Ультразвуковое устройство для снятия остаточных напряжений в сварных соединениях
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. Сущность п.м.: 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. 1 п. ф-лы.
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.
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.
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).
Однако такая установка имеет ограниченную сферу применения, поскольку позволяет осуществлять по заданной программе только наплавку изношенных поверхностей.
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).
Эта установка также имеет строго ограниченную сферу применения, обусловленную ее назначением, не обеспечивает сварку деталей и регулирование основных параметров.
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).
Недостатком способа является необходимость механической обработки для перемещения ультразвукового излучателя, использование масел для акустического контакта и дополнительного подогрева.
Сущность заявляемой полезной модели выражается в совокупности существенных признаков, достаточных для достижения обеспечиваемого предлагаемой полезной моделью технического результата.
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.
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.
Сравнение заявленного технического решения с прототипом позволило установить соответствие его критерию "новизна", так как оно не известно из уровня техники.
Предложенное устройство является промышленно применимым, поскольку может быть реализовано существующими техническими средствами.
Таким образом, предложенное техническое решение соответствует установленным условиям патентоспособности полезной модели.
Других известных технических решений аналогичного назначения с подобными существенными признаками заявителем не обнаружено.
На чертеже представлена функциональная блок-схема заявленного устройства.
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).
Все элементы устройства выполнены на базе взаимосвязанных функциональных модульных блоков и стандартных микросхем.
Работа предложенного устройства осуществляется следующим образом.
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Использование ультразвука, воздействующего на сварочную ванну в процессе сварки, весьма существенно улучшает структуру металла шва и резко уменьшает уровень остаточных напряжений в сварных соединениях.
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.
