eng
Выпуск #3/2025
М. В. Кузнецов, М. В. Ларин, Д. А. Кузнецова, А. А. Попович
Оценка остаточных деформаций сварного соединения, образованного при различных способах сварки
Оценка остаточных деформаций сварного соединения, образованного при различных способах сварки
Просмотры: 1319
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2025.19.3.192.209
В работе изложены результаты сравнения лазерных и дуговых способов сварки. Были разработаны режимы для лазерной, гибридной лазерно-дуговой и лазерной сварки с присадочной проволокой пластин из Ст3 толщиной 10 мм. На разработанных режимах сварено по три контрольных стыка для каждого способа сварки. Проведены металлографические исследования, показывающие стабильное формирование сварного соединения и отсутствие внутренних дефектов. Проведена оценка остаточных деформаций для следующих видов сварки: лазерная, гибридная лазерно-дуговая, лазерная с присадочной проволокой, односторонняя и двусторонняя ручная дуговая, односторонняя и двусторонняя механизированная в активных газах и смесях. Контрольные образцы по каждому виду сварки были проанализированы на уровень остаточных деформаций после сварки методом сравнения геометрических размеров и с помощью 3D-сканирования. Проведен сравнительный технико-экономический анализ способов сварки.
В работе изложены результаты сравнения лазерных и дуговых способов сварки. Были разработаны режимы для лазерной, гибридной лазерно-дуговой и лазерной сварки с присадочной проволокой пластин из Ст3 толщиной 10 мм. На разработанных режимах сварено по три контрольных стыка для каждого способа сварки. Проведены металлографические исследования, показывающие стабильное формирование сварного соединения и отсутствие внутренних дефектов. Проведена оценка остаточных деформаций для следующих видов сварки: лазерная, гибридная лазерно-дуговая, лазерная с присадочной проволокой, односторонняя и двусторонняя ручная дуговая, односторонняя и двусторонняя механизированная в активных газах и смесях. Контрольные образцы по каждому виду сварки были проанализированы на уровень остаточных деформаций после сварки методом сравнения геометрических размеров и с помощью 3D-сканирования. Проведен сравнительный технико-экономический анализ способов сварки.
Теги: 3d scanning 3d сканирование hybrid laser-arc welding laser-beam welding laser welding with filler wire residual deformations гибридная лазерно-дуговая сварка лазерная сварка лазерная сварка с присадочной проволокой остаточные деформации
Оценка остаточных деформаций сварного соединения, образованного при различных способах сварки
М. В. Кузнецов, М. В. Ларин, Д. А. Кузнецова, А. А. Попович
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
В работе изложены результаты сравнения лазерных и дуговых способов сварки. Были разработаны режимы для лазерной, гибридной лазерно-дуговой и лазерной сварки с присадочной проволокой пластин из Ст3 толщиной 10 мм. На разработанных режимах сварено по три контрольных стыка для каждого способа сварки. Проведены металлографические исследования, показывающие стабильное формирование сварного соединения и отсутствие внутренних дефектов. Проведена оценка остаточных деформаций для следующих видов сварки: лазерная, гибридная лазерно-дуговая, лазерная с присадочной проволокой, односторонняя и двусторонняя ручная дуговая, односторонняя и двусторонняя механизированная в активных газах и смесях. Контрольные образцы по каждому виду сварки были проанализированы на уровень остаточных деформаций после сварки методом сравнения геометрических размеров и с помощью 3D-сканирования. Проведен сравнительный технико-экономический анализ способов сварки.
Ключевые слова: лазерная сварка, гибридная лазерно-дуговая сварка, лазерная сварка с присадочной проволокой, остаточные деформации, 3D сканирование
Статья получена:07.04.2025
Статья принята: 28.04.2025
ВВЕДЕНИЕ
В РФ крайне актуален вопрос инновационного развития отечественной промышленности. Не последнюю роль при создании инновационной продукции играет сварка и родственные технологии: до 50% валового продукта в тяжелом машиностроении создается с помощью сварки и родственных технологий и до 67% металлопроката используется для изготовления сварных конструкций [1].
Как правило, сварные металлоконструкции изготавливают с использованием способов ручной дуговой сварки (РДС), механизированной полуавтоматической сварки в газах и смесях (МПС) или дуговой сварки под флюсом. В процессе подготовки свариваемых деталей требуется подготовка свариваемых кромок, включающая снятие фасок, как правило, с углом скоса кромок до 60 градусов. Далее осуществляют сварку с зачисткой сварного шва после каждого прохода. Например, при сварке образцов толщиной 60 мм методом РДС осуществляют до 74 проходов [2]. Это достаточно трудоемкий процесс, ведущий к снижению производительности процесса изготовления конечного продукта, повышению количества расходуемой электроэнергии, сварочных материалов и увеличению вероятности образования внутренних дефектов.
