PL232435B1

PL232435B1 - Method for welding large-sized constructions from aluminum alloys

Info

Publication number: PL232435B1
Application number: PL422255A
Authority: PL
Inventors: Michał Krzysztoforski; Bożena Szczucka-Lasota; Jan Piwnik; Tomasz Węgrzyn
Original assignee: Krzysztoforski Michal
Priority date: 2017-07-18
Filing date: 2017-07-18
Publication date: 2019-06-28
Also published as: PL422255A1

Description

Opis wynalazkuDescription of the invention

Przedmiotem wynalazku jest sposób spawania wielkogabarytowych konstrukcji ze stopów aluminium.The subject of the invention is a method of welding large-size structures made of aluminum alloys.

Ze stanu techniki znany jest wynalazek PL 217 176. Sposób spawania blach cienkich charakteryzuje się tym, że aparat spawalniczy wyposaża się w mikrostrumieniowe urządzenie do bezpośredniego chłodzenia uformowanej spoiny. Chłodzenie spoiny prowadzi się mikrostrugami chłodzącego płynu o określonej średnicy oraz komputerowo, oblicza się parametry z pomierzonych pól temperatur i automatycznie reguluje się mikrostrumieniowe chłodzenie z uwzględnieniem również wydatku cieczy chłodzącej. Patent ten dotyczył tylko cienkościennych konstrukcji stalowych.The invention PL 217 176 is known from the state of the art. The method of welding thin sheets is characterized in that the welding apparatus is equipped with a micro-jet device for direct cooling of the formed weld. The weld is cooled by means of microstructures of the cooling fluid with a defined diameter and by computer, the parameters are calculated from the measured temperature fields and the microfluidic cooling is automatically regulated, taking into account also the cooling liquid output. This patent was only for thin-walled steel structures.

Znany jest ze zgłoszenia PL 399947, gdzie spawanie prowadzi się wiązką laserową w jeziorku ciekłego metalu powstającego podczas spawania metodą MAG (4) w jeziorku ciekłego metalu w osłonie gazów szlachetnych lub bezpośrednio za nim z odpowiednim kierowaniem łuku elektrycznego.It is known from the application PL 399947, where welding is carried out with a laser beam in a pool of liquid metal formed during MAG welding (4) in a pool of liquid metal in a noble gas shield or directly behind it with an appropriate directing of the electric arc.

W znanych technologiach spawania stopów aluminium napotyka się trudności podstawowe związane z uzyskaniem odpowiednich własności fizyko-mechanicznych spoiny odbiegających od materiału rodzimego. Główną wadą jest niska odporność spoin po długotrwałym czasie eksploatacji zwłaszcza obciążenie mechaniczne konstrukcji na pęknięcia a także obciążenia elektryczne w szczególności dla szynoprzewodów przemysłu energetycznego.In the known technologies of welding aluminum alloys, there are basic difficulties related to obtaining appropriate physical and mechanical properties of the weld differing from the parent material. The main disadvantage is the low resistance of welds after long-term operation, especially the mechanical load of the structure to cracks, and electrical loads, especially for busbars of the power industry.

Obecnie wielkogabarytowe konstrukcje ze stopów aluminium spawało się nie żużlowymi procesami spawalniczymi: MIG, MAG, TIG co nie gwarantowało odpowiednio wysokich własności użytkowych konstrukcji po jej długotrwałym czasie eksploatacji.Currently, large-size structures made of aluminum alloys were welded with non-slag welding processes: MIG, MAG, TIG, which did not guarantee sufficiently high functional properties of the structure after its long-term operation.

Z opisu patentowego JP 200 1334377 jest znany sposób spawania doczołowego z użyciem wiązki lasera, w której czas pracy zostanie skrócony przy zachowaniu wysokiej jakości spawania doczołowego. Rozwiązanie to nie może być zastosowane ze względu na uzyskiwany mały przetop stopów aluminium i niezadawalające własności plastyczne złącza. Analogicznie nie może być również przyjęte rozwiązanie w patencie CN 102126088 (proces spawania kompozytowego łukiem elektrycznym i laserem).From the patent description JP 200 1334377 there is known a method of butt welding with the use of a laser beam, in which the working time will be reduced while maintaining high quality of butt welding. This solution cannot be used due to the low remelting of aluminum alloys and unsatisfactory plastic properties of the joint. Similarly, the solution in the patent CN 102126088 (composite electric arc and laser welding process) cannot be adopted.

