Гибридная лазерно-дуговая сварка низколегированных сталей повышенной прочности тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Кузнецов Михаил Валерьевич
Кузнецов Михаил Валерьевич
кандидат наук
2022
- Специальность ВАК РФ00.00.00
- Количество страниц 163
Оглавление диссертации кандидат наук Кузнецов Михаил Валерьевич
ВВЕДЕНИЕ
1. Аналитический обзор
1.1 Краткая история развития ГЛДС
1.2 Текущее состояние исследований
1.3 Теоретические представления о гибридной лазерно-дуговой сварке
1.4 Выводы по главе
2 Методика эксперимента
2.1 Выбор марки стали, типа и марки сварочной проволоки
2.2 Выбор формы разделки и параметров, оказывающих наибольшее влияние на термический цикл лазерно-дуговой сварки
2.2.1 Выбор формы и геометрии разделки
2.2.2 Выбор параметров режима ГЛДС
2.3 Планирование эксперимента
2.4 Выбор экспериментального оборудования
2.4.1 Экспериментальное и исследовательское оборудование
2.4.1.1.Экспериментальное оборудование
2.4.1.2. Исследовательское оборудование
2.4.1.3 Методы контроля сварных соединений
2.4.2. Экспериментальное оборудование для валидации математической модели
3. Разработка квазистационарной математической модели, прогнозирующей влияние зазора на геометрию сварного соединения при дуговой сварке и ГЛДС
3.1 Разработка математической модели
3.1.1 Расчёт температурного поля в полубесконечном теле от действия поверхностного дугового источника нагрева
3.1.2 Описание источника нагрева от расположенного в зазоре расплавленного металла электрода
3.1.3 Суммарное температурное полей от вышеописанных источников
3.1.4 Описание лазерного источника нагрева
3.1.5 Валидация математической модели
4. Результаты эксперимента
4.1 Влияние параметров режима ГЛДС на скорость охлаждения металла околошовной зоны
4.2 Результаты исследования микроструктуры металла швов
4.3 Влияние параметров режима ГЛДС на изменение прочностных характеристик сварных соединений
4.4 Результаты испытания металла шва на удар
4.5 Экспериментальная верификация результатов регрессионного анализа
4.6 Выводы по главе
5. Технологические рекомендации по ведению ГЛДС низколегированных сталей повышенной прочности больших толщин и практическая значимость результатов работы
5.1 Технологические рекомендации
5.2 Практическая значимость результатов работы
Заключение
Список сокращений и условных обозначений
Список литературы
Приложение А. Микроструктура сварных соединений
Приложение Б. Диаграммы растяжения образцов
Приложение В. Графики твёрдости сварных соединений
Приложение Г. Графики силы и работы копра при испытании образцов на удар160
ВВЕДЕНИЕ
На данный момент в РФ крайне актуален вопрос инновационного развития отечественной промышленности. При этом особое внимание следует уделить тем отраслям, продукция которых в силу своей значимости и уникальности позволит не только удовлетворить спрос на внутреннем и успешно конкурировать на внешнем рынке, но и задать тренд развития других, связанных с ней отраслей отечественной промышленности. К таким отраслям в первую очередь относятся: транспортное машиностроение (судостроение) и тяжёлое машиностроение (трубная промышленность).
Не последнюю роль при создании продукции в выше перечисленных отраслях играет сварка и родственные технологии. Так, по некоторым оценкам [1], до 50% валового продукта в тяжёлом машиностроении создаётся с помощью сварки и родственных технологий и до 67% металлопроката используется для изготовления сварных конструкций. При этом используемые в отечественном тяжёлом машиностроении дуговые технологии сварки не соответствуют предъявляемым требованиям в первую очередь по производительности и энергоэффективности.
Наиболее перспективной технологией сварки, удовлетворяющей вышеуказанным требованиям, является гибридная лазерно-дуговая сварка (ГЛДС) [2-10]. При ГЛДС два источника (лазерный луч и электрическая дуга) воздействуют одновременно на материал в области общей сварочной ванны, при стабилизации дугового разряда благодаря плазменному факелу, образованному при воздействии лазерного излучения на материал. В результате комбинации источников нагрева возможность сварки по зазору и варьирования механическими свойствами сварного соединения, присущая дуговой сварке, объединяется с высокой скоростью процесса и большой глубиной проплавления характерной для лазерной сварки, рисунук
Затвердева расплав
Электрод
Дуга
Рисунок 1 - Схема ГЛДС
Этот процесс наиболее привлекателен при изготовлении сварных конструкций из металлов больших толщин, обеспечивая снижение затрат электроэнергии и сварочных материалов, низкие сварочные деформации, узкую зону термического влияния, снижение требований к подготовке кромок (по сравнению с лазерной и электронно-лучевой сваркой) и высокую производительность.
В ряде технически развитых стран, таких как Германия, Финляндия, Япония, США и т.д. ГЛДС находит широкое применение в различных отраслях промышленности. Более того, в Японии ГЛДС считается наиболее перспективным направлением сварочных технологий [11]. ГЛДС используют либо в перспективе можно использовать в судостроении (сварка труб, предварительно собранных наборов при изготовлении секций) [8,12-24], автомобильной промышленности при изготовлении каркаса двери (Фольксваген Фаэтон), конструкции крыши (Ауди А2, А6, А8), подъёмников для грузовых автомобилей [8,15,17,18,25-28], производстве высокоскоростных поездов, каркасов и тележек железнодорожных вагонов [15-17,24,29], изготовлении конструкций мостов [16,30], космической и авиационной промышленности
[18,31,32], производстве труб высокого давления и магистралей газонефтепроводов [16,18,19,33-39], химической промышленности, энергетике [18] и других отраслях [40].
Внедрение ГЛДС в мировой промышленности обусловлено её всесторонним исследованием, ведущая роль в которых принадлежит в первую очередь иностранным исследовательским коллективам: Институт соединений и сварки (Осака, Япония), Федеральный институт тестирования и испытания материалов (Берлин, Германия), Технологический университет Лулео (Лулео, Швеция), Институт сварки (Кэмбридж, Великобритания), Научно-исследовательский центр перспективных промышленных технологий (Даллас, США), Харбинский институт сварки (Харбин, Китай), Институт электросварки им. Е. О. Патона (Киев, Украина). В России можно отметить несколько исследовательских центров: Институт лазерных и сварочных технологий (Санкт-Петербургский государственный морской технический университет, Санкт-Петербург), НИЯУ «Московский инженерно-физический институт» (Москва), Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (Москва) и др.
Возросший интерес к ГЛДС связан с появлением мощных лазерных источников, в частности, оптоволоконных лазеров, сместивших акцент развития ГЛДС в область сварки металлов больших толщин. Так вышеперечисленными исследовательскими институтами в основном осуществлены экспериментальные исследования влияния параметров режима ГЛДС, погонной энергии, типа лазерных источников, пространственного положения сварки на качество формирования и механические свойства сварного соединения. Также часть работ посвящена сравнительному анализу сварных соединений, образованных при различных способах сварки: дуговой, лазерной, лазерной сварки с присадочной проволокой и ГЛДС. К теоретическим исследованиям, проведённым в данной области, можно отнести разработку модели плавления электрода, анализ характеристик дуги и параметров лазерного излучения при его прохождении через дуговой разряд; исследование формирования плазменного факела. Также
созданы модели для прогнозирования распределения температуры и потоков расплава сварочной ванны, а также прогнозирования порообразования в сварном шве. Наиболее интересными являются модели динамического поведения сварочной ванны, позволяющие в том числе прогнозировать геометрию, структуру и механические свойства сварного соединения.
Несмотря на всестороннее изучение ГЛДС, следует отметить, что часть исследований было выполнено с использованием СО2-лазеров, генерирующих лазерное излучение с длинной волны 10,6 мкм и меньшим значением коэффициента поглощения лазерного излучения материалом по сравнению с излучением иттербиевых волоконных лазеров, обладающих длиной волны 1,07 мкм. Значительное количество работ посвящено ГЛДС металлов малых толщин из-за наличия источника лазерного излучения с недостаточной выходной мощностью. Обнаружены противоречивые данные относительно взаимного расположения источников нагрева при ГЛДС и расстояния между ними. Недостаточно изучены диапазоны параметров режима ГЛДС, для достижения максимальной эффективности и производительности процесса, при образовании сварных соединений, удовлетворяющих требованиям к формированию и механическим свойствам. Недостаточно изучено влияние пространственного положения сварки и зазора между свариваемыми изделиями на формирование сварного соединения, распределение легирующих элементов сварочного электрода в металле шва, а также эффективность и производительность ГЛДС. К недостаткам теоретического исследования следует отнести отсутствие математического описания влияния ширины зазора между свариваемыми изделиями на геометрию сварного шва при ГЛДС. Исходя из выше описанных пробелов в исследовании ГЛДС, можно сформулировать цель и поставить задачи.
Цель работы: исследовать влияние параметров гибридного лазерно-дугового источника нагрева на формирование сварного соединения при сварке низколегированных сталей повышенной прочности
Задачи работы:
1. Исследовать влияние параметров гибридного лазерно -дугового процесса на формирование сварного соединения, глубину проникновения легирующих элементов сварочного электрода и эффективность ГЛДС.
2. Разработать математическую модель, прогнозирующую влияние зазора между свариваемыми изделиями на геометрию сварного шва при ГЛДС.
3. На основе регрессионного анализа и результатов экспериментального исследования получить уравнения регрессии, прогнозирующие механические свойства сварных швов при ГЛДС низколегированных сталей класса прочности К65 (Х80).
4. Разработать технологические рекомендации по ведению ГЛДС низколегированных сталей повышенной прочности.
Научная новизна.
1. Экспериментально установлено, что гибридный лазерно-дуговой источник нагрева при сварке металлов больших толщин обладает максимальной эффективностью в вертикальном пространственном положении (термодинамический к.п.д. составляет около 43%, что на 36% и 28% выше по сравнению с тем же показателем в нижнем пространственном положении (НПП) и горизонтальном пространственном положении (ГПП) соответственно) при наличии зазора между свариваемыми образцами 1 мм, обеспечивающем проникновение легирующих элементов сварочного электрода на глубину до 20 мм в случае ведущего положения дуги с воздействием лазерного излучения на ванну расплава в области катодного пятна.
2. На базе аналитических решений уравнения теплопроводности разработана математическая модель, прогнозирующая геометрию сварного шва при ГЛДС с зазором с погрешностью до 15%.
3. Установлено, что наличие подогрева до 1800С при ГЛДС низколегированной стали класса прочности К65 (Х80) позволяет увеличить производительность сварки более чем на 67%.
4. На базе регрессионного анализа получены уравнения, прогнозирующие влияние параметров режима на механические свойства сварного шва, при ГЛДС низколегированных сталей класса прочности К65 (Х80) - К90 (Х120) с толщиной притупления до 14 мм.
Теоретическая и практическая значимость работы.