Также одной из проблем при образовании сварных соединений являются сварочные деформации. Появляющиеся в результате сварки деформации, прежде всего, затрудняют процесс сборки крупногабаритных конструкций, состоящих из отдельных сварных блоков, узлов и секций, ухудшают внешний вид, эксплуатационные характеристики конструкции и требуют введения дополнительных операций по устранению сварочных деформаций: последующая термическая обработка, предварительный выгиб, компенсационные швы, устранение предварительно введенного припуска до нескольких десятков миллиметров на стыковку компонентов и пр.
В связи с особенностями дуговых процессов сварки их использование в современном производстве, зачастую, не соответствуют предъявляемым требованиям в первую очередь по производительности и энергоэффективности.
Наиболее перспективными способами сварки, удовлетворяющими вышеуказанным требованиям, являются лазерная сварка (ЛС) [3, 4], гибридная лазерно-дуговая сварка (ГЛДС) [5–7] и лазерная сварка с присадочной проволокой (ЛСПП) [8, 9], которые обладают рядом преимуществ перед традиционными способами: локальность воздействия, минимальный энерговклад, минимальные ширина зоны термического воздействия (ЗТВ) и деформации.
В рамках данной работы была поставлена задача всестороннего исследования влияния различных способов сварки на уровень остаточных деформаций, энергетический вклад и ширину зоны термического влияния (ЗТВ) образованных сварных соединений, а также на экономическую эффективность применения каждого метода.
1. Экспериментальное и исследовательское оборудование
1.1. Экспериментальное оборудование
Разработку режимов ЛС, ГЛДС и ЛСПП, а также сварку контрольных образцов проводили на роботизированном технологическом комплексе гибридной лазерно-дуговой сварки (РТК ГЛДС) в научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», Института машиностроения материалов и транспорта Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (НИЛ «ЛиАТ» ИММиТ СПбПУ) (рис. 1). Сварку образцов способами РДС и МПС выполнили сотрудники ООО «ИСО» (Инжиниринг. Строительство. Обслуживание.).
В целях безопасности РТК ГЛДС выполнен в защитной кабине, предотвращающей опасное действие отраженного лазерного излучения. Кабина оснащена окнами со световыми фильтрами, камерами видеонаблюдения и вентиляцией. Состав РТК ГЛДС представлен в табл. 1. Параметры лазерного источника указаны в табл. 2. Каустика пучка представлена на рис. 2.
1.2. Исследовательское оборудование
Качество формирования сварных соединений исследовали по поперечным макрошлифам, изготовленным с использованием автоматического шлифовально-полировального станка PRESI MECATECH 234. Металлографические исследования образцов проводили на инвертированном оптическом микроскопе IM7400L (Meiji Techno, Япония). 3D-сканирование образцов до и после сварки проводили с использованием 3D сканера ScanTech модели TrackScan P42.
2. Сварочные материалы
В работе использовали образцы (пластины) размером 300 × 100 × 10 мм, изготовленные из стали марки Ст3. Под каждый способ сварки была подготовлена разделка: для РДС и МПС согласно ГОСТ 5264‑80‑С25 (рис. 3). При РДС применяли электрод Э50А согласно ГОСТ 9467‑75, при МПС приняли сварочную проволоку ОК AristoRod 12/63 ∅1,2 мм.
Разделки для ЛС, ГЛДС и ЛСПП представлены на рис. 3. Для замера остаточных деформаций в пластинах было сделано по три отверстия диаметром 3 мм. Чертеж пластины представлен на рис. 5.
Свариваемые кромки пластин и область шириной 1 см от кромок предварительно зачищали с использованием углошлифовальной машинки до металлического блеска и обезжиривали ацетоном. Перед сваркой пластины укладывали в жесткую оснастку и фиксировали (рис. 6).
В случае ГЛДС и ЛСПП применяли сварочную проволоку POWER PIPE 60R диаметром 1,2 мм. Химический состав проволоки представлен в табл. 3.
Для обеспечения локальной защиты сварочной ванны использовали смесь газов Ar/СО2 в соотношении 80%/20%.
3. Проведение эксперимента
При разработке технологии ЛС, ГЛДС и ЛСПП осуществляли одиночные проплавные швы на разных режимах. Критериями определения оптимального режима сварки являлись: сквозное проплавление, стабильное и качественное формирование валиков с лицевой и обратной сторон, отсутствие дефектов. При разработке режимов варьировали основные технологические параметры: мощность лазерного излучения (PL) в диапазоне от 2 000 Вт до 10 000 Вт; скорость сварки (V) от 20 мм/сек до 30 мм/сек; изменение расстояния от лазерной головки до свариваемой поверхности (dF) от –4 мм до +1 мм, скорость подачи проволоки (Vпп) от 0,6 м/мин до 1,2 м/мин, расход защитного газа (R) от 25 л/мин до 50 л/мин. На выбранном режиме было сварено по три контрольных стыка для каждого способа с целью исследования остаточных деформаций. Перед сваркой пластины прихватывали с обратной стороны стыка на режиме сварки.
