Спосіб та пристрій для термообробки зварних швів

1. Спосіб індукційної термічної обробки зварних швів у зварювальній машині з лазерною зварювальною головкою (3) для з'єднання сталевих штаб (2), причому процес нагрівання зварного шва (1) і ділянок (6,7), що примикають до зварного шва, перед і позаду нього здійснюють за допомогою лінійних індукторів (4,5), при цьому нагрівання ділянки (6,7) зварного шва здійснюють за допомогою певним чином настроюваного багатоступеневого лінійного індуктора із зонами різної густини потужності, який виконаний з багаторазовим розподіленням своїх довжин провідних петель і/або з різним виконанням металевих панелей біля петель провідника і/або численними різними ступенями відстаней відносно сталевої штаби, який відрізняється тим, що розподілення всієї прикладеної для нагрівання густини qH потужності нагрівання на окремі ступені (t1, t2) здійснюють таким чином, що в першому ступені (t1) нагрівання має місце більш крутий підйом температури, ніж в наступному ступені (t2) нагрівання. 2. Спосіб за п. 1, який відрізняється тим, що розподілення потужності при двоступеневому нагрі 2 (19) 1 3 94976 4 8. Пристрій за будь-яким з пп. 4-6, який відрізняється тим, що лінійний індуктор (4) зв'язаний з лазерною зварювальною головкою (3). 9. Пристрій за будь-яким з пп. 4-8, який відрізняється тим, що сталевий лист жорстко закріплений, а лазерна зварювальна головка (3) і лінійні індуктори (4,5) виконані з можливістю переміщення. 10. Пристрій за будь-яким з пп. 4-9, який відрізняється тим, що сталевий лист розташований з можливістю переміщення, а щонайменше лазерна зварювальна головка (3) розташована нерухомо. Винахід стосується способу та пристрою для індукційної термічної обробки зварних швів у зварювальній машині з лазерною зварювальною головкою для з'єднання зварних штаб, причому процес нагрівання зварного шва і прилеглих ділянок перед власне зварним швом і позаду зварного шва здійснюється за допомогою лінійних індукторів. При зварюванні і, зокрема, при зварюванні листів за допомогою лазерних променів дуже велика кількість енергії концентровано подається в дуже вузьку зону шва. Оскільки ділянки листа, що примикають до цієї сильно нагрітої ділянки, мають температуру навколишнього середовища, то в кінцевому результаті вслід за зварюванням через високе падіння температури відбувається дуже швидке охолоджування. Завдяки цьому виникають зміни структури, які можуть істотно погіршити механічні властивості в цій ділянці. За допомогою цілеспрямованої термічної обробки цієї згаданої ділянки зварного шва перед власне зварним швом і позаду зварного шва, тому, робляться спроби вплинути на охолоджування після процесу зварювання. Метою попереднього нагрівання при цьому є запобігання формуванню тріщин безпосередньо після процесу зварювання і підвищення вмісту енергії ділянки шва для зниження швидкості охолоджування. Підігрівання (додаткове нагрівання), яке має місце після зварювання, служить для подальшого зниження швидкості охолоджування. Термічна обробка ділянки зварного шва може здійснюватися при цьому за допомогою термічного нагрівання, наприклад, за допомогою газового або плазмового пальника або шляхом індукційного нагрівання. Термообробка зварного шва здійснюється звичайно завдяки односторонньому розташуванню пальників або індукторів на верхній і нижній стороні. Звідси витікає зумовлений способом нерівномірний розподіл температур і, в результаті, нерівномірна термічна обробка по висоті зварного шва. При коротких періодах нагрівання і високих питомих потужностях нагрівання ще більше посилюється ця несиметричність. Для здійснення необхідної з наведених вище міркувань термічної обробки відомі різні способи, а також пристрої. Так, наприклад, з DE 10 2004 001 166 A1 відомий спосіб лазерного зварювання з попереднім і/або подальшим нагріванням в ділянці зварного шва, яке здійснюється за допомогою лазерного променя лазерної зварювальної головки, причому промінь направляється, по суті, з такою самою потужністю, яка потрібна для зварювання, і з таким самим фокусуванням, але з більш високою швидкістю подачі і, в цьому випадку, багаторазово по ділянці шва, що обробляється. Альтернатива цьому способу полягає в тому, що лазерний промінь направляється по ділянці шва, що