1. Разработаны технологии основного и корневого прохода при ГЛДС низколегированных сталей толщиной от 7 мм до 20 мм в различных пространственных положениях.
2. Разработанная на базе аналитических решений уравнения теплопроводности математическая модель позволяет прогнозировать геометрию сварного шва, образованного при ГЛДС с зазором с инженерной точностью, что позволяет оперативно подбирать параметры режима сварки.
3. Использование подогрева при ГЛДС низколегированной стали класса прочности К65 (Х80) позволяет увеличить производительность сварки более чем на 67%.
4. Уравнения, полученные на базе регрессионного анализа, позволяют с инженерной точностью прогнозировать влияние параметров режима на механические свойства сварного шва, образованного при ГЛДС низколегированных сталей класса прочности К65 (Х80) - К90 (Х120) с толщиной притупления до 14 мм.
5. Разработаны технологические рекомендации по ведению ГЛДС низколегированных сталей повышенной прочности, обеспечивающие реализацию сварки с образованием сварных соединений с качественным формированием, минимальным количеством внутренних и внешних дефектов при максимальной эффективности и производительности процесса сварки.
Методология и методы исследования.
Экспериментальные исследования влияния параметров режима на микроструктуру и механические свойства металла шва проводили согласно
методике центрального композиционного планирования. В качестве источников лазерного излучения использовали иттербиевые волоконные лазеры YLR-20000 и ЛС-15; в качестве дуговых источников - сварочный полуавтомат Qineo Pulse 600 и сварочный выпрямитель ВДУ-1500 DC. Предварительный подогрев образцов осуществляли с использованием сварочного трансформатора GLW 450 I-H-P-R. Измерение скорости охлаждения термических циклов сварки осуществляли с помощью программного обеспечения HBM Catman 6.0 и термопар К-типа. Для наблюдения за сварочной ванной использовали скоростную видео камеру Centurio C100. Оценку качества сварных соединений осуществляли методами визуального и рентгеновского контроля согласно стандарту EN ISO 13919-1 с использованием демонстрационной версии программного обеспечения ISee 1.7.3. Для оценки геометрии сварных соединений использовали поперечные макрошлифы. Исследование микроструктуры осуществляли с использованием оптического микроскопа Polyvar Met; химический анализ - с использованием растрового электронного микроскопа Mira Tescan с приставкой Oxford INCA Wave 500. Механические испытания сварных соединений проводили согласно стандартов DIN EN ISO 14577 (измерение твёрдости), DIN EN ISO 10045 (испытание на удар), DIN 501255 и DIN EN ISO 6892-1 (изготовление и испытание образцов на статический разрыв. Оценку механических свойств сварных соединений осуществляли согласно требованиям стандарта ГОСТ ISO 3183 «Трубы стальные для трубопроводов нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия». Также был использован метод регрессионного анализа и аналитические решения уравнения теплопроводности для предельного состояния от действия поверхностного дугового источника нагрева в полубесконечном теле.
Положения, выносимые на защиту.
1. Результаты экспериментальных исследований влияния параметров ГЛДС на формирование, микроструктуру и механические свойства сварного соединения, глубину проникновения легирующих элементов сварочного электрода в металле шва и эффективность сварки.
2. Результаты математического моделирования теплопереноса при ГЛДС с зазором.
3. Результаты экспериментального исследования влияния параметров режима на скорость охлаждения металла околошовной зоны, микроструктуру и механические свойства сварных соединений, образованных при ГЛДС низколегированной стали класса прочности К65 (Х80).
4. Результаты регрессионного анализа влияния параметров режима ГЛДС на механические свойства сварного шва.
Степень достоверности и апробация результатов. Использование современного экспериментального и исследовательского оборудования, методов контроля полученных результатов, а также достаточный для инженерных расчётов уровень сходимости результатов экспериментальных и теоретических исследований свидетельствуют о высокой степени достоверности полученных результатов.
Основные результаты диссертационной работы доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Лучевые технологии и применение лазеров» Санкт-Петербург, 2009, 2012, 2015; Научно-практической конференции с международным участием «XLI неделя науки СПбГПУ», Санкт-Петербург, 2012; Международной научно-технической конференции «Инновационные сварочные технологии в судостроении, производстве морской техники и строительстве береговых объектов», Санкт-Петербург, 2013; Международной научно-технической конференции «Сварка и родственные технологии в экстремальных и особых условиях», Санкт-Петербург, 2014; 16-й Международной конференции «Оптика лазеров», Санкт-Петербург, 2014; 8-й Международной конференции «Лучевые технологии» (LANE); Фюрт, Германия, 2014; V Международной научно-практической конференции «Инновационные технологии и экономика в машиностроении», Юрга, 2014, 15-й Международной конференции «Лазерная обработка материалов в Скандинавии» (NOLAMP), Лаппеенранта, Финляндия, 2015; 16-й Международной конференции «Лазерная
обработка материалов в Скандинавии» (NOLAMP), Ольбург, Дания, 2017; 10-й Международной конференции «Лучевые технологии» (LANE); Фюрт, Германия,
Результаты, описанные в данной работе, актуальны для отраслей транспортного и тяжёлого машиностроения и могут быть использованы в качестве технологических основ ГЛДС низколегированных сталей повышенной прочности при изготовлении сварных металлоконструкций.
Диссертационная работа выполнена в Федеральном институте исследования и испытания материалов (БАМ, г. Берлин, Германия) и Институте лазерных и сварочных технологий Санкт-Петербургского государственного морского технического университета (г. Санкт-Петербург, Россия). Исследования проводили в рамках Федеральной целевой программы Министерства образования и науки РФ, грантов Правительства Санкт-Петербурга, стипендии Президента Российской Федерации для обучения за рубежом студентов и аспирантов российских вузов, а также договоров с предприятиями судостроительной и трубной промышленности: АО «Центр технологии судостроения и судоремонта», ЗАО «Ижорский трубопрокатный завод» и др.
Основные результаты диссертации представлены в 1м учебном пособии, 1м патенте и 18ти научных работах, 3и из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень ВАК, 8 - в журналах, входящих в базу Scopus.
1. Цибульский И.А., Кузнецов М.В., Сомонов В.В. Технология лазерно-дуговой сварки металлов больших толщин // 6-я Международная конференция «Лучевые технологии и применение лазеров» Россия, Санкт-Петербург, 23-29 сентября, 2009. С
2. Туричин Г.А. Гибридная лазерно-дуговая сварка металлов больших толщин / Г.А. Туричин, И.А. Цибульский, М.В. Кузнецов, В.В. Сомонов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2010. №4. С
3. Туричин Г.А. Перспективы внедрения лазерно-дугового процесса для сварки металлов больших толщин / Г.А. Туричин, И.А. Цибульский, М.В. Кузнецов, В.В. Сомонов // РИТМ. 2010. №10. С
4. Туричин Г.А. Решение обратной задачи по определению параметров режима гибридной Laser-Mag сварки для получения требуемых свойств сварного соединения стали 09Г2ФБЮ / Г.А. Туричин, И.А. Цибульский, М.В. Кузнецов, В.В. Сомонов // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2011. № 3 (130). С
5. Цибульский И.А. Разработка технологии гибридной лазерно-дуговой сварки сталей для судостроения и строительства трубопроводов / И.А. Цибульский, Г.А. Туричин, Е.В. Земляков, Е.А. Валдайцева, М.В. Кузнецов, В.В. Сомонов // 7-я Международная конференция «Лучевые технологии и применение лазеров» Россия, Санкт-Петербург, 18-21 сентября, 2012. С
6. Кузнецов М.В., Туричин Г.А. Исследование структуры металла шва при гибридной лазерно-дуговой сварке высокопрочной низколегированной стали Х80 // Материалы научно-практической конференции с международным участием «XLI неделя науки СПбГПУ», Россия, Санкт-Петербург, 3-8 декабря, 2012. - С
7. Туричин Г.А. Лазерно-дуговая сварка в различных пространственных положениях / Г.А. Туричин, И.А. Цибульский, М.В. Кузнецов, А.Д. Ахметов, О.В. Величко // Научно-технические ведомости СПбГПУ. 2013. Т.1. №183. С
8. Туричин Г.А., Цибульский И.А., Кузнецов М.В. Гибридная сварка сталей больших толщин в различных пространственных положениях // Мир сварки. 2013. №3-4. С
9. Turichin G. Design of mobile hybrid laser-arc welding system on the base of 20 kW fiber laser / G.Turichin, O. Velichko, A. Kuznetsov, Ja. Pevzner, O. Grinin, M. Kuznetsov // International Conference Laser Optics, Russia, St. Petersburg,
10. Цибульский И.А., Кузнецов М.В., Ахметов А.Д. Влияние пространственного положения и зазора между свариваемыми пластинами на эффективность лазерно -дуговой сварки // В сборнике: Инновационные технологии и экономика в машиностроении. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Томск. 2014. С
11. I. Tsibulskiy, M. Kuznetsov, A. Akhmetov. Effect of welding position and gap between samples on hybrid laser arc welding efficiency //Applied Mechanics and Materials. 2014. Vol.682. P
12. Туричин Г.А. Гибридная лазерно-дуговая сварка броневых сталей / Туричин Г.А., Цибульский И.А., Кузнецов М.В. // В сборнике: Обработка материалов: современные проблемы и пути решения. Сборник трудов Всероссийской научно-практической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. Ответственный редактор Д.А. Чинахов
13. Turichin G. Hybrid Laser Arc Welding of X80 Steel: Influence of Welding Speed and Preheating on the Microstructure and Mechanical Properties / G. Turichin, M. Kuznetsov, M. Sokolov, A. Salminen // Physics Procedia. 2015. Vol. 78. P
14. Turichin G. Influence of the Gap Width on the Geometry of the Welded Joint in Hybrid Laser-Arc Welding / G. Turichin, I. Tsibulskiy, M. Kuznetsov, A. Akhmetov, M. Mildebrath, T. Hassel // Physics Procedia. 2015. Vol. 78. P
15. Туричин Г. А. Технология гибридной лазерно-дуговой сварки: учеб. пособие / Г. А. Туричин, И. А. Цибульский, М. В. Кузнецов. - СПб.: изд-во Политехн. ун-та,
2015. - 48 с.
16. Пат. 2539256 Российская Федерация, МПК - В23К 31/02 (2006.01); В23К 26/282 (2014.01); В23К 26/348 (2014.01). Способ лазерно-дуговой орбитальной сварки / Величко О.В., Туричин Г.А., Цибульский И.А., Кузнецов М.В., Осипов В.В.; заявитель и патентообладатель ООО «Центр лазерных технологий». - заявл. 27.09.2013; опубл. 20.01.2015. Бюл. №2. - с
17. Туричин Г.А. Гибридная лазерно-дуговая сварка высокопрочных сталей больших толщин / Туричин Г.А., Цибульский И.А., Кузнецов М.В., Ахметов А.Д., Климова-Корсмик О.Г. // В сборнике: BEAM TECHNOLOGIES & LASER APPLICATION. Proceedings of the International scientific and technical Conference.
