Влияние погонной энергии гибридной лазерно-дуговой сварки на структуру и механические свойства сварных соединений высокопрочных сталей

Abstract

RU: Цель. Преимуществами гибридной лазерно-дуговой сварки при производстве сварных конструкций из высокопрочных сталей являются: значительное (в 3-5 раз) снижение погонной энергии; повышение производительности за счет увеличения скорости сварки на порядок; получение равновесных мелкозернистых структур в швах и ЗТВ, повышающих прочность соединений и снижающих склонность к трещинообразованию. В результате воздействия термического цикла сварки и влияния легирования швов структура и фазовый состав металла шва и зоны термического влияния могут существенно изменяться и, соответственно, влиять на уровень механических свойств и трещиностойкость сварных соединений. Возникает необходимость поиска решений проблемы путем проведения комплексных технологических и материаловедческих экспериментов. Поэтому целью исследований было установление влияния технологических режимов, в первую очередь погонной энергии, гибридной лазерно-дуговой и лазерной (для сравнения) сварки высокопрочной стали на формирование структуры в металле швов сварных соединений, а также анализ влияния этой структуры на их механические свойства. Методика. Исследовалась сталь N-A-XTRA-70, которая широко применяется в странах Евросоюза при изготовлении ответственных конструкций различного назначения. Для проведения экспериментов был создан лабораторный стенд, эксперименты на котором проводились по технологической схеме, предусматривающей расположение дуги плавящегося электрода на некотором расстоянии перед лазерным пучком по ходу сварки. Источником лазерного излучения был Nd:YAG- лазер DY 044 фирмы ROFIN (Германия). Питание дуги плавящегося электрода осуществлялось от сварочного генератора ПСГ- 500. Исследования структурно-фазовых изменений в металле швов и ЗТВ сварных соединений проводили с помощью световой микроскопии. Результаты и научная новизна. Проведенные исследования впервые позволили установить оптимальные технологические режимы лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварки для получения качественных и надежных сварных соединений высокопрочной стали с точки зрения формирования структуры и фазового состава металла, обеспечивающих высокие показатели механических свойств сварных соединений. Практическая значимость. Представленные в статье результаты экспериментальных исследований обладают высокой практической ценностью. Они станут основой для новых перспективных технологических разработок в области лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварки высокопрочных сталей.

UK: Мета. Перевагами гібридного лазерно-дугового зварювання при виробництві зварних конструкцій з високоміцних сталей є значне (в 3-5 раз) зниження погонної енергії; підвищення продуктивності за рахунок збільшення швидкості зварювання на порядок; одержання рівноважних дрібнозернистих структур у швах та ЗТВ, які підвищують міцність з’єднань та знижують схильність до тріщиноутворення. В результаті дії термічного циклу зварювання і впливу легування швів структура та фазовий склад металу шва і зони термічного впливу можуть суттєво змінюватися і, відповідно, впливають на рівень механічних властивостей і тріщиностійкість зварних з’єднань. Виникає необхідність пошуку вирішення проблеми шляхом проведення комплексних технологічних і материалознавчих експериментів. Тому метою досліджень було встановлення впливу технологічних режимів, в першу чергу погонної енергії, гібридного лазерно-дугового та лазерного (для порівняння) зварювання високоміцної сталі на формування структури в металі швів зварних з’єднань, а також аналіз впливу цієї структури на їх механічні властивості. Методика. Досліджувалась сталь N-A-XTRA-70, яка широко застосовується в країнах Євросоюзу при виготовленні відповідальних конструкцій різноманітного призначення. Для проведення експериментів було створено лабораторний стенд, досліди на якому проводилися за технологічною схемою, що передбачає розташування дуги плавкого електрода на певній відстані перед лазерним пучком по ходу зварювання. Джерелом лазерного випромінювання був Nd^AG-лазер DY 044 фірми ROFIN (Німеччина). Живлення дуги плавкого електрода здійснювалося від зварювального генератора ПСГ-500. Дослідження структурно-фазових змін в металі швів та ЗТВ зварних з’єднань проводили за допомогою світлової мікроскопії (оптичні мікроскопи Versamet-2 и Neophot-32), мікротвердість вимірювали на мікротвердомірі М-400 фірми Leco. Результати та наукова новизна. Проведені дослідження вперше дозволили встановити оптимальні технологічні режими лазерного та гібридного лазерно-дугового зварювання для одержання якісних та надійних зварних з’єднань високоміцної сталі з точки зору формування структури і фазового складу металу, які забезпечують високі показники механічних властивостей зварних з’єднань. Практична значимість. Представлені в статті результати експериментальних досліджень мають високу практичною цінністю. Вони стануть основою для нових перспективних технологічних розробок в області лазерного та гібридного лазерно-дугового зварювання високоміцних сталей.

EN: Purpose. The advantages of hybrid laser-arc welding in the production of weldments of high-strength steels are: considerable (in 3-5 times) reduction in energy per unit length; increased productivity through increasing on the order the speed of welding; obtaining equilibrium fine grain structures in the welds and HAZ, which increase the toughness of weld joints and reduces the disposition to the crack formation. As the result of action of the welding thermal cycle and the influence of weld alloying the structure and phase composition of the weld metal and HAZ may change significantly, and, accordingly, influence on the level of mechanical properties and crack resistance of welded joints. The need to find solutions problem appears by conducting complex technological and materials science experiments. Therefore, the purpose of the research is the establishment of the influence of technological modes, primarily the energy per unit length, hybrid laser-arc and laser (for comparison) welding of high strength steel on the formation of structure in the metal welds, as well as analysis of the influence of this structure on their mechanical properties. Methodology. Steel NA-XTRA-70 was investigated because this steel is widely used in the EU countries in the manufacture of critical constructions for various purposes. For the experiments the laboratory stand has been created on which the experiments were carried out in the technological scheme that provides the location of the consumable electrode arc at a certain distance in front of the laser beam in the welding direction. Nd: YAG-laser DY 044 of company ROFIN (Germany) was a laser radiation source. Power for consumable electrode arc was carried out by welding generator PSG-500. Studies of structural and phase changes in the weld metal and HAZ of welds was carried out using by light microscopy (optical microscopes Versamet-2 and Neophot-32), microhardness was measured on M- 400 micro durometer of company Leco. Findings and originality. Carried out researches for the first time allowed to establish optimal technological modes of laser and hybrid laser-arc welding to produce quality and reliable welded joints of high-strength steel from the standpoint the structure formation and phase composition of the metal, providing high mechanical properties of welded joints. Practical value. Presented in the article the results of experimental studies have high practical value. They will form the basis for new perspective technological developments in the field of laser and hybrid laser-arc welding of high strength steels.