Istota wynalazkuThe essence of the invention

Według rozwiązania będącego przedmiotem niniejszego zgłoszenia, sposób spawania wielkogabarytowych konstrukcji ze stopów aluminium za pomocą metody TIG, MIG lub MAG, prowadzony z chłodzeniem, charakteryzuje się tym, że chłodzenie spoiny prowadzi się za pomocą modułu membranowego stanowiącego układ blaszek z otworami, o średnicy mikrostrugi gazu chłodzącego od 40 do 60 mikrometrów i prędkości przepływu od 40 do 50 m/s, przy współczynnikach wymiany ciepła od 30 do 60 kW/m²K i szybkości schładzania wynoszącej 100°C/s-400°C/s. Jako gaz chłodzący stosuje się korzystnie hel. Układ blaszek w module membranowym jest równoległy.According to the solution which is the subject of this application, the method of welding large-size structures made of aluminum alloys with the use of the TIG, MIG or MAG method, conducted with cooling, is characterized by the fact that the cooling of the weld is carried out by means of a membrane module constituting a system of plates with holes, with the diameter of a microstructure of gas cooling capacity of 40 to 60 micrometers and flow velocities of 40 to 50 m / s, with heat exchange rates of 30 to 60 kW / m ² K, and a cooling rate of 100 ° C / s-400 ° C / s. Helium is preferably used as the cooling gas. The arrangement of the lamellae in the membrane module is parallel.

Proces spawania gabarytowych konstrukcji ze stopów aluminium prowadzi się za pomocą sprzężonej głowicy spawalniczej z wykorzystaniem modułowego chłodzenia membranowego do bezpośredniego chłodzenia formowanej spoiny. Wynalazek dotyczy tylko bez żużlowych procesów spawalniczych (MIG, MAG, TIG) bez spawania laserowego czy wiązką elektronów. Proces prowadzi się poprzez uzyskanie ustalonego stopnia automatycznego schładzania. Najskuteczniejszym medium chłodzącym i dającym najlepsze rezultaty jest hel (można stosować też argon, azot, sprężone powietrze a także mieszanki helu z ditlenkiem węgla i mieszanki argonu z ditlenkiem węgla).The welding process of large structures made of aluminum alloys is carried out by means of a coupled welding head with the use of modular membrane cooling for direct cooling of the formed weld. The invention applies only to no slag welding processes (MIG, MAG, TIG) without laser or electron beam welding. The process is carried out by obtaining a predetermined degree of automatic cooling. The most effective cooling medium that gives the best results is helium (argon, nitrogen, compressed air can also be used, as well as mixtures of helium with carbon dioxide and mixtures of argon with carbon dioxide).

Korzyści rozwiązania są następujące:The benefits of the solution are as follows:

a) proces modułowego chłodzenia membranowego rozdrabnia ziarno i ma wpływ na przemiany fazowe w stopach aluminium;a) the modular membrane cooling process refines the grain and has an effect on phase transformations in aluminum alloys;

b) podnosi własności plastyczne złącza, przez co zapobiega pękaniu spoin w gabarytowych konstrukcjach ze stopów aluminium;b) improves the plastic properties of the joint, thus preventing cracking of joints in large structures made of aluminum alloys;

c) proces umożliwia spawanie wielkogabarytowych konstrukcji;c) the process enables the welding of large-size structures;

d) pozwala na uzyskanie spoin ze stopów aluminium o znacznie podwyższonych parametrach jakościowych jak drobnoziarnista struktura, zdecydowanie lepsze własności użytkowe przydatne, szczególnie, w odpowiedzialnych konstrukcjach gabarytowych;d) allows for obtaining welds from aluminum alloys with significantly increased quality parameters, such as fine-grained structure, definitely better functional properties, especially useful in responsible overall structures;

e) brak pęknięć po długotrwałym czasie eksploatacji;e) no cracks after long-term operation;

f) sposób według wynalazku prowadzi do polepszenia własności mechanicznych struktury złącza poprzez korzystne i kontrolowane zmiany struktury.f) the method according to the invention leads to an improvement in the mechanical properties of the joint structure through favorable and controlled changes in the structure.