Для последующего анализа деформаций перед установкой прихваток, и после сварки измеряли расстояния S1, S2, S3, S4, S5 согласно схеме, представленной на рис. 7.
4. Сварка образцов
4.1. Сварка образцов дуговыми способами
Контрольные образцы, изготовленные способами РДС и МПС образованы соответственно при сварке с одной стороны (РДС1 и МПС1) за 3 прохода и сварке с 2х сторон (РДС2 и МПС2) за 4 прохода. Виды сваренных образцов с торца представлены на рис. 8.
4.2. Сварка образцов лазерными способами
Параметры режимов, при которых были сварены контрольные образцы способами ЛС, ГЛДС, ЛСПП приведены в табл. 4. На рис. 9 представлен вид сваренных образцов с торца.
5. Металлографические исследования
При металлографическом исследовании были изготовлены поперечные макрошлифы сварных соединений образцов для каждого способа сварки (рис. 10). На фотографиях макроструктур наблюдается отсутствие внутренних дефектов (кроме МПС1), таких как поры, трещины и несплавления. На поперечном макрошлифе МПС1 обнаружен дефект в виде несплавления длиной около 2 мм, шириной до 0,5 мм. Согласно требованиям УЗК (СТО00220256-005-2005), предъявляемым при контроле швов, данный дефект допустим.
По результатам анализа макрошлифов, было отмечено, что при ЛС и ГЛДС ширина ЗТВ в 7–8 раз меньше по сравнению шириной ЗТВ сварных швов, образованных при способах МПС и РДС и составила 0,32 мм и 0,4 мм соответственно.
В результате контроля микроструктруры исследуемых образцов (ЛС; ГЛДС; ЛСПП; РДС1; РДС2; МПС1; МПС2) были выявлены дефекты в виде многочисленных пор. Эти дефекты могут быть связаны с технологией производства стали, либо с наличием неметаллических включений, а также газовой пористостью, возникающей в процессе рекристаллизации.
На рис. 11 представлена микроструктура основного металла исследуемых образцов. Видно, что структура металла однородная и равномерная, без признаков полосчатости. Структура представляет собой феррито-перлитную смесь, с соотношением феррита к перлиту 35/65% по шкале 7 ГОСТ 8233‑56.
Анализ размера зерна показал, что величина у всех образцов соответствует 7–8 баллу, а вблизи сварного шва – 8–9 баллу по шкале 1 ГОСТ 5639‑82. На рис. 12 представлена микроструктура сварных шфов для каждого способа сварки.
Анализ микроструктуры сварного соединения, включая зону сварного шва, зону сплавления и зону термического влияния, представлен в табл. 5.
6. Анализ остаточных деформаций и технико-экономическое обоснование способов сварки
6.1. Результаты анализа остаточных деформаций методом измерения расстояний между отверстиями
Остаточные деформации для лазерных способов сварки оценивали путем сравнения размеров S1, S2, S3, S4, S5 (рис. 10), полученных до сварки и после. Измерения осуществляли с использованием ШЦ‑1 с лицевой стороны шва для всех трех контрольных стыков, образованных способами ЛС, ГЛДС, ЛСПП, после чего определяли среднее арифметическое значение для каждого размера.
В табл. 6 приведены результаты измерений, а также указана разница между этими значениями.Согласно данным (табл. 6), наименьшие остаточные деформации наблюдаются при ГЛДС и ЛС: в продольном сечении 0,21 мм и 0,26 мм соответственно; в поперечном сечении деформации не зафиксированы.
Максимальные значения деформаций наблюдаются при ЛСПП: в продольном направлении – 0,79 мм; в поперечном направлении – 0,25 мм. Сопоставимые деформации при МПС2: 0,81 мм и 0,32 мм соответственно. С целью проверки результатов измерения дополнительно были проведены измерения остаточных деформаций методом 3D сканирования.
6.2. Анализ остаточных деформаций методом 3D сканирования
Для подтверждения результатов анализа деформаций сварных швов (таблица 5), образованных с использованием лазерных способов сварки в НИЛ «ЛиАТ» ИММиТ СПбПУ, все контрольные образцы были отсканированы после сварки с использованием 3D сканером TrackScan P42. В программе GeoMagic Control X отсканированные модели образцов сравнивали с эталонным образцом, не имеющим деформаций, после чего строили карту отклонений (рис. 12).
Результаты измерений отклонений по 6 точкам по модулю представлены в табл. 7. Схема измерения по 6‑ти точкам представлена на рис. 14.
Исходя из результатов расчета, максимальные отклонения зафиксированы при ЛСПП и составили 0,87 мм. Минимальные отклонения зафиксированы при ГЛДС – 0,3 мм и ЛС – 0,38 мм, что можно обосновать минимальными погонной энергией и шириной ЗТВ.
6.3. Технико-экономическое обоснование способов сварки
Сравнительный анализ эффективности способов сварки осуществляли с использованием поперечных макрошлифов сварных соединений.
