Исследована многопроходная сварка трубных сталей с использованием лазерного излучения.

Дата публикации: 08/02/2010
Категория: Новости лазерных технологий
Версия для печати

Работа выполнена кандидатами техн. наук ИЭС им.Е.О.Патона (Украина, г.Киев) В. Д. Шелягиным и В. Ю. Хаскиным.
К основным задачам сварки магистральных трубопроводов, как и вообще многих конструкций из труб, можно отнести следующие:
• потребность в повышении ресурса эксплуатации сварных соединений (например, за счет уменьшения зернистости металла шва и ЗТВ, что способствует снижению темпов развития межкристаллитной коррозии);
• проектирование и строительство крупных трубопроводных систем (в том числе межконтинентальных и транснациональных) высокого давления (порядка 10-15 МПа для сухопутных и 20-25 МПа для морских трубопроводов);
• использование для строительства трубопроводов новых высокопрочных сталей (Х70, Х80 и Х100);
• повышение производительности труда и автоматизация процесса сварки;
• выполнение сварочных ремонтных работ на современном уровне, отвечающем сформулированным выше задачам. Одним из способов решения указанных задач является применение лазерного излучения.
Благодаря малым размерам сварочной ванны и угла схождения сфокусированного лазерного излучения лазерная сварка предоставляет возможность для значительного уменьшения угла разделки свариваемых кромок.
Сравнительно небольшие значения погонной энергии, обусловленные высокими скоростями лазерной сварки, позволяют минимизировать тепловое воздействие на свариваемые детали, а следовательно, уменьшить размер ЗТВ и снизить остаточные деформации.
Мелкозернистые структуры литого металла шва и металла ЗТВ благотворно влияют на повышении коррозионной стойкости сварных соединений.
В последнее десятилетие был проведен ряд научных исследований, в результате которых появились технические решения, позволяющие использовать лазерную или гибридную лазерно-дуговую сварку для монтажа магистральных трубопроводов.
Так, немецкая фирма VITS совместно с научно-исследовательским институтом ВIAS (г. Бремен) разработала способ однопроходной лазерной сварки неповоротных стыков магистральных трубопроводов с толщиной стенки менее 20 мм излучением мощного (порядка 20 кВт) волоконного лазера. В Институте сварки в Галле (Германия) создана и успешно опробована машина для двухпроходной гибридной лазерно-дуговой сварки неповоротных стыков магистральных труб. Причем второй проход выполняют дуговым способом, т. е. лазерное излучение используют только при формировании корневого шва.
Фирмой «Фрониус» (Австрия) был предложен гибридный тандемный способ сварки сталей, при котором двухдуговой тандем с плавящимся электродом был совмещен с расположенным впереди по ходу сварки лазерным излучением. Исследования лазерной и лазерно-дуговой сварки трубных сталей проводят также в ИЭС им. Е. О. Патона. Для экспериментов по гибридной сварке изначально была принята технологическая схема, когда лазерное излучение располагалось впереди по ходу сварки, а дуга плавящегося электрода — сзади.
При этом основной задачей лазерного излучения было обеспечение требуемой глубины провара, а дуги — формирование верхнего усиления и такое изменение термического цикла сварки, при котором не происходило бы образование нежелательных бейнитных и мартенситных структур. Проведённые эксперименты показали, что при однопроходной сварке сталей толщиной более 5 мм 1 кВт дуговой мощности способен заменить 0,5 кВт мощности лазерного излучения. Это означает, что гибридная сварка позволяет снизить себестоимость применяемого оборудования и погонного метра сварного шва.
Однако выяснилось также, что при фиксированной мощности лазерного излучения максимальная глубина провара также является фиксированным параметром, т. е. при уменьшении скорости сварки в определенный момент этот параметр перестает увеличиваться (растет ширина шва). В данном случае при мощности излучения СО2-лазера до 3 кВт и близкой дуговой мощности глубина провара достигла 10 мм при 30 м/ч.