2016.
18. Туричин Г.А. Влияние зазора на эффективность гибридной лазерно-дуговой сварки / Туричин Г.А., Цибульский И.А., Кузнецов М.В., Ахметов А.Д.,
Мильдебратх М., Хассель Т., Головин П.А. // В сборнике: BEAM TECHNOLOGIES & LASER APPLICATION. Proceedings of the International scientific and technical Conference
19. Turichin G. Hybrid Laser-Arc Welding Tanks Steels / Turichin G., Tsibulskiy I., Kuznetsov M., Akhmetov A., Klimova-Korsmik O. // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, 2016, 125(1).
20. Turichin G. Hybrid Laser-Arc Welding of the High-Strength Shipbuilding Steels: Equipment and Technology / G. Turichin, M. Kuznetsov, I. Tsibulskiy, A. Firsova // Physics Procedia. 2017. Vol. 89. P
21. Turichin G. Influence of heat input and preheating on the cooling rate, microstructure and mechanical properties at the hybrid laser-arc welding of API 5L X80 steel / G. Turichin, M. Kuznetsov, A. Pozdnyakov, S. Gook, A. Gumenyuk, M. Rethmeier // Procedia CIRP. 2018. Vol. 74. P
22. Turichin G. Laser-Arc hybrid welding perspective ultra-high strength steels: Influence of the chemical composition of weld metal on microstructure and mechanical properties / Turichin G., Kuznetsov M., Klimova-Korsmik O., Sklyar M., Zhitenev A., Kurakin A., Pozdnyakov A. // Procedia CIRP
23. Туричин Г.А. Опыт ИЛИСТ в изготовлении изделий с использованием лазерных технологий / Туричин Г.А., Кузнецов М.В. // В книге: Газотранспортные системы: настоящее и будущее (GTS-2019). Тезисы докладов по материалам VIII Международной научно-технической конференции
Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и включает в себя 163 страницы, 60 рисунков, 25 таблиц, 4 приложения и список литературы из 159 источников.
Автор выражает особую благодарность директору Института лазерных и сварочных технологий и научному руководителю - доктору технических наук Туричину Глебу Андреевичу, за научное руководство, терпение и понимание, начальнику Отдела моделирования и информационных технологий Валдайцевой Екатерине Александровне за помощь в разработке математической модели, сотрудникам Федерального института исследований и испытаний материалов
(Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung) Гуменюк Андрею и Гоок Сергею за помощь в проведении экспериментальных исследований.
Все выносимые на защиту результаты и положения диссертационной работы получены и разработаны автором лично, либо при его непосредственном участии. Автор участвовал в постановке и проведении всех экспериментов, а также в обработке всех полученных результатов.
1. Аналитический обзор
1.1 Краткая история развития ГЛДС
Развитие лазерно-дуговых процессов началось с конца 70-х годов ХХ-го века коллективом английских исследователей во главе с Уильямом Стином М. Б1ееп). Стин предложил способы сварки, резки, сверления и обработки поверхности, при которых на обрабатываемое изделие одновременно воздействуют лазерное излучение и электрическая дуга.
Далее (начало 1980-х годов), в течение буквально двух-трех лет, в Японии появляются оригинальные технические решения практического использования лазерно-дуговой обработки металлов. Следуя хронологии развития лазерно-дуговых методов обработки металлов, в 1982 г. научный коллектив японских ученых предложил использование лазерного излучения при дуговой сварке плавящимся электродом с целью термообработки сварного соединения. Планировалось позади дуговой горелки установить лазерную головку и в процессе сварки осциллировать лазерное излучение в поперечном направлении относительно траектории перемещения.
Другая группа японских исследователей также в 1982 году предложила при лазерной сварке подавать присадочную проволоку в факел приповерхностной плазмы несколько впереди луча лазера и осуществлять ее подогрев с помощью дополнительного источника тепла (вспомогательной дуги, пламени газовой горелки и т. п.).
В следующем варианте совместного использования лазерного излучения и электрической дуги, последнюю располагали с обратной стороны пластины с целью её подогрева в процессе лазерной сварки. В данном варианте источники нагрева имели общую ванну расплава [1]. В этом случае можно говорить о первом применении ГЛДС.
1.2 Текущее состояние исследований
В наши дни ГЛДС бурно изучают в научно-исследовательских институтах ряда стран. Один из них - Институт электросварки им. Е. О. Патона [42-46]. Учёными данного института исследовано влияние мощности лазерного излучения на стабильность горения дуги и качество формирования сварного шва (рисунок 2), а также отмечено снижение твёрдости металла шва, образованного при ГЛДС по сравнению с процессом лазерной сварки. Исследования проводили с использованием СО2 - лазера.
и
т
с
о я
н и
ь н
л а
и в
б о
а р
т и
с м
а р
к о
н е ф
ц
О
0.6 1.2 1.8 Р. кВт
Рисунок 2 - Изменение стабильности формирования верхнего валика сварного соединения в зависимости от мощности лазерного излучения
Сотрудниками Бременского института прикладной лучевой технологии описаны результаты сравнения ГЛДС с применением Nd:YAG и углекислотного источников лазерного излучения. Авторы отметили снижение погонной энергии и деформаций пластин при использовании твёрдотельного лазера [47].
При исследовании влияния отношения мощностей дугового и лазерного источников на геометрию сварного соединения при ГЛДС в качестве источника лазерного излучения использовали СО2-лазер. В результате эксперимента было замечено увеличение разбрызгивания и ширины шва при повышении тока и напряжения дуги, а также увеличение глубины проплавления и снижение ширины шва на поверхности пластины при увеличении мощности лазерного излучения.
При исследовании влияния угла разделки на глубину проплавления выявлена прямая зависимость, рисунок 3 [48,49].
Рисунок 3 - Влияние угла разделки на глубину проплавления
Значения твёрдости металла швов, полученных дуговой, лазерной и ГЛДС, согласуются с результатами работ [42-46], рисунок
Рисунок 4 - Результаты измерения твердости сварных соединений, полученных
дуговой, лазерной и ГЛДС Сравнительный анализ микроструктуры и механических свойств металла швов, полученных при лазерной и ГЛДС низколегированной стали с использованием твёрдотельного высокомощного лазера проводили в Кембриджском университете. По результатам анализа можно говорить о более высоких механических характеристиках металла шва, образованного при ГЛДС
плавящимся электродом в связи с изменением его микроструктуры с бейнитной на игольчатый феррит за счёт легирующих элементов присадочной проволоки [50-52].
В Лаборатории прикладных исследований Пенсильванского государственного университета изучали влияние скорости сварки и расстояния между осями луча лазера и электрода на геометрию сварного соединения при ГЛДС с ведущим положением первого, рисунок 5 [53]. В качестве источника лазерного излучения использовали Кё:УЛО-лазер.
0.5 м/мин 0,75 м/мин 1.0 м/мин
Рисунок 5 - Зависимость геометрии сварного соединения от скорости сварки и расстояния между электродом и лучом лазера Исследования показали, что рост глубины проплавления напрямую зависит от увеличения скорости сварки и растояния между лучом лазера и электродом.
Исследованию влияния расстояния между лучом СО2-лазера и электродом, величины заглубления фокусного расстояния луча лазера, мощности лазерного
излучения, формы разделки и ширины зазора на глубину проплавления при ГЛДС металлов больших толщин (до 15 мм) низколегиованных сталей посвящены работы [54-58].
Результаты исследований показали образование максимальной глубины проплавления при расстоянии между осями лазерного излучения и сварочного электрода равном 0 мм (рисунок 6), а также заглублении фокусного расстояния на 5 и 7 мм от поверхности притупления в зависимости от формы разделки, рисунок 7. С увеличением мощности лазерного излучения при лазерной сварке и ГЛДС обнаружен рост глубины проплавления, рисунок
12
С с"
плавлен <о о 5 кВт лазер 0.5 м/мин + 400 А ДПЭ
о
с 03 45°
ю \ / 7 мм
£ 1 1 **
-2 0 2 4 6 8 Расстояние между осями сварочного электрода и лазерного излучения
Рисунок 6 - Влияние расстояния между осями сварочного электрода и лазерного излучения на глубину проплавления при ГЛДС плавящимся электродом
а
Расстояние от фокальной плоскости луча лазера до поверхности притупления, мм
Рисунок 7 - Влияние положения фокальной плоскости лазерного излучения на глубину проплавления при различной геометрии разделки: а - лазерная сварка и
ГЛДС; б - ГЛДС
Рекомендованный список диссертаций по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Механизмы управления структурой сварного шва при лазерной сварке за счет ультразвукового воздействия или использования электрической дуги2022 год, кандидат наук Воронцов Андрей Владимирович
Исследование и развитие технологических основ сварки высокоазотистых коррозионностойких Cr-Ni-Mn-Mo аустенитных сталей2020 год, кандидат наук Костина Валентина Сергеевна
Разработка физико-технологических основ лазерной сварки конструкционных сталей мощными CO2-лазерами2006 год, доктор технических наук Грезев, Анатолий Николаевич
Разработка композиционных сварочных проволок с фторидами и боридами редкоземельных модификаторов для дуговой сварки высокопрочных сталей2020 год, кандидат наук Майстро Алексей Сергеевич
Технология и оборудование многослойной лазерной сварки неповоротных стыков труб большого диаметра для магистральных трубопроводов2019 год, кандидат наук Шамов Евгений Михайлович
Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Гибридная лазерно-дуговая сварка низколегированных сталей повышенной прочности»
Мощность
Рисунок 8 - График зависимости глубины проплавления сварного соединения от мощности лазерного излучения (скорость сварки постоянна): сплошная кривая -
ГЛДС; штриховая кривая - лазерная сварка
В работе [59] описаны результаты исследований влияния способа обработки разделки (с обезжириванием и без обезжиривания) на механические свойства сварного соединения при ГЛДС стальных пластин с использованием Кё:УЛО-лазера. По результатам эксперимента не обнаружено какого-либо отличия в механических свойствах сварных соединений.
Преимуществами ГЛДС перед лазерной и дуговой сваркой по мнению авторов работ [60-68] являются снижение требований к точности сборки, увеличение глубины проплавления и скорости сварки, повышение пластических характеристик швов, снижение капиталовложений. К преимуществам ГЛДС плавящимся электродом перед дуговой сваркой авторы относят существенное увеличение скорости процесса и глубины проплавления при уменьшении ширины сварного шва, погонной энергии, сварочных деформаций. Также авторы отмечают увеличение прочностных характеристик сварных соединений.
Краткий экскурс в историю развития ГЛДС приводят авторы работ [18,69]. Там же описываются преимущества ГЛДС перед лазерной и дуговой
сваркой. Особое внимание авторы уделяют образованию синергетического эффекта при совместном воздействии лазерного излучения и электрической дуги на обрабатываемый материал. В качестве метода более предпочтительного для промышленного внедрения автор называет ГЛДС плавящимся электродом, отмечая при этом недостатки ГЛДС неплавящимся электродом.