По результатам анализа определили, что погонная энергия при ЛС и ГЛДС ниже в 6,5 раз по сравнению с данным показателем при ЛСПП и до 15 раз по сравнению с РДС и МПС. Расход сварочной проволоки при сравнении аналогичных способов сварки также в 9,5 раз ниже по сравнению с ЛСПП и до 14 раз ниже чем при дуговых способах сварки. Расход защитного газа ниже в 33,3 раза по сравнению с ЛСПП и до 32 раз по сравнению с дуговыми способами. На рис. 15 представлена диаграмма сравнения способов сварки в процентах (%) от максимального значения по показателю.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам проведенного всестороннего исследования влияния различных способов сварки на уровень остаточных деформаций, энергетический вклад и ширину зоны термического влияния (ЗТВ) образованных сварных соединений, а также на экономическую эффективность установлено, что:
REFERENCES
Lopota A., Afanas’eva A., Velichko O. Tekhniko-ekonomicheskie aspekty vnedreniya tekhnologii gibridnoj lazerno-dugovoj svarki v otechestvennoj promyshlennosti. Sbornik 6‑j mezhdunarodnoj konferencii «Luchevye tekhnologii i primenenie lazerov». – Sankt-Peterburg. 2010; 423–429.
Лопота А., Афанасьева А., Величко О. Технико-экономические аспекты внедрения технологии гибридной лазерно-дуговой сварки в отечественной промышленности. Сборник 6‑й международной конференции «Лучевые технологии и применение лазеров». – Санкт-Петербург. 2010; 423–429.
Hu X. et al. Influence of lumping passes on calculation accuracy and efficiency of welding residual stress of thick-plate butt joint in boiling water reactor. Engineering Structures. 2020; 222: 111136.
Anufriev D. A., Procenko V. G., Larin M. V., Kuznecov M. V., Kuryncev S. V. Lazernaya svarka krivolinejnyh shvov zagotovok iz stali 03H17N14M3 tolshchinoj 10 mm. Svarka i Diagnostika. 2024;1: 33–36.
Ануфриев Д. А., Проценко В. Г., Ларин М. В., Кузнецов М. В., Курынцев С. В. Лазерная сварка криволинейных швов заготовок из стали 03Х17Н14М3 толщиной 10 мм. Сварка и Диагностика. 2024;1: 33–36.
Anufriev D. A., Procenko V. G., Larin M. V., Kuznecov M. V., PevznerYA. B., Grinin O. I., Kuryncev S. V. Vysokoskorostnaya lazernaya svarka stali 316L tolshchinoj 10 mm. Svarka i Diagnostika. 2023;4:39–44.
Ануфриев Д. А., Проценко В. Г., Ларин М. В., Кузнецов М. В., Певзнер Я. Б., Гринин О. И., Курынцев С. В. Высокоскоростная лазерная сварка стали 316L толщиной 10 мм. Сварка и Диагностика. 2023;4:39–44.
Bunaziv I., Ren X., Olden V. A comparative study of laser-arc hybrid welding with arc welding for fabrication of offshore substructures. Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing. 2023; 2626(1):012033.
Peli S., Bonaldo F., Riva M. Welding of 20 mm thick EH40 steel by means of a single-pass hybrid laser-arc welding technique. Procedia CIRP. 2024;124: 394–398.
Gook S. et al. Joining 30 mm thick shipbuilding steel plates EH36 using a process combination of hybrid laser arc welding and submerged arc welding. Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2022; 6(4): 84.
Li J. et al. Analysis and improvement of laser wire filling welding process stability with beam wobble. Optics & Laser Technology. 2021; 134: 106594.
Voropaev A. A., Protsenko V. G., Anufriyev D. A., Kuznetsov M. V., Mukhin A. A., Sviridenko M. N., Kuryntsev S. V. Influence of Laser BeamWobbling Parameters on Microstructure and Properties of 316L Stainless Steel Multi Passed Repaired Parts. Materials. 2022;15:722. DOI: 10.3390/ma15030722.
АВТОРЫ
Кузнецов Михаил Валерьевич, к. т. н. заведующий научно-исследовательской лабораторией «Лазерные и аддитивные технологии», директор Российско-Германского центра лазерных технологий Института машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: гибридная лазерно-дуговая сварка, лазерная сварка, аддитивные технологии, лазерная наплавка, прямое лазерное выращивание. E-mail: kuznetsov_mich@mail.ru
ORCID: 0000-0002-9981-1078
Ларин Максим Васильевич, инженер научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», м. н. с. Российско-Германского центра лазерных технологий Института машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: гибридная лазерно-дуговая сварка, лазерная сварка, аддитивные технологии, лазерная наплавка, прямое лазерное выращивание.
ORCID: 0000-0002-6382-7561
Кузнецова Дарья Александровна, инженер научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии» Института машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: исследование структуры и свойств литейных сплавов, технологии получения и модификации наноматериалов и покрытий, микроструктурный анализ.
ORCID: 0009-0003-3938-5710
Попович Анатолий Анатольевич, д. т. н., профессор, директор Института машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: разработка теоретических основ и эффективных технологий получения порошков тугоплавких соединений и сплавов на их основе в условиях высокотемпературного механохимического синтеза, создание новых анодных и катодных материалов для литий-ионных полимерных аккумуляторов, аддитивные технологии.
ORCID: 0000-0002-5974-6654
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы внесли свой вклад в работу в соответствии с распределением задач. С текстом согласны.
М. В. Кузнецов, М. В. Ларин, Д. А. Кузнецова, А. А. Попович
Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого, Санкт-Петербург, Россия
В работе изложены результаты сравнения лазерных и дуговых способов сварки. Были разработаны режимы для лазерной, гибридной лазерно-дуговой и лазерной сварки с присадочной проволокой пластин из Ст3 толщиной 10 мм. На разработанных режимах сварено по три контрольных стыка для каждого способа сварки. Проведены металлографические исследования, показывающие стабильное формирование сварного соединения и отсутствие внутренних дефектов. Проведена оценка остаточных деформаций для следующих видов сварки: лазерная, гибридная лазерно-дуговая, лазерная с присадочной проволокой, односторонняя и двусторонняя ручная дуговая, односторонняя и двусторонняя механизированная в активных газах и смесях. Контрольные образцы по каждому виду сварки были проанализированы на уровень остаточных деформаций после сварки методом сравнения геометрических размеров и с помощью 3D-сканирования. Проведен сравнительный технико-экономический анализ способов сварки.
Ключевые слова: лазерная сварка, гибридная лазерно-дуговая сварка, лазерная сварка с присадочной проволокой, остаточные деформации, 3D сканирование
Статья получена:07.04.2025
Статья принята: 28.04.2025
ВВЕДЕНИЕ
В РФ крайне актуален вопрос инновационного развития отечественной промышленности. Не последнюю роль при создании инновационной продукции играет сварка и родственные технологии: до 50% валового продукта в тяжелом машиностроении создается с помощью сварки и родственных технологий и до 67% металлопроката используется для изготовления сварных конструкций [1].
Как правило, сварные металлоконструкции изготавливают с использованием способов ручной дуговой сварки (РДС), механизированной полуавтоматической сварки в газах и смесях (МПС) или дуговой сварки под флюсом. В процессе подготовки свариваемых деталей требуется подготовка свариваемых кромок, включающая снятие фасок, как правило, с углом скоса кромок до 60 градусов. Далее осуществляют сварку с зачисткой сварного шва после каждого прохода. Например, при сварке образцов толщиной 60 мм методом РДС осуществляют до 74 проходов [2]. Это достаточно трудоемкий процесс, ведущий к снижению производительности процесса изготовления конечного продукта, повышению количества расходуемой электроэнергии, сварочных материалов и увеличению вероятности образования внутренних дефектов.
Также одной из проблем при образовании сварных соединений являются сварочные деформации. Появляющиеся в результате сварки деформации, прежде всего, затрудняют процесс сборки крупногабаритных конструкций, состоящих из отдельных сварных блоков, узлов и секций, ухудшают внешний вид, эксплуатационные характеристики конструкции и требуют введения дополнительных операций по устранению сварочных деформаций: последующая термическая обработка, предварительный выгиб, компенсационные швы, устранение предварительно введенного припуска до нескольких десятков миллиметров на стыковку компонентов и пр.
В связи с особенностями дуговых процессов сварки их использование в современном производстве, зачастую, не соответствуют предъявляемым требованиям в первую очередь по производительности и энергоэффективности.
Наиболее перспективными способами сварки, удовлетворяющими вышеуказанным требованиям, являются лазерная сварка (ЛС) [3, 4], гибридная лазерно-дуговая сварка (ГЛДС) [5–7] и лазерная сварка с присадочной проволокой (ЛСПП) [8, 9], которые обладают рядом преимуществ перед традиционными способами: локальность воздействия, минимальный энерговклад, минимальные ширина зоны термического воздействия (ЗТВ) и деформации.
В рамках данной работы была поставлена задача всестороннего исследования влияния различных способов сварки на уровень остаточных деформаций, энергетический вклад и ширину зоны термического влияния (ЗТВ) образованных сварных соединений, а также на экономическую эффективность применения каждого метода.
1. Экспериментальное и исследовательское оборудование
1.1. Экспериментальное оборудование
Разработку режимов ЛС, ГЛДС и ЛСПП, а также сварку контрольных образцов проводили на роботизированном технологическом комплексе гибридной лазерно-дуговой сварки (РТК ГЛДС) в научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», Института машиностроения материалов и транспорта Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (НИЛ «ЛиАТ» ИММиТ СПбПУ) (рис. 1). Сварку образцов способами РДС и МПС выполнили сотрудники ООО «ИСО» (Инжиниринг. Строительство. Обслуживание.).