обробляється, з підвищеним дефокусуванням і, в цьому випадку, також повільніше. У EP 1 285 719 B1 описується зварювання накладенням лазерного променя на вал, що обертається, причому для ступеневого попереднього нагрівання використовується виконаний у вигляді сегментів кола індуктор, сегменти якого прикладені до вала в місці перед головкою для обробки лазерним променем. Реалізація обох циклів попереднього нагрівання відбувається за допомогою двох різних, жорстко розташованих відносно один одного і відносно точки попадання лазерного променя індукторів, причому густина теплового потоку першого індуктора менше і час впливу тепла і ефективна поверхня індуктора більше, ніж відповідні значення другого індуктора. Підвищення температури в першому циклі попереднього нагрівання здійснюється, відповідно до цього, більш плавно, ніж у другому циклі попереднього нагрівання. Обидва індуктори можуть працювати з різними частотами, вони можуть, однак, також об'єднатися в один, розташований в одному корпусі індуктор, причому різні концентрації поля індукції досягаються за допомогою елементів, що посилюють магнітне поле, іншого поперечного перерізу індукторів або більш тісної відстані між витками. У випадку особливо чутливих до тріщиноутворення матеріалів можна також застосувати додатковий цикл індукційного нагрівання, причому індуктор, що використовується в цьому випадку, об'єднується з двома індукторами циклів попереднього нагрівання в один загальний індуктор. У DE 101 52 685 A1 пропонується пристрій, за допомогою якого в зварному шві і в розташованих по обидві сторони зварного шва зонах термічного впливу за допомогою одного або декількох, жорстко розташованих один за одним в режимі Offline або розташованих з можливістю переміщення в режимі Online вздовж зварного шва лінійних індукторів може проводитися локальна індукційна термічна обробка зварного виробу. Всередині зони впливу лінійних індукторів відносно лінійних індукторів розташовані екрануючі елементи так, що вони, екранують частину ділянки виробу, що піддається впливу при роботі лінійних індукторів, від змінного магнітного поля, що виробляється лінійними індукторами. Виходячи з наведеного рівня техніки," задача винаходу полягає в тому, щоб спосіб та пристрій для термообробки зварних швів виконати таким чином, щоб при зварюванні сталевих листів в достатній мірі знизити небезпеку утворення тріщин або зміни структури в ділянці зварного шва. 5 Поставлена задача за допомогою відмітних ознак пункту 1 формули винаходу вирішується завдяки тому, що нагрівання ділянки зварного шва здійснюється за допомогою визначено настроюваного багатоступеневого лінійного індуктора, із зонами різної густини потужності, який виконаний з багаторазовим розподілом своїх довжин петель провідника і/або з різним виконанням металевих панелей у петель провідника і/або з декількома різними ступенями відстані відносно сталевої штаби. Пристрій для проведення цього способу відрізняється ознаками п. 9 формули винаходу. Багатоступеневе нагрівання проводиться згідно з винаходом шляхом розподілу всієї густини потужності нагрівання, що подається в окремі ступені нагрівання, причому в першому ступені нагрівання виходить більш крутий підйом температури, ніж в наступному ступені нагрівання. Таким чином, наприклад, при двоступеневому нагріванні розподіл потужності між першим і другим ступенем нагрівання проводиться в співвідношенні 3:1. Результатом такого розподілу потужності є більш повільне підвищення температури у другому ступені нагрівання в порівнянні з першим ступенем нагрівання. Завдяки цьому досягається не тільки менший температурний градієнт між верхньою стороною штаби і нижньою стороною штаби, в порівнянні з одноступеневим нагріванням, але також знижується небезпека перегрівання структури при наближенні до бажаної кінцевої температури. Переважно, при багатоступеневому нагріванні між окремими ступенями нагрівання можна встановити також час витримки при спеціально встановленій температурі, що визначається шляхом вимірювання температури, з подальшим охолоджуванням попередньо підігрітої ділянки зварного шва, після якого йде повторне нагрівання. Для одержання цих зон вирівнювання між окремими зонами нагрівання окремі петлі провідника можуть, наприклад, перериватися. Лінійні