Следовательно, для сварки трубных сталей больших толщин можно применить два подхода: либо повышать мощность лазерного излучения, либо перейти к многопроходной сварке. Оба эти подхода имеют свои недостатки: первый требует значительных экономических затрат и приводит к снижению длительности термического цикла сварки (а значит, и образованию нежелательных закалочных структур), второй же приводит к понижению производительности. Авторами были проведены исследования многопроходной лазерно-дуговой сварки трубных сталей толщиной до 20 мм в узкую разделку.
Наряду с выбором параметров технологического режима исследовали металлографические особенности полученных образцов и их ударную вязкость. Кроме сварки стыков, исследовался также вопрос лазерной и гибридной сварки корневого шва.
Было установлено, что для получения качественного валика обратного усиления при сварке такого шва, проводимой со стороны разделки, последняя должна быть U-образной или прямоугольной.
При Y-образной разделке происходит утяжка металла шва, что является дефектом при формировании соединения. Задача значительно упрощается при сварке со стороны притупления (со стороны, противоположной разделке). В связи с этим предложен технологический прием получения качественного обратного усиления.
По этой схеме притупление величиной 5-7 мм сваривают излучением СО2-лазера мощностью до 5 кВт без использования присадочной проволоки.
Такой технологический прием позволяет получать усиление высотой порядка 0,5-1,0 мм за счет увеличения объема переплавленного металла.
При этом структура металла шва и металла ЗТВ является мелко зернистой и обладает повышенной стойкостью к коррозии, что является важным моментом, поскольку такой шов предлагается выполнять внутри трубы, т. е. в месте контакта с агрессивной средой.
При использовании предлагаемого технологического приема допустимый зазор между свариваемыми кромками должен составлять 0,1-0,3 мм.
Проведенные по методу Шарпи (на образцах с острым надрезом при температуре минус 20°С) измерения ударной вязкости КСV показали следующее.
При двухпроходной лазерно-дуговой сварке металл шва имеет значительно большую ударную вязкость (по сравнению с ударной вязкостью основного металла), чем при четырехпроходной сварке.
Металл ЗТВ, напротив, при четырехпроходной сварке имеет несколько большую вязкость, чем при двухпроходной (сравнительно с основным металлом).
Это можно объяснить тем, что при четырехпроходной сварке каждый последующий проход воздействует на предыдущий, а при выполняемой с двух сторон образца двухпроходной сварки такое воздействие почти исключается.
Таким образом, при четырехпроходной сварке происходит перекристаллизация металла шва и нормализация металла ЗТВ, а при двухпроходной — преимущественно сохраняются те структуры, которые образовались изначально. Это подтверждают и металлографические исследования. В металлах шва и ЗТВ четырехпроходного образца преобладают феррито-перлитные структуры.
Подобные структуры наблюдаются и в металле шва образца при двухпроходной сварке.
Однако в металле ЗТВ последнего имеются участки верхнего бейнита и мартенсита, что способствует повышению твердости в этих областях свыше предельных значений НВ 260-280. Отметим, что наибольшая твердость наблюдается в месте перехода зоны крупного зерна (ЗКЗ) к зоне мелкого зерна (ЗМЗ).
Это место следует считать наиболее критичным к ударным и циклическим нагрузкам. Именно поэтому образцы для измерения ударной вязкости старались выполнять так, чтобы острый надрез находился в этой зоне.
Полученные результаты свидетельствуют о том, что несмотря на достаточно высокие полученные значения ударной вязкости необходимы дальнейшие разработки, направленные на снижение твердости металла ЗТВ при лазерно-дуговой сварке. При лазерной сварке существует опасность образования закалочных структур как в металле ЗТВ, так и в литом металле шва.
В настоящее время вопросы, связанные с допустимостью таких структур (в связи с их мелкодисперсностью и пластичностью) или их устранением (за счет последующей термообработки или применения дополнительных технологических приемов), находятся на стадии исследований.

Источник: «Сварщик в России», 2009, № 6, с.34-36 / www.welder.kiev.ua

Статьи по теме: