Новости

Оценены перспективы применения лазерной и гибридной технологий сварки сталей для повышения эксплуатационного ресурса трубопроводов.

Дата публикации: 24/05/2011
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Описаны эксперименты по разработке приемов многопроходной лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварки трубных сталей. Исследованы структура полученных соединений, а также их ударная вязкость и коррозионная стойкость. В. Д. Шелягиным, к.т.н., В. Ю. Хаскиным к.т.н., А. В. Бернацким, А. В. Сиорой (ИЭС им. Е. О. Патона НАН Украины) показана целесообразность дальнейших разработок соответствующих технологических процессов для применения указанных способов сварки в целях повышения ресурса эксплуатации трубопроводного транспорта.
Рост эксплуатационного ресурса магистральных трубопроводов напрямую связан с дальнейшим повышением качества сварных соединений при высокой производительности сварки. Это особенно актуально для крупных трубопроводных систем, в том числе межконтинентальных и транснациональных, высокого давления (приблизительно 10...15 МПа для сухопутных и 20...25 МПа для морских трубопроводов). Необходимость повышения качества сварки обусловлена также использованием для трубопроводов сталей повышенной прочности (Х70, Х80 и XI00). Одним из путей решения указанных задач является применение лазерного излучения.
Благодаря малым размерам сварочной ванны и угла схождения сфокусированного излучения лазерная сварка дает возможность значительно уменьшить угол разделки свариваемых кромок. Вследствие высокой скорости лазерной сварки сравнительно небольшая погонная энергия позволяет минимизировать тепловое воздействие на свариваемые детали и, следовательно, уменьшить размер зоны термического влияния (ЗТВ) и остаточные деформации. Мелкозернистая структура литого металла шва и ЗТВ способствуют повышению коррозионной стойкости сварных соединений.
За последние десятилетия проведен ряд научных исследований, в результате которых появились технические решения, позволяющие использовать лазерную или гибридную лазерно-дуговую сварку для монтажа магистральных трубопроводов. Так, фирма VITS (г. Лангенселд, Германия) совместно с научно-исследовательским институтом BIAS (г. Бремен, Германия) разработала способ однопроходной лазерной сварки неповоротных стыков магистральных трубопроводов с толщиной стенки 5 < 20 мм с использованием излучения мощного (около 20 кВт) волоконного лазера.
В Институте сварки (г. Галле, Германия) создана и успешно опробована машина для двухпроходной гибридной лазерно-дуговой сварки неповоротных стыков магистральных труб. Причем второй проход выполняли дуговой сваркой, т. е. лазерное излучение использовали только для формирования корневого шва.
Фирмой «Фрониус» (Австрия) предложен гибридный тандемный способ сварки сталей, при котором двухдуговой тандем с плавящимися электродами/совмещен с расположенным впереди по ходу сварки лазерным излучением.
Исследования лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварки трубных сталей проводятся и в ИЭС им. Е. О. Патона. Эксперименты по гибридной лазерно-дуговой сварке изначально выполняли по технологической схеме, когда лазерное излучение расположено впереди по ходу сварки, а дуга плавящегося электрода — сзади. Основной задачей лазерного излучения является достижение требуемой глубины провара, а дуги — формирование верхнего усиления и обеспечение такого термического цикла сварки, при котором не образуются нежелательные бейнитные и мартенситные структуры. Исследования, проводимые по указанной схеме, показали, что при однопроходной сварке сталей толщиной более 5 мм 1,0 кВт мощности дути может заменить 0,5 кВт мощности лазерного излучения. Это означает, что гибридная сварка позволяет снизить себестоимость применяемого оборудования и одного погонного метра сварного шва по сравнению с лазерной сваркой.
Однако выяснилось, что при фиксированной мощности лазерного излучения максимальная глубина провара также является фиксированным параметром, т. е. при уменьшении скорости сварки в определенный момент значение этого параметра перестает увеличиваться (возрастает ширина шва).
В нашем случае при мощности излучения СО2-лазера до 3 кВт и близком значении мощности дуги глубина провара достигает 10 мм при скорости сварки 30 м/ч.
Следовательно, при сварке трубных сталей большей толщины можно либо повышать мощность лазерного излучения, либо использовать многопроходную сварку. Оба эти подхода имеют недостатки: первый требует значительных экономических затрат и снижает длительность термического цикла сварки, а значит, способствует образованию нежелательных закалочных структур; использование второго приводит к понижению производительности.
ИЭС проведены исследования многопроходной лазерно-дуговой сварки трубных сталей толщиной до 20 мм в узкую разделку. Наряду с выбором параметров технологического режима исследовали металлографические особенности образцов стыковых соединений, их коррозионную стойкость и ударную вязкость.
Кроме сварки стыков, исследовали задачу выполнения корневого шва лазерной и гибридной сваркой. Установлено, что для получения качественного валика обратного усиления сварного шва со стороны разделки последняя должна иметь U-образную или прямоугольную форму. В случае Y-образной разделки происходит утяжка металла шва — дефектное формирование соединения.