індуктори для попереднього і подальшого нагрівання згідно з винаходом можуть виконуватися за вибором з керуванням окремо або спільно, причому лазерна зварювальна головка і лінійні індуктори можуть переміщатися без жорсткого зв'язку, наприклад, на роздільних візках. Багатоступеневий нагрів, що проводиться, в наступній за лазерною зварювальною головкою ділянці зварного шва значною мірою залежить від структури сталевої штаби. Лазерна зварювальна головка, тому, розташовується на оптимальній відстані для лазерної зварювальної головки, що відповідає вимогам процесу і визначається, наприклад, шляхом вимірювання температури. Згідно з винаходом, однак, також можливий керований лазерною зварювальною головкою незалежний рух лінійного індуктора, щоб, наприклад, уникнути місцевих перегрівань в ділянці зварного шва, для чого, наприклад, осцилюючим чином змінюється відстань від лазерної зварювальної головки. Багатоступеневе нагрівання ділянки зварного шва, що розташовується попереду, яке здійснюється за допомогою розташованого перед лазерною зварювальною головкою ступеневого лінійно 94976 6 го індуктора, через нагрівання, що безпосередньо йде далі, за допомогою лазерної зварювальної головки може проводитися з тією самою швидкістю, що і у зварювальної головки, внаслідок чого, наприклад, в цьому випадку також доцільно цей лінійний індуктор розташувати жорстко відносно лазерної зварювальної головки або його безпосередньо приєднати до лазерної зварювальної головки. Однак також можливо, якщо це потрібно для адаптації процесу, розташувати лінійний індуктор з можливістю осцилюючої зміни відстані перед лазерною зварювальною головкою. Переваги, що досягаються за допомогою багатоступеневого виконання лінійних індукторів, узагальнюються таким чином: - розподіл густини потужності і тим самим регулювання і зниження небезпеки перегрівання у кінця зони нагрівання, - жорстка конструкція без змінних довжин провідника, - розподіл петель в безпосередній дійовій близькості до сталевої штаби, - компактна конструктивна форма. Інші подробиці винаходу пояснюються, далі, більш детальнр на основі представлених в схематичних кресленнях прикладів виконання, які показують: Фіг. 1 - пристрій для термічної обробки зварного шва, Фіг. 2 - одноступеневий лінійний індуктор згідно з рівнем техніки, Фіг. 3 - діаграма температура-час у випадку одноступеневого нагрівання, Фіг. 4 - розподіл струму двоступеневого лінійного індуктора, Фіг. 5 - двоступеневий лінійний індуктор з розподілом струму відповідно до Фіг. 4, Фіг. 6 - діаграма температура-час при двоступеневому нагріванні, Фіг. 7 - діаграма температура-час при двоступеневому нагріванні з підігріванням. На Фіг. 1 схематично показаний пристрій для зварювання і термообробки зварного шва 1 (див. також Фіг. 4) в сталевій штабі 2. Він складається з лазерної зварювальної головки 3 і розташованого перед нею лінійного індуктора 4 та розташованого за нею лінійного індуктора 5. Лазерна зварювальна головка 3 та обидва лінійних індуктора 4, 5 в цьому прикладі виконання для здійснення процесу зварювання і для термообробки переміщаються в напрямку руху або в напрямку 9 зварювання, в той час як сталева штаба 2 жорстко закріплена. Представлений тут варіант виконання застосовний також для переміщуваних листів при жорсткому встановленні лінійних індукторів 4, 5 і лазерної зварювальної головки 3. Лінійний індуктор 4, що переміщається перед лазерною зварювальною головкою 3, нагріває сталеву штабу 2 у відповідній довжині лінійного індуктора 4 передньої ділянки 6 зварного шва, при цьому наступна за лазерною зварювальною головкою З (подальша) ділянка 7 зварного шва додатково нагрівається розташованим позаду лазерної зварювальної головки лінійним індуктором 5. Лінійні індуктори, що використовуються для 7 термообробки, згідно з рівнем техніки виконані одноступеневими. Проведений за допомогою такого, показаного як приклад на Фіг. 2 лінійного індуктора 8 з однією лише петлею провідника з крізною довжиною ступеня L одноступеневий процес нагрівання дає зображену на Фіг. 3 принципову діаграму температура-час. Як можна зрозуміти з діаграми, між температурою T0 верхньої сторони штаби і температурою Tu нижньої сторони штаби існує велика різниця з максимумом в кінці часу tзаг., оскільки різниця в температурі прямо пропорційна густини q потужності нагрівання лінійного індуктора і часу t нагрівання. Відхилення від бажаної температури Тm процесу після кінця зони 15 нагрівання і перед початком зони 17 охолоджування дуже великі, чому і існує небезпека перегрівання структури. На Фіг. 4 показаний двоступеневий лінійний індуктор з двома, виконаними з різними довжинами L1 та L2 ступенів. Оскільки нагрівання до потрібної температури процесу у випадку двоступеневого лінійного індуктора 10 (порів. з Фіг. 5) вимагає такого самого прикладення Qtзаг.