Рассмотрение технологических возможностей комбинирования лазерной и дуговой сварки на некотором расстоянии друг от друга с образованием двух независимых процессов и их объединения (ГЛДС) показывает перспективность применения последнего способа [7]. Также авторы данной работы рассматривают ГЛДС с двумя электродами и делают вывод, что последний способ образования неразъёмного соединения металлов позволяет повысить скорость сварки на 33% по сравнению ГЛДС с одной дугой и на 800% по сравнению с дуговой сваркой. Как одно из достоинств ГЛДС с использованием двух электродов, отмечается также существенное снижение погонной энергии по отношению к ГЛДС с одним электродом и дуговой сварке.
Исследование влияния величины заглубления фокальной плоскости лазерного луча и погонной энергии при ГЛДС стали 09Г2С толщиной 14 мм на геометрию зоны проплавления показали возможность качественного формирования сварного соединения, при проникновении легирующих элементов плавящиегося электрода на всю глубину. Авторы отмечают, что наличие сканирования лазерного излучения и использования металлопорошковой сварочной проволоки увеличивают глубину проникновения легирующих элементов плавящегося электрода. Также было проведено изучение амплитудно-частотных характеристик пароплазменного факела, образующегося в зоне взаимодействия лазерного излучения со свариваемым материалом [70,71].
С целью увеличения глубины равномерного проникновения легирующих элементов сварочного электрода с 3-7 мм до 5-9 мм ГЛДС рекомендуют выполнять при импульсной дуге длиной около 3 мм. Глубина равномерного проникновения легирующих элементов была определена по содержанию никеля в количестве 0.59-0.63%. Максимальная глубина проникновения легирующих
элементов сварочной проволоки при ГЛДС с импульсной короткой дугой составляла 13-14 мм при образовании сварного соединения с качественным формированием [72]. Схожие результаты получены в работе [73], но в качестве наиболее эффективного типа дуги авторы рекомендуют использовать дуговую сварку холодным электродом (cold metal transfer).
Результаты разработки технологии орбитальной ГЛДС описаны в работе [74]. Авторы утверждают, что ГЛДС в ВПП предпочтительнее выполнять сверху вниз с ведущим положением дуги. Именно при таком пространственном положении при ГЛДС стали Х65 c толщиной стенки 16 мм образуются сварные соединения без хампинга с обратной стороны. С целью снижения разбрызгивания с лицевой стороны шва предлагают использовать охлаждение задней части сварочной ванны посредством аргона.
Авторы работ [75-78] описывают влияние скорости сварки и величины зазора между пластинами на геометрию сварного соединения при ГЛДС с плавящимся и неплавящимся электродом при ведущем положении дуги и лазерного луча. Авторы работы [75] при ГЛДС с ведущим положением дуги экспериментально определили расстояние между лазерным лучом и электродом (равное 2 мм), при котором образуется сварное соединение с максимальной глубиной проплавления. В работе [76] при ГЛДС с плавящимся электродом и ведущим положением дуги оптимальным расстоянием определено 0 мм при ведущем положении лазера - 2 мм. В работах [77,78] приведенные результаты влияния расстояния между источниками нагрева на глубину проплавления при ГЛДС с неплавящимся электродом показывают: при ведущем положении дуги - 5 мм, при ведущем положении лазера - 1 мм.
Исследования влияния погонной энергии сварки на микроструктуру металла шва при однопроходной и двухпроходной ГЛДС стальных пластин толщиной до 25 мм выявили образование мартенсита с небольшими включениями феррита при однопроходной сварке и увеличение ферритной фазовой составляющей при двухпроходной сварке. Немалую роль в увеличении доли
ферритной фазы сыграл предварительный подогрев свариваемых пластин. В качестве источника лазерного излучения использовали СО2-лазер [79,80].
В статье [81] описаны исследования горячих трещин при дуговой, лазерной и ГЛДС стали DP600. Авторы работы обнаружили горячие трещины в сварных соединениях, полученных лазерной и ГЛДС (дефект располагался в последних 25 мм шва). Данный эффект был объяснён снижением скорости охлаждения расплава в конце шва. При дуговой сварке горячих трещин не было обнаружено.
Сравнение ГЛДС и лазерной сварки с присадочной проволокой проводили авторы работы [82]. Также ими было исследовано влияние предварительного подогрева на твёрдость металла шва. Результаты исследований показали наличие закалочных структур и горячих трещин при лазерной сварке с присадочным материалом, которые были устранены при использовании предварительного подогрева пластин. Сварное соединение с наилучшими механическими свойствами металла шва было получено при ГЛДС с предварительным подогревом.
Исследования ГЛДС, направленные на определение влияния параметров режима на геометрию шва с использованием СО2-лазера и Nd:YAG-лазера показали: более глубокое проплавление, снижение количества плазмы и V-образную форму шва при ГЛДС с использованием твёрдотельного лазера. При ГЛДС с использованием СО2-лазера образовался шов в форме «винной чаши» [83].
Результаты исследования влияния величины зазора между свариваемыми пластинами на геометрию и прочность сварного соединения показали, что при ГЛДС можно сварить пластины толщиной 4мм и 8мм с зазором 1мм и 0,5мм соответственно. При комбинированной лазерно-дуговой сварке (случай, когда лазерное излучение и электрическая дуга при одновременном воздействии на материал не имеют общей ванны расплава) пластин толщиной 8мм качественное сварное соединение было получено при зазоре 1,2 мм [84-86].
В рамках проекта Федерации промышленных исследовательских ассоциаций Германии были проведены исследования кристаллизации различных высоколегированных аустенитных сталей при лазерной сварке и ГЛДС в среде инертного газа [87]. Главный предмет исследований - определение типа кристаллизации и связанного с ним характера горячего растрескивания в процессе сварки.
При исследовании влияния состава защитной смеси на структуру металла шва и зоны термического влияния (ЗТВ) при ГЛДС обнаружено, что наилучшее формирование швов при увеличении глубины проплавления на 15-25% -наблюдаются при использовании смеси 80%Аг + 20%С02. В случае применения только углекислого газа авторами зафиксировано нестабильное горение дуги, увеличение разбрызгивания при удовлетворительном формировании сварного шва. При использовании в качестве защитного газа аргона зафиксировано снижение глубины проплавления, наличие внешних и внутренних подрезов, таких как подрезы, поры и трещины. Во всех опытах, описанных в работе наличие аргона в газовой смеси ведет к склонности сварного соединения в верхней части к трещинообразованию [88-90]. Исследования проводились при использовании СО2-лазера.
Результаты исследований влияния параметров дуги, частоты и времени импульса, расстояния между осями лазерного излучения и электрода, геометрии разделки и типа соединения на геометрию сварного соединения при ГЛДС описаны в работе [91]. Обнаружено, что дуговая составляющая имеет значительное влияние на формирование сварного соединения при ГЛДС. Также замечено, что с повышением мощности дуги в сварном соединении увеличиваются размеры подрезов и количество пор. При расстоянии между электродом и лучом лазера около 1,5 мм получены стабильные качественные сварные соединения. Максимальная скорость сварки при образовании стабильного шва получена при зазоре между свариваемыми пластинами 1 мм.
Авторами работ [92] описаны результаты исследования типа дуги на распределение легирующих элементов сварочной проволоки по сечению металла
шва и механические свойства сварного соединения при ГЛДС высокопрочных низколегированных сталей Х80 и Х120. Авторы экспериментально определили, что наиболее равномерно легирующие элементы сварочного электрода распределяются на глубину до 12 мм.
В работе [93] авторы описывают результаты исследования влияния параметров режима ГЛДС на образование горячих трещин. По результатам исследований было выявлено, что увеличение мощности лазерного излучения прямо влияет на количество трещин, в то время как увеличение мощности дуговой составляющей имеет противоположное влияние; скорость сварки является малозначимым фактором. Также экспериментальные исследования показали образование большего количества горячих трещин при лазерной сварке по сравнению с ГЛДС.
По результатам сравнительного анализа микроструктуры и механических свойств сварных соединений, образованных при лазерной сварке и ГЛДС сталей Х80 и И8ЬЛ-65, авторами работы [94], сделаны выводы о предпочтительности последнего способа образования неразъёмных соединений из-за меньшей скорости охлаждения.
В работах [95,96] описаны результаты исследования влияния предварительного подогрева при ГЛДС стали Х70 и сделан вывод, что предварительный подогрев позволяет увеличить скорость сварки на 14% при неизменной мощности лазерного излучения. Также авторы отметили отсутствие влияния предварительного подогрева на предел прочности сварного соединения и сниэение твёрдости металла шва на 14,6% (с 410 ИУ10 110 350 ИУ10) при наличии подогрева.
К недостаткам данной работы можно отнести узость диапазонов исследуемых параметров, т.к. не было исследовано влияние диапазона температур предварительного подогрева на механические свойства сварного соединеия. Также полученные авторами результаты свидетельствуют об отсутствии влияния предварительного подогрева на предел прочности сварного соединения.
Авторы работы [97] проводили экспериментальные исследования ГЛДС в нижнем и вертикальном пространственном положениях при сварке элементов корпуса ветрогенератора. В экспериментах использовали твердотельный лазерный источник с максимальной выходной мощностью 16кВт. По результатам эксперимента сделаны выводы о максимальном проплавлении глубиной 23 мм за один проход в случае Y-образной разделки кромок в нижнем пространственном положении. Также авторы обнаружили более стабильное проплавление при ГЛДС на спуск с лидирующим положением дуги в вертикальном пространственном положении по сравнению с ГЛДС в ВПП на подъем и ГЛДС с лидирующим положением лазерного излучения.
В работе [98] описаны результаты экспериментальных исследований технологической возможности одновременной двусторонней ГЛДС тавровых соединений, применяемых в судостроении при изготовлении секций наборов днищу при изготовлении секции. По результатам исследования получены двухсторонние тавровые сварные соединения с качественным формированием при снижении сварочных деформаций на 40% по сравнению с дуговой сваркой. По оценкам авторов использование ГЛДС при изготовлении поперечных наборов позволяет снизить общую стоимость изготовления корпуса до 30%, а также повысить производительность изготовления корпусных конструкций более чем на 10%.
Авторами работы [99] проведено экспериментальное исследование орбитальной ГЛДС кольцевых неповоротных стыков, изготовленных из трубных сталей Х70 / Х80. Предварительные результаты эксперимента показали, что гибридная сварка может отвечать требованиям соответствующих стандартов, таких как API 1104, ASME.
Проплавные швы, образованные при ГЛДС стали API X80 на различных режимах были исследованы авторами работы [100]. Авторы заметили, что увеличение значения сварочного тока (до определённого значения) дуговой составляющей положительно влияет на внешний вид сварного шва, изменение микроструктуры и твердость поперечного сечения сварного шва (последняя
незначительно снижается в ЗТВ). Также увеличение сварочного тока дуги (до определённых значений) обеспечивает лучшее проникновение легирующих элементов сварочного электрода в металл шва и повышение эффективности сварки.