Задача значительно упрощается при сварке со стороны притупления (противоположной разделке). Для получения качественного обратного усиления нами предлагается выполнять лазерную сварку согласно другой схеме - притупление 5...1 мм, при этом, сваривается излучением СО2-лазера (или лазера другого типа) мощностью до 5 кВт без использования присадочной проволоки. Такой технологический прием позволяет получать усиление высотой около 0,5... 1,0 мм за счет увеличения объема переплавленного металла.
При этом структура металла шва и ЗТВ мелкозернистая и отличается повышенной стойкостью к коррозии, что является важным моментом, поскольку такой шов выполняют внутри трубы — в месте контакта с агрессивной средой. При использовании предлагаемого технологического приема допустимый зазор между свариваемыми кромками не должен превышать 0,1...0,3 мм.
Для оценки электрохимической гетерогенности сварных соединений стали 13Г1СУ, выполненных лазерным, гибридным лазерно-дуговым и дуговым способами сварки, проведены измерения распределения потенциала электрохимической коррозии под каплей. В качестве электролита использовали 3%-й раствор хлористого натрия в воде.
Установлено, что большей гетерогенностью отличается соединение, полученное сваркой дугой с плавящимся электродом.
Соединения, полученные лазерной и гибридной сваркой, характеризуются меньшими показателями потенциала электрохимической коррозии, они более электрохимически гомогенны.
На основании этого можно заключить, что для одних и тех же сталей при использовании одной и той же присадочной (электродной) проволоки и одинаковой газовой защите сварочной ванны лазерная и гибридная способы сварки способны обеспечить большую коррозионную стойкость по сравнению с дуговой сваркой.
Проведенные по методу Шарпи на образцах с острым надрезом при -20 °С измерения ударной вязкости КСV дали следующие результаты.
При двухпроходной лазерно-дуговой сварке металл шва отличается значительно большей ударной вязкостью по сравнению с основным металлом, чем при четырехпроходной сварке.
Металл ЗТВ, напротив, при четырехпроходной сварке имеет несколько большую вязкость, чем при двухпроходной (по сравнению с основным металлом).
Это можно объяснить тем, что при четырехпроходной сварке каждый последующий проход воздействует на предыдущий, а при двухпроходной сварке, выполняемой с двух сторон образца, такое воздействие практически исключается. Таким образом, при четырехпроходной сварке происходит перекристаллизация металла шва и нормализация ЗТВ, а при двухпроходной преимущественно сохраняются те структуры, которые образовались изначально. Это подтверждают и результаты металлографических исследований.
Так, при четырехпроходной сварке в металле шва и ЗТВ преобладают ферритно-перлитные структуры. Подобные структуры имеют место и в металле шва, выполненного за два прохода. Однако в металле ЗТВ последнего формируются участки верхнего бейнита и мартенсита, что способствует повышению твердости этих участков свыше предельных значений (НВ 260...280).
В металле ЗТВ наибольшая твердость наблюдается в месте перехода зоны крупного зерна к зоне мелкого зерна, наиболее критичной к ударным и циклическим нагрузкам. Именно поэтому образцы для измерения ударной вязкости, значения, старались выполнять так, чтобы острый надрез приходился на эту зону.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что несмотря на достаточно высокие значения ударной вязкости необходимы дальнейшие исследования, направленные на снижение твердости ЗТВ при лазерно-дуговой сварке.
Однако следует учитывать, что при данном способе сварки, как и при лазерной сварке, существует опасность образования закалочных структур в металле ЗТВ и в литом металле шва. В настоящее время вопрос о том, допустимы ли такие структуры (в связи с их мелкодисперсностью и пластичностью) или их следует устранять путем последующей термообработки или применения дополнительных технологических приемов, находятся на стадии исследований.
Таким образом, результаты исследований структуры сварных соединений трубных сталей, полученных многопроходной лазерной и лазерно-дуговой сваркой, а также их ударной вязкости и коррозионной стойкости, позволяют считать указанные способы сварки перспективными для повышения ресурса эксплуатации трубопроводного транспорта. Гибридная лазерно-дуговая сварка трубных сталей (δ > 5 мм) позволяет снизить мощность лазерного излучения и частично заменить ее более дешевой мощностью электрической дуги из расчета мощность 1,0 кВт дуги вместо 0,5 кВт мощности лазерного излучения.
При мощности лазерного излучения до 3 кВт применение гибридного процесса сварки сталей целесообразно при толщине листа до 10 мм, свыше этого значения глубина проплавления не возрастает даже при снижении скорости сварки. Для сварки листов большой толщины целесообразно использовать излучение большей мощности.
С этой целью рекомендовано применение многопроходной лазерной или гибридной сварки. При гибридной сварке ширина шва и ЗТВ больше по сравнению с лазерной.
Повышение скорости сварки и содержания углерода в основном металле приводит к образованию в ЗТВ нежелательных мартенситных структур. Способы устранения этого недостатка требуют дальнейшего изучения.

Источник: «Автоматическая сварка», 2010, № 10, с.37-40 / www.nas.gov.ua/pwj

Статьи по теме:

страницы: 1