В целях безопасности РТК ГЛДС выполнен в защитной кабине, предотвращающей опасное действие отраженного лазерного излучения. Кабина оснащена окнами со световыми фильтрами, камерами видеонаблюдения и вентиляцией. Состав РТК ГЛДС представлен в табл. 1. Параметры лазерного источника указаны в табл. 2. Каустика пучка представлена на рис. 2.
1.2. Исследовательское оборудование
Качество формирования сварных соединений исследовали по поперечным макрошлифам, изготовленным с использованием автоматического шлифовально-полировального станка PRESI MECATECH 234. Металлографические исследования образцов проводили на инвертированном оптическом микроскопе IM7400L (Meiji Techno, Япония). 3D-сканирование образцов до и после сварки проводили с использованием 3D сканера ScanTech модели TrackScan P42.
2. Сварочные материалы
В работе использовали образцы (пластины) размером 300 × 100 × 10 мм, изготовленные из стали марки Ст3. Под каждый способ сварки была подготовлена разделка: для РДС и МПС согласно ГОСТ 5264‑80‑С25 (рис. 3). При РДС применяли электрод Э50А согласно ГОСТ 9467‑75, при МПС приняли сварочную проволоку ОК AristoRod 12/63 ∅1,2 мм.
Разделки для ЛС, ГЛДС и ЛСПП представлены на рис. 3. Для замера остаточных деформаций в пластинах было сделано по три отверстия диаметром 3 мм. Чертеж пластины представлен на рис. 5.
Свариваемые кромки пластин и область шириной 1 см от кромок предварительно зачищали с использованием углошлифовальной машинки до металлического блеска и обезжиривали ацетоном. Перед сваркой пластины укладывали в жесткую оснастку и фиксировали (рис. 6).
В случае ГЛДС и ЛСПП применяли сварочную проволоку POWER PIPE 60R диаметром 1,2 мм. Химический состав проволоки представлен в табл. 3.
Для обеспечения локальной защиты сварочной ванны использовали смесь газов Ar/СО2 в соотношении 80%/20%.
3. Проведение эксперимента
При разработке технологии ЛС, ГЛДС и ЛСПП осуществляли одиночные проплавные швы на разных режимах. Критериями определения оптимального режима сварки являлись: сквозное проплавление, стабильное и качественное формирование валиков с лицевой и обратной сторон, отсутствие дефектов. При разработке режимов варьировали основные технологические параметры: мощность лазерного излучения (PL) в диапазоне от 2 000 Вт до 10 000 Вт; скорость сварки (V) от 20 мм/сек до 30 мм/сек; изменение расстояния от лазерной головки до свариваемой поверхности (dF) от –4 мм до +1 мм, скорость подачи проволоки (Vпп) от 0,6 м/мин до 1,2 м/мин, расход защитного газа (R) от 25 л/мин до 50 л/мин. На выбранном режиме было сварено по три контрольных стыка для каждого способа с целью исследования остаточных деформаций. Перед сваркой пластины прихватывали с обратной стороны стыка на режиме сварки.
Для последующего анализа деформаций перед установкой прихваток, и после сварки измеряли расстояния S1, S2, S3, S4, S5 согласно схеме, представленной на рис. 7.
4. Сварка образцов
4.1. Сварка образцов дуговыми способами
Контрольные образцы, изготовленные способами РДС и МПС образованы соответственно при сварке с одной стороны (РДС1 и МПС1) за 3 прохода и сварке с 2х сторон (РДС2 и МПС2) за 4 прохода. Виды сваренных образцов с торца представлены на рис. 8.
4.2. Сварка образцов лазерными способами
Параметры режимов, при которых были сварены контрольные образцы способами ЛС, ГЛДС, ЛСПП приведены в табл. 4. На рис. 9 представлен вид сваренных образцов с торца.
5. Металлографические исследования
При металлографическом исследовании были изготовлены поперечные макрошлифы сварных соединений образцов для каждого способа сварки (рис. 10). На фотографиях макроструктур наблюдается отсутствие внутренних дефектов (кроме МПС1), таких как поры, трещины и несплавления. На поперечном макрошлифе МПС1 обнаружен дефект в виде несплавления длиной около 2 мм, шириной до 0,5 мм. Согласно требованиям УЗК (СТО00220256-005-2005), предъявляемым при контроле швов, данный дефект допустим.
По результатам анализа макрошлифов, было отмечено, что при ЛС и ГЛДС ширина ЗТВ в 7–8 раз меньше по сравнению шириной ЗТВ сварных швов, образованных при способах МПС и РДС и составила 0,32 мм и 0,4 мм соответственно.
В результате контроля микроструктруры исследуемых образцов (ЛС; ГЛДС; ЛСПП; РДС1; РДС2; МПС1; МПС2) были выявлены дефекты в виде многочисленных пор. Эти дефекты могут быть связаны с технологией производства стали, либо с наличием неметаллических включений, а также газовой пористостью, возникающей в процессе рекристаллизации.