Результаты исследования влияния мощности лазерного излучения в диапазоне от 1кВт до 2,5кВт на микроструктуру и механические свойства сварных соединений представлены в работе [101]. Было обнаружено, что с увеличением мощности лазерного излучения сварной шов приобретает геометрию в виде «винной чаши» с ярко выраженными зонами металла шва и ЗТВ. Микроструктура металла шва в основном состоит из крупнозернистого игольчатого феррита. Влияние мощности лазерного излучения на твердость сварного соединения не обнаружена, в то время как обнаружено обратное влияние на прочностные характеристики.
Влияние параметров дуги, типа каплепереноса и расположения источников на протекание расплава описано в работе [102] при ГЛДС образцов из бейнитной стали толщиной 12 мм.
Авторы следующей работы с целью удержания ванны расплава в широком диапазоне скоростей охлаждения использовали инструмент для поддержания расплава - внешнее колеблющееся электромагнитное поле [103]. Использование поддержки ванны расплава позволило получить сварные соединения, образованные при ГЛДС трубной стали класса прочности Х120, удовлетворяющие требованиям стандарта ISO 3183 «Трубы стальные для трубопроводов нефтяной и газовой промышленности. Общие технические условия».
Авторы работы [104] описывают результаты исследования влияния параметров режима ГЛДС на формирование валика сварного соединения в зоне перекрытия при сварке поворотных стыков. Основной целью было получение образования сварного соединения в зоне перекрытия без внешних дефектов, таких как трещины и кратер.
В работе [105] описаны результаты исследования таких параметров режима как напряжение дуги, расстояние между осями лазерного излучения и сварочной проволоки на формирование сварного соединения при ГЛДС образцов толщиной 3 мм при зазоре до 1 мм. Наилучший результат качества формирования был отмечен при расстоянии между осями лазерного излучения и сварочной проволоки 0,5 мм. Также авторы обратили внимание на зависимость от расстояния между осями лазерного излучения и сварочной проволоки на значения напряжения на дуге, тип и частоту каплепереноса.
1.3 Теоретические представления о гибридной лазерно-дуговой сварке
В конце 1998 года российские ученые В. Н. Старцев, Д. П. Мартыненко и А. Ф. Леонов исследовали характеристики столба дуги при ГЛДС [106].
В 2001 году В. Н. Старцев изучает изменение лазерного излучения при прохождении его через электрическую дугу, образованную при аргонодуговой сварке [107].
В 2006 году на конференции материаловедческих обществ России Туричин Г.А., Поздеева Е.Ю. и Земляков Е.В. представили численно -аналитическую модель плавления электрода при ГЛДС [108].
В работе [109] для определения свойств плазмы при ГЛДС рассматривается кинетика плазмы разряда в газовой смеси, оказывающая значительное влияние на формирование сварного соединения.
В работе [110] представлена математическая модель, построенная на базе результатов экспериментального исследования ГЛДС алюминиевых сплавов, которая позволяет прогнозировать геометрию сварного соединения и наличие пор.
В целях исследования формирования сварного шва при ГЛДС было использовано численное моделирование распространения потоков тепла и
жидкости, а также изменения структурного фазового состава наплавленного металла при импульсной дуговой сварке в среде инертного газа [111].
В работе [112,113] на основе численного метода описана модель для расчёта распределения температуры и потоков расплава в сварочной ванне при лазерной сварке с глубоким проплавлением и ГЛДС с импульсным дуговым источником. С помощью полученной модели при ГЛДС был проведен модельный эксперимент по изучению перемешивания присадочного и основного материала, а также формирования сварного шва.
В работе [114] приводится математическая модель, описывающая механизмы тепло- и массопереноса дуги при ГЛДС. Модель создана на базе численно-аналитических методов и позволяет прогнозировать геометрию шва, свойства плазмы, перенос тепла и механизм формирования пор.
В работе [115] описаны результаты теоретических и экспериментальных исследований физических процессов формирования плазменного факела при ГЛДС. В рамках данных исследований создана математическая модель, прогнозирующая формирование химического состава плазмы в дуговом промежутке, кинетическая модель гибридного разряда, кинетическая модель конденсации паров в плазменном факеле при ГЛДС металлических материалов.
Изучению характеристик паро-плазменного факела, возникающего при воздействии излучения мощного иттербиевого волоконного лазерного источника на металл, а также физических эффектов, оказывающих влияние факела на поглощение лазерного излучения материалом посвящено экспериментальное исследование паро-плазменного факела, возникающего в процессе лазерной сварки низколегированных сталей больших толщин [116-120]
Сотрудниками Института лазерных и сварочных технологий разработана система инженерного компьютерного анализа процессов, протекающих при лучевой обработке материалов [121-125].
Точность прогнозирования геометрии, термического цикла и фазового состава сварного соединения, образованного при лазерной сварке и ГЛДС обеспечивается решением задач:
- переноса тепла в металле для жидкой и твердой фаз;
- гидродинамики течения расплава;
- течения паров металла;
- формирования лазерно-индуцированной плазмы и прохождения луча через плазму, рисунок 9.
- подогрев от дополнительного теплового источника (дугового, плазменного или светового) для случая ГЛДС, рисунок 10.
Рисунок 9 - Структура описания лазерной сварки
Материал. Скорость саарьл Материал
Рисунок 10 - Структура описания ГЛДС
Авторами работы [126] с использованием аналитических методов разработана математическая модель, позволяющая прогнозировать микроструктуру и механические свойства металла шва сварного соединения. Модель учитывает лазерный и дуговой источник нагрева с экспоненциальным и нормальным распределением энергии соответственно.
В работе [127] приведено описание математической модели, прогнозирующей влияние параметров режима ГЛДС на остаточные напряжнния, а также температуру охлаждения, микроструктуры и микротвердости сварного соединения. Авторы описывают влияние максимальной температуры, скорости охлаждения на остаточные напряжения сварного соединения.
Авторами статьи [128] описаны результаты моделирования сварочных деформация с использованием метода конечных элементов в системе инженерного анализа Abacus при ГЛДС. Также описаны результаты
экспериментального и теоретического исследования влияния очередности и количества наложения сварных швов при сварке металлоконструкций из судокорпусной стали.
1.4 Выводы по главе
Аналитичекий обзор показал всестороннее исследование ГЛДС. Так к экспериментальным исследованиям можно отнести изучение влияния параметров режима ГЛДС, погонной энергии, типа лазерных источников, пространственного положения сварки на качество формирования и механические свойства сварного соединения. Также часть работ посвящена сравнительному анализу сварных соединений, образованных при различных способах сварки: дуговой, лазерной, лазерной сварки с присадочной проволокой и ГЛДС.
К проведённым теоретическим исследованиям относится разработка модели плавления электрода, исследование характеристик дуги, исследование изменения параметров лазерного излучения при его прохождении через дугу, исследование формирования плазменного факела. Рядом учёных созданы модели для расчёта распределения температуры и потоков в сварочной ванне и прогнозирования порообразования в сварном шве. Наиболее весомым вкладом в теоретические исследования ГЛДС являются модели динамического поведения сварочной ванны и модели, прогнозирующие не только геометрию сварного соединения, но структуру и свойства зоны термического влияния.
Несмотря на всестороннее изучение ГЛДС, следует отметить, что часть исследований было выполнено с использованием СО2-лазеров, генерирующих лазерное излучение с длинной волны 10,6 мкм и меньшим значением коэффициента поглощения лазерного излучения материалом по сравнению с излучением иттербиевых волоконных лазеров, обладающих длиной волны 1,07 мкм. Значительное количество работ посвящено ГЛДС металлов малых толщин. Обнаружены противоречивые данные относительно взаимного расположения источников нагрева при ГЛДС и расстояния между ними. Недостаточно изучены диапазоны параметров режима ГЛДС, для достижения максимальной
эффективности и производительности процесса, при образовании сварных соединений, удовлетворяющих требованиям к формированию и механическим свойствам. Недостаточно изучено влияние пространственного положения сварки и зазора между свариваемыми изделиями на формирование сварного соединения, распределение легирующих элементов в металле шва, а также эффективность и производительность ГЛДС. К недостаткам теоретического исследования следует отнести отсутствие математического описания влияния ширины зазора между свариваемыми изделиями на геометрию сварного шва при дуговой сварке и ГЛДС. Исходя из выше описанных пробелов в исследовании ГЛДС, можно сформулировать цель и поставить задачи.
Исходя из вышеописанных недостатков в исследованиях ГЛДС, можно сформулировать цель и задачи.
Цель работы: исследовать влияние параметров гибридного лазерно-дугового источника нагрева на формирование сварного соединения при сварке низколегированных сталей повышенной прочности Задачи работы:
1. Исследовать влияние параметров гибридного лазерно -дугового процесса на формирование сварного соединения, глубину проникновения легирующих элементов сварочного электрода и эффективность ГЛДС.
2. Разработать математическую модель, прогнозирующую влияние зазора между свариваемыми изделиями на геометрию сварного шва при ГЛДС.
3. На основе регрессионного анализа и результатов экспериментального исследования получить уравнения регрессии, прогнозирующие механические свойства сварных швов при ГЛДС низколегированных сталей класса прочности К65 (Х80).
4. Разработать технологические рекомендации по ведению ГЛДС низколегированных сталей повышенной прочности.
2 Методика эксперимента
2.1 Выбор марки стали, типа и марки сварочной проволоки
Для достижения поставленной цели в первую очередь необходимо произвести выбор марки стали актуальной для отечественной промышленности, определиться с формой её разделки, типом и маркой сварочной проволоки. Далее, с целью сокращения количества опытов при экспериментальном исследовании влияния параметров режима ГЛДС на структуру и механические свойства металла шва, следует определить значимость факторов - параметров режима ГЛДС с позиции их влияния на термический цикл сварки.
Ряд преимуществ ГЛДС плавящимся электродом перед лазерной сваркой и дуговой сваркой: высокая скорость и глубина проплавления, возможность сварки по зазору до 2х мм и возможность варьирования механическими свойствами сварного соединения как за счет термического цикла сварки, так и благодаря сварочному электроду позволяют считать её актуальной для трубной промышленности, судостроения и других отраслей промышленности, в которых изготавливают сварные конструкции из металлов больших толщин. Рассмотрим более детально стали, используемые в данных отраслях промышленности.
Трубная промышленность.