=qh1t1+qh2t2 енергії, як і при одноступеневому лінійному індукторі (з qh1t1 для першого ступеня нагрівання і qh2t2 для другого ступеня нагрівання) і розподіл струму Ізаг. на пайові струми I1 та I2 зворотно пропорційний обом довжинам L1 та L2, то прикладення енергії до окремих ступенів нагрівання можна регулювати шляхом відповідного вибору довжин ступенів. Виходячи з цього, наведений як приклад розподіл струму на різні довжини L1 та L2 двоступеневого лінійного індуктора 10 визначено на Фіг. 5. Більш короткий ступінь L1 з більш високою густиною I1 потужності, в порівнянні з більш довгим ступенем L2, знаходиться відносно напрямку 9 зварювання спереду, тобто підлягаюча обробці ділянка зварювання, навантажується спочатку більш високою густиною потужності. З Фіг. 4 та 5, далі, можна розпізнати, яким чином можна здійснити розподіл струму у випадку двоступеневого лінійного індуктора 10 шляхом спеціального розташування і подачі струму в обидві петлі провідника з їх різними довжинами L1 та L2 ступенів. Результат проведеного за допомогою такого лінійного індуктора 10 двоступеневого процесу нагрівання показує відображена на Фіг. 6 принципова діаграма температура-час. Крутий підйом температури в першому ступені 15 нагрівання хоча і призводить точно так само до великої різниці температур між температурами T0 та Tu до закінчення першого ступеня нагрівання в точці t1, після цього, однак, в цьому випадку у другому ступені 16 нагрівання через проміжок t2 часу має місце вирівнювання температури, так що після протікання процесу цього другого ступеня термообробки при 94976 8 tзаг., відхилення температури від потрібного середнього значення температури Тm виходять значно меншими, в порівнянні з одноступеневим нагріванням. Реальний результат двоступеневого нагрівання з підігріванням представлений на Фіг, 7. Хід температурної кривої в показаній діаграмі температура-час починається в безпосередній ділянці 20 зварювання при t=0 з подальшим охолоджуванням 17, що проходить круто. При заданій температурі, в цьому випадку приблизно при 320C, крутим підйомом температури починається перший ступінь 15 підігрівання тривалістю близько 1 секунди до температури близько 520°С. Безпосередньо після цього йде другий ступінь 16 нагрівання, тепер з плавним підйомом температури до загального часу нагрівання близько 3,3 секунд і кінцевої температури приблизно 620C. Після цього йде остаточне охолоджування з плоским завдяки підігріванню ходом кривої 17’ охолоджування. Зрозуміло, є випадки, в яких зона 16 є зоною витримки або навіть зоною з уповільненим охолоджуванням. При уповільненому охолоджуванні енергії, що подається в систему, недостатньо, щоб вирівняти віддачу тепла в навколишнє середовище. Перелік позначень 1 - зварний шов 2 - сталева штаба 3 - лазерна зварювальна головка 4 - лінійний індуктор для попереднього нагрівання 5 - лінійний індуктор для додаткового нагрівання (підігрівання) 6 - передня ділянка зварного шва 7 - наступна за передньою ділянкою ділянка зварного шва 8 - одноступеневий лінійний індуктор 9 - напрямок зварювання, напрямок переміщення 10 - двоступеневий лінійний індуктор 15,16 - зона нагрівання 17,17' - зона охолоджування 20 - безпосередня ділянка зварювання L - довжина петлі L1,L2 - довжина ступеня лінійного провідника І1,І2 - ампераж T - температура штаби T0 - температура верхньої сторони штаби Тu - температура нижньої сторони штаби Тm - середня температура штаби t - час t1 - кінець першого ступеня нагрівання t2 - кінець другого ступеня нагрівання tзаг. - загальний час нагрівання 9 94976 10 11 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 94976 Підписне 12 Тираж 23 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601