На рис. 11 представлена микроструктура основного металла исследуемых образцов. Видно, что структура металла однородная и равномерная, без признаков полосчатости. Структура представляет собой феррито-перлитную смесь, с соотношением феррита к перлиту 35/65% по шкале 7 ГОСТ 8233‑56.
Анализ размера зерна показал, что величина у всех образцов соответствует 7–8 баллу, а вблизи сварного шва – 8–9 баллу по шкале 1 ГОСТ 5639‑82. На рис. 12 представлена микроструктура сварных шфов для каждого способа сварки.
Анализ микроструктуры сварного соединения, включая зону сварного шва, зону сплавления и зону термического влияния, представлен в табл. 5.
6. Анализ остаточных деформаций и технико-экономическое обоснование способов сварки
6.1. Результаты анализа остаточных деформаций методом измерения расстояний между отверстиями
Остаточные деформации для лазерных способов сварки оценивали путем сравнения размеров S1, S2, S3, S4, S5 (рис. 10), полученных до сварки и после. Измерения осуществляли с использованием ШЦ‑1 с лицевой стороны шва для всех трех контрольных стыков, образованных способами ЛС, ГЛДС, ЛСПП, после чего определяли среднее арифметическое значение для каждого размера.
В табл. 6 приведены результаты измерений, а также указана разница между этими значениями.Согласно данным (табл. 6), наименьшие остаточные деформации наблюдаются при ГЛДС и ЛС: в продольном сечении 0,21 мм и 0,26 мм соответственно; в поперечном сечении деформации не зафиксированы.
Максимальные значения деформаций наблюдаются при ЛСПП: в продольном направлении – 0,79 мм; в поперечном направлении – 0,25 мм. Сопоставимые деформации при МПС2: 0,81 мм и 0,32 мм соответственно. С целью проверки результатов измерения дополнительно были проведены измерения остаточных деформаций методом 3D сканирования.
6.2. Анализ остаточных деформаций методом 3D сканирования
Для подтверждения результатов анализа деформаций сварных швов (таблица 5), образованных с использованием лазерных способов сварки в НИЛ «ЛиАТ» ИММиТ СПбПУ, все контрольные образцы были отсканированы после сварки с использованием 3D сканером TrackScan P42. В программе GeoMagic Control X отсканированные модели образцов сравнивали с эталонным образцом, не имеющим деформаций, после чего строили карту отклонений (рис. 12).
Результаты измерений отклонений по 6 точкам по модулю представлены в табл. 7. Схема измерения по 6‑ти точкам представлена на рис. 14.
Исходя из результатов расчета, максимальные отклонения зафиксированы при ЛСПП и составили 0,87 мм. Минимальные отклонения зафиксированы при ГЛДС – 0,3 мм и ЛС – 0,38 мм, что можно обосновать минимальными погонной энергией и шириной ЗТВ.
6.3. Технико-экономическое обоснование способов сварки
Сравнительный анализ эффективности способов сварки осуществляли с использованием поперечных макрошлифов сварных соединений.
По результатам анализа определили, что погонная энергия при ЛС и ГЛДС ниже в 6,5 раз по сравнению с данным показателем при ЛСПП и до 15 раз по сравнению с РДС и МПС. Расход сварочной проволоки при сравнении аналогичных способов сварки также в 9,5 раз ниже по сравнению с ЛСПП и до 14 раз ниже чем при дуговых способах сварки. Расход защитного газа ниже в 33,3 раза по сравнению с ЛСПП и до 32 раз по сравнению с дуговыми способами. На рис. 15 представлена диаграмма сравнения способов сварки в процентах (%) от максимального значения по показателю.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
По результатам проведенного всестороннего исследования влияния различных способов сварки на уровень остаточных деформаций, энергетический вклад и ширину зоны термического влияния (ЗТВ) образованных сварных соединений, а также на экономическую эффективность установлено, что:
- наименьшие сварочные деформации зафиксированы при ГЛДС (0,21–0,3 мм), а также при ЛС, где деформации оказались в 4 раза ниже, чем при ЛСПП;
- наименьшая ширина ЗТВ зафиксирована при ЛС и ГЛДС – 0,32 мм и 0,4 мм соответственно, что до 8 раз меньше чем при РДС и МПС.
- погонная энергия при ЛС и ГЛДС ниже в 6,5 раз по сравнению с ЛСПП и до 15 раз по сравнению с РДС и МПС.
- расход сварочной проволоки при сравнении аналогичных способов сварки также в 9,5 раз ниже по сравнению с ЛСПП и до 14 раз ниже чем при дуговых способах сварки.
- расход защитного газа ниже в 33,3 раза по сравнению с ЛСПП и до 32 раз ниже по сравнению с дуговыми способами.
