор 0,3…0.65 мм; притупление 5,0 мм;угол разделки кромок 30º.
Рис. 2. Форма иразмеры сварного соединения
Разделка шва выполняется таким образом, чтобы с помощью лазерного излучения производилась заварка корневого шва и заполнение разделки металлом плавящегося электрода (проволоки).На данный момент методики расчета режимов гибридной лазернодуговой сварки нет,поэтомурежимы сварки определяется с помощью экспериментальных данных, выведенных в лаборатории КАИ Лазер на базе исследовательского лазерного комплекса: мощность лазера –5кВт; мощность дуги –18.5 кВт;скорость сварки –0.6м/мин.Параметры режима сварки оптимизируют таким образом, чтобы обеспечитьзаданную глубину проплавления. Толщина основного металла 10мм, сваривается за один проход.Для использования гибридной лазернодуговой технологии при сварке неповоротных кольцевых швов, актуальным является создание мобильных технологических комплексов (рис. 3).
Рис.3. Лабораторный комплекс гибридной лазерно дуговой сварки.
На каретку, перемещающуюся погибкому направляющему поясу, установлены лазернодуговой модуль, система наведения нашов имеханизм подачи электродной проволоки.Вкачестве источника лазерного излучения используетсяиттербиевый волоконный лазер ЛС8(одномодовый) с пиковой мощностью 5кВт. Волоконный лазер работает в паре с лазерной головкой фирмы Scansonic ВОSF, головка применяется в промышленности для качественного решения задач с высокими требованиями к стабильному положению фокуса. Вкачестве дугового источника— используем инвертор ВД508компании ИТС.Приведенный выше перечень оборудования будет базироваться (устанавливаться) на модернизированный сварочный трактор модели Р600, который предназначен для орбитальной сварки труб большего диаметра.
Рис. 4. Компоновка установки гибридно лазернодуговойсварки: 1 –корпус; 2 –привод перемещения автомата; 3 –колесо; 4 –привод поперечного перемещения сварочной головки; 5 –система охлаждения; 6 –сварочный мундштук; 7 –лазерная сварочная головка.
Для сборки трубопровода в полевых условияхс указанным зазоромиспользуетсяцентратор внутренний ЦВ107, для подготовки кромок –станок трубСПК 1423, для укладки и манипуляции трубами –трубоукладчики.Источником питания для оборудования является мобильная подвижная электростанция.Анализ экономической эффективности при внедрении данной технологии оправдал целесообразность применения гибридной сваркипо сравнению с традиционными способами: за счет высокой производительности, автоматизации процесса достигается значительная экономия средств. Критериями оценки являлись суммарные затраты на получение одного стыка. Однако, изза высокой стоимости лазерного оборудования и обслуживания, потраченные средства окупятся ориентировочно только через 56 лет.Разработаннаятехнология гибридной лазернодуговой сварки неповоротных стыков труб большого диаметраспособствуют повышениюпроизводительности, уменьшениюбрака и затрат на производство.Выбранные оборудование и параметры технологии гарантируют требуемое качество продукции, автоматизация процесса минимизирует влияние человеческого фактора. Инновационная технология обоснована с помощью экономических расчетов, целесообразности базового и спроектированного способов.
Ссылки на источники1.Рудаченко А.В. Проектирование и эксплуатация газонефтепроводов: учебное пособие / А.В. Рудаченко, Н.В. Чухарева, А.В. Жилин. –Томск: издво ТПУ, 2008. –238 с. 2.Мустафин Ф.М. Сварка трубопроводов: учеб. Пособие / Ф.М. Мустафик, Н.Г. Блехерова, О.П. Квятковский и др. –М.: ООО ©НедраБизнесцентрª, 2002. –350 с.3.В.М. Вакуленко Лазерная технология. Нужна ли она России? / ©Р.И.Т.М.ª. 2006. №12. С. 3537.4.Особенности процесса орбитальной лазернодуговой сварки толстостенных труб большого диаметра / С. Гоок, А. Гуменюк, М. Ламмерс, М. Ретмайер,©Автоматическая сваркаª, № 9, 2010.с. 513.5.Гибридная лазерная сварка –объединяя усилия / К.Пауль, Ф.Ридель, ©Фотоникаª, №1, 2009. с.5.