Sposób według wynalazku przedstawiono w przykładzie wykonania. Przeprowadzono sposób spawania metodą MIG dwóch blach o wymiarach (500 mm x 500 mm x 8 mm):The method according to the invention is shown in an embodiment. The method of MIG welding of two plates with the following dimensions (500 mm x 500 mm x 8 mm) was carried out:

PL 232 435 B1PL 232 435 B1

Zamontowano na sztywno inżektor z wykorzystaniem chłodzenia membranowego z głowicą spawalniczą (odległość pomiędzy nimi 5 cm). Zajarzono łuk elektryczny początkujący proces z równoczesnym schładzaniem wąską strugą argonu.The injector was rigidly mounted using membrane cooling with a welding head (5 cm distance between them). An electric arc was struck at the beginning of the process with simultaneous cooling with a narrow stream of argon.

Przeprowadzono spawanie z podgrzewaniem wstępnym: 200°C celem wyeliminowania przyklejeń i porowatości. Następnie ukosowano blachy na „V z progiem 1 mm. Przewidziano 3 warstwy ściegowe. W pierwszej warstwie zastosowano następujące parametry: natężenie prądu 170 A, napięcie łuku 23 V, napięcie stałe pulsujące (funkcja 4-takt), prędkość podawania drutu 6 m/min, prędkość spawania 45 cm/min; w drugiej i trzeciej warstwie: natężenie prądu 150 A, napięcie łuku 22 V, napięcie stałe pulsujące (funkcja 4-takt), prędkość podawania drutu 5 m/min, prędkość spawania 40 cm/min. Natężenie przepływu argonu jako gazu osłaniającego wyniosło 15 l/min. Gazem zastosowanym do spawania konstrukcji aluminiowej z wykorzystaniem modułowego chłodzenia membranowego jest w przykładzie argon z ciśnieniem gazu: 0,6 MPa. Średnica schładzającej wąskiej strugi wynosiła 60 mikrometrów.Welding was carried out with preheating: 200 ° C to eliminate sticking and porosity. Then the sheets were chamfered on the "V" with a 1 mm threshold. There are 3 stitch layers. The following parameters were used in the first layer: current 170 A, arc voltage 23 V, pulsating DC voltage (4-step function), wire speed 6 m / min, welding speed 45 cm / min; in the second and third layers: current 150 A, arc voltage 22 V, constant voltage pulsating (4-step function), wire speed 5 m / min, welding speed 40 cm / min. The flow rate of argon as a shielding gas was 15 L / min. The gas used for welding the aluminum structure with the use of modular membrane cooling is in the example argon with a gas pressure of 0.6 MPa. The diameter of the cooling narrow stream was 60 micrometers.

W przykładzie zastosowano płytki wybiegowe dostosowane do kształtu i profilu konstrukcji spawanej.The example uses run-out plates adapted to the shape and profile of the welded structure.

Za głowicą spawalniczą do procesu MIG/MAG lub TIG podąża moduł membranowy schładzający aluminiowe złącze gabarytowej konstrukcji, który wytwarza wąską strugę. Moduł membranowy ma mosiężną obudowę. Spawanie według rozwiązania prowadzi się zarówno dla spoin doczołowych jak i pachwinowych z różnym rodzajem ukosowania.Behind the welding head for the MIG / MAG or TIG process, a membrane module follows the cooling of the aluminum joint of the large structure, which produces a narrow beam. The membrane module has a brass housing. Welding according to the solution is carried out for both butt welds and fillet welds with different types of chamfering.

Po spawaniu wykonuje się standardowe procedury spawalnicze oraz odcięcie dopływu gazu schładzającego.After welding, standard welding procedures are performed and the cooling gas is shut off.

Chłodzenie ma na celu sterowanie strukturą spoiny, w celu uzyskania pożądanych własności mechanicznych, w szczególności odporności na odkształcenia trwałe i odporności na pękanie.The purpose of cooling is to control the weld structure in order to obtain the desired mechanical properties, in particular resistance to permanent deformation and fracture toughness.

Claims

Patent claims

1. The method of welding large-size structures made of aluminum alloys using the TIG, MIG or MAG method, carried out with cooling, characterized in that the cooling of the weld is carried out by means of a membrane module constituting a system of plates with holes, with a cooling gas micrograph diameter from 40 to 60 micrometers and flow velocities of 40 to 50 m / s, with heat transfer coefficients of 30 to 60 kW / m ² K and a cooling rate of 100 ° C / s-400 ° C / s.

2. The method according to p. The process of claim 1, characterized in that helium is preferably used as the cooling gas.

3. The method according to p. The method of claim 1, wherein the lamella arrangement in the membrane module is parallel.