REFERENCES
Lopota A., Afanas’eva A., Velichko O. Tekhniko-ekonomicheskie aspekty vnedreniya tekhnologii gibridnoj lazerno-dugovoj svarki v otechestvennoj promyshlennosti. Sbornik 6‑j mezhdunarodnoj konferencii «Luchevye tekhnologii i primenenie lazerov». – Sankt-Peterburg. 2010; 423–429.
Лопота А., Афанасьева А., Величко О. Технико-экономические аспекты внедрения технологии гибридной лазерно-дуговой сварки в отечественной промышленности. Сборник 6‑й международной конференции «Лучевые технологии и применение лазеров». – Санкт-Петербург. 2010; 423–429.
Hu X. et al. Influence of lumping passes on calculation accuracy and efficiency of welding residual stress of thick-plate butt joint in boiling water reactor. Engineering Structures. 2020; 222: 111136.
Anufriev D. A., Procenko V. G., Larin M. V., Kuznecov M. V., Kuryncev S. V. Lazernaya svarka krivolinejnyh shvov zagotovok iz stali 03H17N14M3 tolshchinoj 10 mm. Svarka i Diagnostika. 2024;1: 33–36.
Ануфриев Д. А., Проценко В. Г., Ларин М. В., Кузнецов М. В., Курынцев С. В. Лазерная сварка криволинейных швов заготовок из стали 03Х17Н14М3 толщиной 10 мм. Сварка и Диагностика. 2024;1: 33–36.
Anufriev D. A., Procenko V. G., Larin M. V., Kuznecov M. V., PevznerYA. B., Grinin O. I., Kuryncev S. V. Vysokoskorostnaya lazernaya svarka stali 316L tolshchinoj 10 mm. Svarka i Diagnostika. 2023;4:39–44.
Ануфриев Д. А., Проценко В. Г., Ларин М. В., Кузнецов М. В., Певзнер Я. Б., Гринин О. И., Курынцев С. В. Высокоскоростная лазерная сварка стали 316L толщиной 10 мм. Сварка и Диагностика. 2023;4:39–44.
Bunaziv I., Ren X., Olden V. A comparative study of laser-arc hybrid welding with arc welding for fabrication of offshore substructures. Journal of Physics: Conference Series. – IOP Publishing. 2023; 2626(1):012033.
Peli S., Bonaldo F., Riva M. Welding of 20 mm thick EH40 steel by means of a single-pass hybrid laser-arc welding technique. Procedia CIRP. 2024;124: 394–398.
Gook S. et al. Joining 30 mm thick shipbuilding steel plates EH36 using a process combination of hybrid laser arc welding and submerged arc welding. Journal of Manufacturing and Materials Processing. 2022; 6(4): 84.
Li J. et al. Analysis and improvement of laser wire filling welding process stability with beam wobble. Optics & Laser Technology. 2021; 134: 106594.
Voropaev A. A., Protsenko V. G., Anufriyev D. A., Kuznetsov M. V., Mukhin A. A., Sviridenko M. N., Kuryntsev S. V. Influence of Laser BeamWobbling Parameters on Microstructure and Properties of 316L Stainless Steel Multi Passed Repaired Parts. Materials. 2022;15:722. DOI: 10.3390/ma15030722.
АВТОРЫ
Кузнецов Михаил Валерьевич, к. т. н. заведующий научно-исследовательской лабораторией «Лазерные и аддитивные технологии», директор Российско-Германского центра лазерных технологий Института машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: гибридная лазерно-дуговая сварка, лазерная сварка, аддитивные технологии, лазерная наплавка, прямое лазерное выращивание. E-mail: kuznetsov_mich@mail.ru
ORCID: 0000-0002-9981-1078
Ларин Максим Васильевич, инженер научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии», м. н. с. Российско-Германского центра лазерных технологий Института машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: гибридная лазерно-дуговая сварка, лазерная сварка, аддитивные технологии, лазерная наплавка, прямое лазерное выращивание.
ORCID: 0000-0002-6382-7561
Кузнецова Дарья Александровна, инженер научно-исследовательской лаборатории «Лазерные и аддитивные технологии» Института машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: исследование структуры и свойств литейных сплавов, технологии получения и модификации наноматериалов и покрытий, микроструктурный анализ.
ORCID: 0009-0003-3938-5710
Попович Анатолий Анатольевич, д. т. н., профессор, директор Института машиностроения, материалов и транспорта, федеральное автономное образовательное учреждение высшего образования «Санкт-Петербургский политехнический университет Петра Великого», Санкт-Петербург, Россия. Область научных интересов: разработка теоретических основ и эффективных технологий получения порошков тугоплавких соединений и сплавов на их основе в условиях высокотемпературного механохимического синтеза, создание новых анодных и катодных материалов для литий-ионных полимерных аккумуляторов, аддитивные технологии.
ORCID: 0000-0002-5974-6654
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. Все авторы внесли свой вклад в работу в соответствии с распределением задач. С текстом согласны.
Отзывы читателей