Мировая промышленность с каждым годом нуждается в потреблении всё большего количества энергии и, несмотря на активный переход ряда стран на альтернативные источники энергии, использование нефтепродуктов крайне актуально. Наиболее дешёвым и безопасным способом их передачи от производителя к конечным потребителям является транспортировка с использованием газонефтепроводов [129,130]. Жёсткая конкуренция между основными производителями труб высокого давления (США, Европа, Азия,
Похожие диссертационные работы по специальности «Другие cпециальности», 00.00.00 шифр ВАК
Разработка технологических мероприятий повышения ударной вязкости сварных соединений при многодуговой автоматической сварке труб2021 год, кандидат наук Севостьянов Сергей Петрович
Развитие теоретических и технологических основ динамического воздействия струи активного защитного газа на процессы в зоне сварки плавящимся электродом2021 год, доктор наук Чинахов Дмитрий Анатольевич
Электродуговая сварка сталей и сплавов с применением активирующих материалов2006 год, доктор технических наук Паршин, Сергей Георгиевич
Исследование и разработка технологии механизированной сварки в защитных газах сталей с пониженным содержанием вредных примесей2009 год, кандидат технических наук Шолохов, Михаил Александрович
Сварка нержавеющей стали поверхностно-активированным электродом в защитных газах1986 год, кандидат наук Варуха, Евгений Николаевич
Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Кузнецов Михаил Валерьевич, 2022 год
Список литературы
1. 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», Россия, Санкт-Петербург - 2010. - С. 423-429.
2. Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Чирков А.М. Гибридные технологии лазерной сварки: Учебное пособие. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. -52 с.: ил.
3. Dilthey, U., Lueder, F. and Wieschemann, A.: Technical and Economical Advantages by Synergies in Laser Arc Hibrid Welding. // Proc. of the IIW International Conference "The Human Factor and its Environment", Lissabon, 1999. - P. 141-152.
4. Lahti K. E. Один + один - больше, чем два!!! // Svetsaren. - 2003. - №2. - P. 22 - 24.
5. Laserhybrid - Schweiben. Fronius mit Lichfgeschwindigkeit Voraus // Schweiss & Pruftechnik. - 2001. - №11 - P. 168 - 169.
6. Hybrid Laser-Arc Processing at TWI // Connect. - 2002. - №116. - P.7.
7. Dilthey, U., Wieschemann A. Prospects by Combining and Coupling Laser Beam and Arc Welding Processes // Proc. of the IIW International Conference "The Human Factor and its Environment", Lissabon, 1999. - P. 29-44.
8. Dilthey U., Keller H. Laser Arc Hibrid Welding // Proc. of the International Welding/Joining Conference, Korea, 2002. - P.162 - 168
9. Hybrid Laser Welding - an Innovative Process for High Efficiency Welding // Australian Welding Journal. - 2005. - Third Quarter. - Vol. 50. - P. 22.
10. Robert W., Messler Jr. What's Next for Hybrid Welding? // Welding Journal. -2004. - March. - P. 30 - 34.
11. Бернадский В.Н. Япония определяет приоритеты в области сварки на ХХI век // Автоматическая сварка. - 2002. - №3. - С. 46 - 49.
12. Бернадский В.Н., Маковецкая О.К. Европейское судостроение наращивает производство // Технология машиностроения. - 2008. - №2. - С. 83 - 84.
13. Wieschemann A., Keller H., Dilthey U. Development of Laser - GMA Hybrid- and Hydra Welding Processes for Shipbuilding // Welding in the World. - 2001. - Vol. 45 №7. - P. 10 - 15.
14. Wieschemann A., Keller H., Dilthey U. Hybrid-Welding and the Hydra MAG + Laser Processes in Shipbuilding // Welding International. - 2003. - №10. -P. 761 - 766.
15. Dilthey U. Industrial Application of Laser - GMA Welding Technology in Automotive and Shipbuilding Industry // Proc. of the 5 Int. Conf. "Beam Technology and Laser Aplication", Russia, Saint-Petersburg, 2006. - P. 10 - 18.
16. Defalco J. Practical Applications for Hybrid Laser Welding // Welding Journal. -2007. - Oct. - P. 47 - 51.
17. Dilthey U., Flemming R. New Developments and Applications of Laser Arc Hybrid Welding // Proc. of the 4 Int. Conf. "Beam Technology and Laser Aplication", Russia, Saint-Petersburg, 2003. - P. 11 - 18.
18. Wouters M. Hybrid Laser - MIG Welding. An Investigation of Geometrical Considerations // Lulae, Sweden. - P. 67.
19. Hybrid Pipe Welding Project Update / E.W. Reutzel, S.M. Kelly, J.F. Tressler, R.P. Martukanitz, M.J. Sullivan // National Shipbuilding Research Program, SP-7 Welding Technologies Panel Meeting Portland, ME USA, 2005.
20. Hybrid Laser-GMA Welding for Improved Affordability / E.W. Reutzel, S.M. Kelly, M.J. Sullivan, T.D. Huang, L. Kvidahl, R.P. Martukanitz // Journal of Ship Production. - 2008. - Vol. 24. - №2. - P. 72 - 81.
21. Kelly S.M., Martukanitz R.P. Hybrid Welding for Thin Steel Panel Construction: NASSCO Hybrid Butt Welds // ARL-Penn State, IMAST Program, 2007.
22. Denney P., Harwig D., Brown L. Hybrid Laser Weld Development for Shipbuilding Applications // 2001 Ship Production Symposium and Expo Ypsilanti, Michigan, 2001.
23. Staufer H. Laser-Hybrid Welding of Ships // Welding Journals. - 2004. - June. -P. 39 - 43.
24. High Performance Disk Laser Technology Extends Possibilities for Laser Hybrid Welding Applications // Welding and Cutting. - 2009. - № 4. - P. 192 - 193.
25. Штауфер Х., Хакль Х. Лазерно-дуговая сварка в автомобильной промышленности // Автоматическая сварка. - 2001. - №12. - С. 29 - 32.
26. Staufer H. Laser Hybrid Welding in the Automotive Industry // Welding Journal. -2007. - Oct. - P. 36 - 40.
27. Graf T., Staufer H. Laser-Hybrid Welding Drives VW Improvements // Welding Journal. - 2003. - Jan. - P. 42 - 48.
28. Pilarczyk J., Banasik M., Dworak J. Hybrid Welding with Laser and Electric Arc // Welding International. - 2008. - Vol. 22. - №6. - Р. 388-392.
29. Yonetani H. Laser-MIG Hybrid Welding to Aluminium Alloy Carbody Shell for Railway Vehicles // Welding International. - 2008. - Oct. - Vol. 22. - №10. -P. 701-704.
30. Sorrentino S., Fersini M., Zilli G. Comparison Between SAW and Laser Welding Processes Applied to Duplex Structures for Bridges // Welding International. - 2009. -Vol. 23. - № 9. - P. 687-698.
31. Verhaeghe G. Low-Porosity Laser Welding of 12.7mm Thickness Aerospace Aluminium // INALCO 2007, Japan, Tokyo.
32. Laser and Hybrid Laser-MIG Welding of 6.35 and 12.7mm Thick Aluminium Aerospace Alloy / Allen C. M., Verhaeghe G., Hilton P. A., Heason C. P., Prangnell P. B. // Int. Conf. on Aluminium Alloys (ICAA 10), Canada, Vancouver, 2006.
33. Fur grobe Blechdicken und hohe Schweibgeschwindigkeiten: Laserhybrid- + Tandemschweiben // Der praktiker. - 2006. - №10. - P. 300 - 302.
34. Laser-MSG-Hybridschweben - Einsatz-moglichkeiten in der Rohrfertigung // Der praktiker. - 2004. - №1. - P. 20 - 21.
35. Rethmeier M., Gook S., Gumenyuk A. Perspectives of Application of Laser-GMA-Hybrid Girth Welding for Pipeline Construction // Proc. of the 6 Int. Conf. "Beam Technology and Laser Aplication", Russia, Saint-Petersburg, 2009. - P. 278 - 288.
36. Dickwandige Rohr emit Laserstrahl und drei Lichtbogen Schweiben // Der praktiker. - 2006. - №5. - P. 130.
37. Howse D. S., Scudamore R. J., Booth G. S. Yb Fibre Laser/MAG Hybrid Processing for Welding of Pipelines // Commission IV (Power Beam Processes) Document at 58th IIW Annual Assembly in Prague, 2005.
38. Keitel S., Neubert J. Laser-GMA Hybrid Welding - Applications in Pipeline Construction // Welding and Cutting. - 2009. - № 4. - P. 214 - 221.
39. Yapp D., Kong C.-J. Hybrid Laser-arc Pipeline Welding // Welding and Cutting. -2008. - № 6. - P. 342 - 345.
40. Herrich J., Rippl P. Hybridverfahren Laserstrahl - und Metall -Schutzgasschweiben // Der praktiker. - 2002. - № 5. - P. 178 - 181.
41. Thomy C., Kohn H. and Vollertsen F. Application of High-Power Fibre Lasers in Laser and Laser-MIG Hybrid Welding // The Paton Welding Journal. - 2006. - №7. -P. 31 - 34.
42. Шелягин В.Д., Хаскин В.Ю. Тенденции развития лазерно-дуговой сварки (Обзор) // Автоматическая сварка. - 2002. - №6. - С. 28 - 32.
43. Патон Б.Е. Современные достижения ИЭС им. Е. О. Патона в области сварки и родственных процессов // Автоматическая сварка. - 2005. - №10. - С. 3 - 19.
44. Гибридная сварка излучением СО2-лазера и дугой плавящегося электрода в углекислом газе / В.Д. Шелягин, В.Ю. Хаскин, В.П. Гаращук, А.В. Сиора, А.В. Бернацкий, А.В. Сахарнов // Автоматическая сварка. - 2002. - №10. - С. 38 - 41.
45. Лазерно-дуговые и лазерно-плазменные технологии сварки и нанесения покрытий / В.Д. Шелягин, И.В. Кривцун, Ю.С. Борисов, В.Ю. Хаскин, Т.Н. Набок, А.В. Сиора, А.В. Бернацкий, С.Г. Войнарович, А.Н. Кислица, Т.Н. Недей // Автоматическая сварка. - 2005. - №8. - С. 49 - 54.
46. Shelyagin V. D., Krivtsun I. V., Khaskin V. Y., Nabok T. N. Some Results of Research in Hybrid Laser-Arc Technologies at the E.O. Paton Electric Welding Institute of NASU // Proc. of 3-th Int. Conf. "Laser Technologies in Welding and Materials Processing", Kiev, 2007. - P. 115-121.
47. Томи С., Зефелд Т. Особенности применения гибридной лазерно-дуговой сварки плавящимся электродом в среде защитного газа // Автоматическая сварка. - 2006. - №6. - С. 36 - 39.
48. Zhongjie L., Muneharu K., Liquan S. CO2 Laser-MAG Hybrid Welding of 590 MPa High Strength Steel. Study on Laser-Arc Hybrid Welding of High Strength Steel
(Report 1) // - 2006 - №1. - C. 17-25.
49. Rayes M. E., Walz C., Sepold G. The Influence of Various Hybrid Welding Parameters on Bead Geometry // The Welding Journal. - 2004. - May. - P.147 - 153.
50. Moore P.L., Howse D.S., Wallach E.R. Development of Nd:YAG Laser and Laser /MAG Hybrid Welding for Land Pipeline Application // Welding and Cutting. -2004. - №4. - P. 186 - 190.
51. Moore P.L., Howse D.S., Wallach E.R. Microstructures and Properties of Laser/Arc Hybrid Welds and Autogenous Laser Welds in Pipeline Steels // Science and Technology of Welding and Joining. - 2004. - vol. 9. - №4. - P. 314 - 322.
52. Zhongjie L., Muneharu K., Guojian X. Microstructure and Mechanical Properties of CO2 Laser-MAG Hybrid Weld of High Strength Steel Study on Laser-Arc Hybrid
Welding of High Strength Steel (Report 2) // - 2006. - №4. - 2006. -
P. 344-349.
53. Reutzel E. W., Sullivan M. J., Mikesic D. A. Joining Pipe with the Hybrid Laser-GMAW Process: Weld Test Result and Cost Analysis // Welding Journal. - 2006. -June. - P. 66 - 71.
54. Tig or MIG Arc Augmented Laser Welding of Thick Mild Steel Plate. / Matsuda J., Utsumi A., Katsumura M., Hamasaki M., Nagata S. // Joining and Materials. - 1988. -№7. - P. 31 - 34.
55. Hamasaki M. Method of Material Processing by Using Laser // Weld. Technique. -1983. - Vol. 31. - №12. - P. 64 - 69.
56. Hamasaki M. New Method of Laser Welding - Laser Welding with Using MIG Welding // Pipe Eng. - 1984. - Vol. 26. - №2. - P. 51 - 55.
57. Hamasaki M., Katsumura M. Welding Method Combining Laser Radiation and Electric Arc // Tool Eng. - 1984. - Vol. 28. - №4. - P. 25 - 29.
58. Matsuda J. Laser-MIG Welding of Thick Mild Steel Plates // J. High Temp. Soc. -1989. - Vol. 14. - №5. - P. 234 - 239.
59. Hybrid Nd:YAG/GMAW Welding of Ultra High Strength Steel / Verwimp J., Gedopt J., Maes G., Haver W. V. // Proc. of the 6 Int. Conf. "Beam Technology and Laser Aplication", Russia, Saint-Petersburg, 2009. - P. 315 - 321.
60. Штауфер Г. Лазерная гибридная сварка // Труды Международной конференции "Сварка и соединение 2000: Новые материалы и новые перспективы", Израиль, 2000. - С. 52-61.
61. Staufer H., Hackl H. Laser-Hybrid Welding - a Powerful Joining Technology // Proceedings of the 7th Int. Aachener Sweitechnik Kolloq., Germany, Aachen, 2001. -Vol. 1. - P. 477-488.
62. Hugel H., Schinzel C. Handbook of Laser Technology and Applications // Applications, Part D, Welding, Institute of Physics. - 2004. - Vol. 3. - P. 17 - 25.
63. Steen W. M. Laser material processing 3rd edition, London, Springer, 2003. -P. 1-9.
64. Seyffarth P., Krivtsun I. V. Laser-Arc Processes and Their Applications in Welding and Material Treatment, London, Taylor & Francis, 2002. - P. 11 - 17.
65. Bagger C., Olsen F. O. Review of Laser Hybrid Welding // Journal of Laser Applications. - 2005. - Vol. 17. - №1. - P. 7 - 12.
66. Magee K. H., Merchant V. E., Hyatt C. V. Laser Assisted Gas Metal Arc Weld Characteristics // Proceedings of the Laser Materials Processing - ICALEO, 1990, USA, Boston. - P. 34 - 41.
67. Jernstrom P. Hybrid Welding Combines the Benefits of Laser and Arc Welding // 19th Nordiska Svetsmotet, Stockholm, 2003. - P. 43 - 51.
68. Thomy C., Seefeld T. Basics and Applications of Laser GMA Hybrid Welding // Paton Welding Journal. - 2006. - №6. - P. 28 - 32.
69. Tusek J. Sinergic Operation of Welding Arc and Laser Beam - for Practical Application or for Scientific Research Only? // Varilna tehnika. - 1996. - Vol. 45. - №2. - P. 39-46.
70. Применение и перспективы развития гибридной лазерно-дуговой сварки с помощью микроволнового лазерного оборудования / Лопота В.А., Цибульский И.А., Земляков Е.В., Харламов В.В. // Форум «Техническое
перевооружение машиностроительных предприятий России. Специальные лазерные технологии», Россия, Санкт-Петербург, 2008. - С. 39-55.
71. Теория и технология гибридной сварки металлов больших толщин / Туричин Г.А., Цибульский И.А., Валдайцева Е.А., Карасёв М.В. // 6-я Международная конференция «Лучевые технологии и применение лазеров» Россия, Санкт-Петербург, 2009. - С. 11 - 18.
72. S. Gook, A. Gumenyuk, M. Rethmeier. Hybrid laser arc welding of X80 and X120 steel grade //Science and technology of welding & joining. - 2014. - Vol. 19. - No.1. -P. 15-24.
73. G. Li, Ch. Zhang, M. Gao, X. Zeng. Role of arc mode in laser-metal active gas arc hybrid welding of mild steel // Materials and Design. - 2014. - Vol. 61. - P. 239-250.
74. M. Rethmeier, S. Gook, M. Lammers, A. Gumenyuk. Laser-Hybrid Welding of Thick Plates up to 32 mm Using a 20 kW Fiber Laser // Quarterly Journal of the Japan Welding Society. - 2009. - P. 74-79 (DOI: 10.2207/qjjws.27.74s).
75. Development of TIG-YAG and MIG-YAG Hybrid Welding / Ishide T., Tsubota S., Watanabe M., Ueshiro K. // Welding International. - 2003. - Vol.17. - N10. -P. 775-780.
76. High-Power CO2 Laser-MIG Hybrid Welding for Increased Gap Tolerance. Hybrid Weldability of Thick Steel Plates with a Square Groove / T. Hayashi, S. Katayama, N. Abe, A. Omori // Welding International. - 2004. - Vol.18. - N9. - P. 692-701.
77. Gongqi S. Laser and Hybrid Laser MAG Welding of Thick Section C-Mn Steel // International Forum on Welding Technologies in Energy Engineering, China, Shanghai, 2005. - P. 71 - 75.
78. Kah P. Usability of Laser-Arc Hybrid Welding Processes in Industrial Application. Ph.d. thesis, 2011. - 114 p.
79. Laser-Assisted Gas Metal Arc Welding of 25-mm-Thick HY-80 Plate / Hyatt C.V., Magee K.H., Porter J.F., Merchant V.E., Matthews J.R. // Welding Research Supplement. - 2001. - July. - P. 163 - 172.
80. Roepke C., Liu S. Hybrid Laser-Arc Welding of HY-80 steel // Welding journal. -2009. - Vol. 88. - August. - P. 159 - 167.
81. Hybrid Laser Welding of DP600 Dual Phase Steel: Microstructural and Mechanical Properties and Joint Preparation / Haver W.V., Verwimp J., Criel D., Dhooge A. // Welding in the World. - 2007. - Vol 51. - P. 65-74.
82. Adamiec J., Adamiec P., Wiecek M. Hybrid Welding of Sheet Pile Walls by Light Waveguide Laser // Welding International. - 2008. - Vol. 22. - №6. - Р. 393 - 396.
83. Zhongjie L., Guojian Xu, Muneharu K. Laser and Laser-MAG Hybrid Welding of High Strength Steel Using Fiber Laser and CO2 Laser // Welding International. - 2008. - Vol. 22. - №1. - Р. 23 - 28.
84. Hybrid Laser-MAG Welding Procedures and Weld Properties in 4mm, 6mm and 8mm Thickness C-Mn Steels / Allen C. M., J. Gerritsen C. H., Zhang Y., Mawella J. // IIW Commission IV / XII, Intermediate Meeting, Spain, Vigo, 2007. - P. 54 - 60.
85. The Influence of Joint Geometry and Fit-up Gaps on Hybrid Laser-MIG Welding / Yao Y., Wouters M., Powell J., Nilsson K., Kaplan A. F. H. // Journal of Laser Applications. - 2006, - Vol. 18, - P. 283-288.
86. Wouters M., Powell J., Kaplan A. F. H. The Influence of Joint Gap on the Strength of Hybrid Nd:YAG Laser-MIG Welds // J. Journal of Laser Applications. - 2006. - Vol. 18. - P. 181-184.
87. Стеллинг К., Михаель Т., Шобберт Г. Поведение аустенитных сталей при кристаллизации и их свариваемость лазерной и гибридной сваркой // Сварка и резка. - 2008. - №1. - C. 31 - 38.
88. Лазерная и лазерно-дуговая сварка сталей в защитных газах / В.Д. Шелягин,
B.Ю. Хаскин, А.В. Сиора, А.В. Бернацкий, Е.И. Гончаренко, Т.Г. Чижская // Автоматическая сварка. - 2007. - №1. - С. 34 - 38.
89. C.-H. Kim, H.-S. Lim, J.-K. Kim. Position Welding Using Disk Laser-GMA Hybrid Welding // Journal of Achievements in Materials and Manufacturing Engineering. -2008 - Vol. 28 - Issue 1 - P. 83 - 86.
90. Воропай Н.М., Илюшенко В.М., Хаскин В.Ю. Выбор защитного газа для гибридного процесса лазерно-дуговой сварки // Сварщик в России. - 2006. - №3. -
C. 22 - 24.
91. Nilsson K. / Parameter Influence in CO2-laser/MIG Hybrid Welding / Nilsson K., Heimbs K., Engstrom H., Kaplan A. F. H. // Proc. of Int. Conf IIW Doc. IV-843-03, 2003. - P. 17 - 23.
92. M. Rethmeier, S. Gook, A. Gumenyuk. Prospects of Application of Laser-GMA Hybrid Welding for Manufacturing of Large Diameter Longitudinal Welded High Strength Steel Pipes // Proc. of the 6 Int. Conf. "Beam Technology and Laser Aplication", Russia, Saint-Petersburg, 2013. - P. 130 - 139.
93. M. Gebhardt, A. Gumenyuk, M. Rethmeier. Laser-MSG-Hybrid Welding of Thick Walled Precision Pipes // Proc. of the 6 Int. Conf. "Beam Technology and Laser Aplication", Russia, Saint-Petersburg, 2012. - P. 235 - 246.
94. X. Cao, P. Wanjara, J. Huang, C. Munro, A. Nolting. Hybrid fiber laser - Arc welding of thick section high strength low alloy steel // Materials and Design. - 2011. -Vol. 32. - P. 3399-3413.
95.R. Lahdo, O. Seffer, A. Springer, S. Kaierle, L. Overmeyer, M. Collmann, P. Schaumann, J. Neumeyer, H. Schuelbe, B. Nacke. Induction Assisted GMA-Laser Hybrid Welding of High-Strength Fine-grain Structural Steels, In: Proccedings of the ICALEO Conference, Miami, USA, 2013, paper #902.
96.R. Lahdo, O. Seffer, A. Springer, S. Kaierle, L. Overmeyer. GMA-laser hybrid welding of high-strength fine-grain structural steel with an inductive preheating // Physics Procedia. - 2014.-Vol.56-P.637-645.
97.Kristiansen M. Application of Hybrid Laser arc Welding for the Joining of Large Offshore Steel Foundations/M.Kristiansen, F. Farrokhi, E. Kristiansen, S. Villumsen // Physics Procedia - 2017 - P. 197 - 204.
98.Bukato V.K. Technology of double-sided laser-arc hybrid welding for production of T-beams / V. K. Bukato, N. A. Afanasiev, N. A. Nosyrev, S. K. Krivogubets // Journal of Physics: Conference Series - 2018 - Vol. 1109 - P. 1-5.
99.Zeng H. Research on laser-arc hybrid welding technology for long-distance pipeline construction / H. Zeng, Y. Xu, C. Wang, J. He // China Welding - 2018 - Vol. 27(3) -P. 53-58.
100. Yan Ch. Experimental investigation of hybrid laser arc welding of X80 pipeline steel / Ch. Yan, Ch. Li, Ch. Kan, Xi. Ji, L. Wu, Z. Liu, F. Xue // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering - 2018 - Vol. 452 - P. 1-5.
101. Yang M. Hybrid Laser-Arc Welding of X90 Pipeline Steel: Effect of Laser Power on Microstructure and Mechanical Properties / M. Yang, Y. Liu, J. Zhang, D. Xiang, Zh. Zhou, D. Wang, W. Liu, T. Huang // Transactions of the Indian Institute of Metals -2018 - Vol. 71(6).
102. The effect of arc position on laser-arc hybrid welding of 12-mm-thick high strength bainitic steel / G. Tang, X. Zhao, R. Li, Yi. Liang, Yi. Jiang, H. Chen // Optics & Laser Technology, Volume 121, January 2020, 105780.
103. Hybrid laser arc welding of thick high-strength pipeline steels of grade X120 with adapted heat input / O. Ustundag, S. Gook, A. Gumenyuk, M.Rethmeier // Journal of Materials Processing Technology, Volume 275, January 2020, 116358.
104. Hybrid laser-arc welding of thick-walled pipe segments with optimization of the end crater / O. Ustundag, S. Gook, A. Gumenyuk, M.Rethmeier // Procedia CIRP Volume 94, 2020, P. 676-679.
105. Research on weld formation mechanism of laser-MIG arc hybrid welding with butt gap / H. Huang, P. Zhang, H. Yan, Zh. Liu, Zh. Yu, D. Wu, H. Shi, Y. Tian // Optics & Laser Technology Volume 133, January 2021, 106530.
106. Старцев В.Н., Мартыненко Д.П., Леонов А.Ф. Исследование характеристик столба дуги при лазерно-дуговой сварке на основе численного моделирования // Теплофизика высоких температур. - 2000. - Том 38. - №1. - С. 24 - 29.
107. Старцев В.Н. Об изменении параметров лазерного излучения при прохождении его через электрическую сварочную дугу при лазерно-дуговой сварке // Вопросы материаловедения. - 2001. - №3. - С. 41 - 45.
108. Туричин Г.А., Поздеева Е.Ю., Земляков Е.В. Численно-аналитическая модель плавления электрода при лазерно-дуговой сварке // Физика и химия обработки материалов. - 2007. - №4. - С. 41- 45.
109. Земляков Е. В. Кинетика плазмы комбинированного разряда в газовой смеси при лазерно-дуговой сварке // Материалы XXXIV недели науки СПбГПУ, 2005. -C. 32 - 36.
110. Ji J. Prediction of Seam Properties During the Nd:YAG Laser MIG Hybrid Welding of Aluminium Alloys // Welding and Cutting. - 2009. - №1. - P. 47 - 52.
111. Cho M.H., Farson D.F. Simulation Study of a Hybrid Process for the Prevention of Weld Bead Hump Formation // Welding Journal. - 2007. - Vol. 86. - Sept. - P. 253 -262.
112. Zhou J., Tsai H.-L. Mathematical Modeling of Laser Welding and Hybrid Laser-MIG Welding // Proc. of the Int. Conf. "Beam Technologies and Laser Aplication", Russia, Saint-Petersburg, 2006. - P. 27 - 36.
113. Zhou J., Zhang W.H., Tsai H.-L., Marin S.P., Wang P.C. Modelling of Hybrid Laser-Mig Welding Process // Laser Technologies in Welding and Materials Processing, Ukraine, Katsiveli, 2003. - P. 45 - 52.
114. Kaplan A., Wouters M., Nilsson K., Powell J. Fundamental Analysis of Hybrid Laser-MIG Welding // Proc. of the Int. Conf. "EUROJOIN 5", Austria, Vienna, 10-14 June 2004. - P. 67 - 75.
115. Земляков Е.В. «Теоретические основы гибридной лазерно-дуговой обработки материалов», дисс. к.т.н., Санкт-Петрбург, 2012. - 217 с.
116. Detection of Radiation of Powerful Fiber Lasers Reflected Back from Metals in Course of Laser Processing / Petrovskiy V.N., Prokopova N.M., Shcheglov P.Yu., Streltsov A.P., Vdovin Yu.A., and Yermachenko V.M. // Laser Physics Letters. - 2010. - Vol. 7. - №5. - P. 396-401.
117. Plume Attenuation of Laser Radiation During High Power Fiber Laser Welding / Shcheglov P.Yu., Uspenskiy S.A., Gumenyuk A.V., Petrovskiy V.N., Rethmeier M., and Yermachenko V.M. // Laser Physics Letters. - 2010. - Vol.8. -№6. - P. 475-480.
118. Исследование сварочного факела при сварке мощными волоконными лазерами / Щеглов П.Ю., Гуменюк А.В., Ретмайер М., Успенский С.А.,
Петровский В.Н. // Proc. of 5th Int. Conf. „Laser Technologies in Welding and Materials Processing", Katsiveli, Ukraine, 2010.
119. Influence of the Welding Plume on Laser Radiation during High Power Fiber Laser Welding / Shcheglov P.Yu., Gumenyuk A.V., Rethmeier M., Uspenskiy S.A., Petrovskiy V.N., Yermachenko V.M. // Book of Abstracts "20th International Laser Physics Workshop (LPHYS'11), 2011, Sarajevo, Bosnia and Herzegovina.
120. Experimental Investigation of the Laser-Plume Interaction during High Power Fiber Laser Welding / Shcheglov P., Gumenyuk A., Gornushkin I., Rethmeier M. // Proceedings of the 30th International Congress on Applications of Lasers & Electro-Optics (ICALEO-2011), 2011, Orlando, FL, USA.
121. Numerical Solution of Inverse Problem for Laser and Hybrid Welding with LaserCAD / Turichin G., Lopota V., Valdaitseva E., Malkin P., Zemlyakov E. // Proc. of the 3rd int. conf. "Mathematical modeling and information technologies in welding and related processes", E.O. Paton Electric welding institute, Kiev, 2006. -P. 301- 305.
122. Туричин Г.А., Валдайцева Е.А. САЕ-система LaserCAD для лазерной сварки // Металлообработка. Оборудование и инструмент для профессионалов. - 2009. -№6. - C. 92-93.
123. Методика выбора режимов лазерной сварки средствами LaserCAD / Валдайцева Е.А., Туричин Г.А., Норман Е.А., Земляков Е.В., Малкин П.Е. // Сборник трудов 5-й международной конференции "Лучевые технологии и применение лазеров", 2006, Россия, Санкт-Петербург. - C. 307-316.
124. Моделирование лазерной сварки алюминиево-литиевых сплавов с помощью системы LaserCAD / Туричин Г.А., Валдайцева Е.А., Schmidt M., Roth S. // Сборник трудов 6-й международной конференции "Лучевые технологии и применение лазеров", 2009. - C. 149-154.
125. Peculiarity of Phase Transformation Kinetics and Control of Material Microstructure Formation during Laser Hybrid Welding / Turichin G., Lopota V., Valdaitseva E., Zemliakov E., Bulkin Yu. // Proc. of the III Int. Conf. "Laser Technologies in Welding and Materials Processing", Ukraine, Kiev, 2007. - P. 126-130.
126. V.A. Karkhin. Prediction of microstructure and mechanical properties of weld metal in hybrid laser-arc welding / V.A. Karkhin, P.N. Homich, S. Yu. Ivanov, J. Karimi // Proc. of the 6 Int. Conf. "Beam Technology and Laser Aplication", Russia, Saint-Petersburg, 2012. - P. 38 - 44.
127. Numerical and experimental investigation of the formation mechanism and the distribution of the welding residual stress induced by the hybrid laser arc welding of AH36 steel in a butt joint configuration / H. Zhang, Y. Wang, T. Han, L. Bao, Q. Wu, Sh. Gu // Journal of Manufacturing Processes Volume 51, March 2020, Pages 95-108.
128. Experimental and numerical investigation of hybrid laser arc welding process and the influence of welding sequence on the manufacture of stiffened flat panels / Hammad, C. Churiaque, J. M. Sanchez-Amaya, Y. Abdel-Nasser // Journal of Manufacturing Processes Volume 61, January 2021, P. 527-538.
129. Hillenbrand H.-G., Liessem A., Biermann K., Heckmann C. J., Schwinn V. Development of Grade X120 Pipe Material for High Pressure Gas Transportation Lines // Proc. of IV Int. Conf. on Pipeline Technology, Belgium, Ostend, 2004.
130. Hillenbrand H.-G., Gras M., Kalwa Ch. Development and Production of High Strength Pipeline Steels // Proc. Of Int. Conf. Niobium, USA, Florida, Orlando, 2001.
131. Global Overview of Line Pipe // American Metals Markets 2nd Annual Pipe&Tube Conference, 2008.
132. Hillenbrand H.-G., Kalwa Ch. High Strength Line Pipe for Project Cost Reduction. World Pipelines. - Vol.2. - №1. - 2002.
133. Ishikawa N. Ultra-high-strength Linepipe X100-X120 // Welding International. -2011. - Vol.25. - №9. - P. 657-662.
134. Hillenbrand H.-G., Graf M., Kalwa Ch. Development and Production of High Strength Pipeline Steel // Niobium, USA, Florida, Orlando, 2001.
135. Grimpe F., Meimeth S., Heckmann C.J., Liessem A., Gehrke A. Development, Production and Application of Heavy Plates in Grades up to X120. Proc. of 1st International Conference "Super-High Strength Steels", Italy, Rome, 2005.
136. ГОСТ Р 52927-2008. Прокат для судостроения из стали нормальной, повышенной и высокой прочности.
137. Горячекатанные стальные листы и рулоны. Производственная программа // Ruukki, -18 с.
138. Qualification and Approval of Hybrid Laser-Arc Welding in Shipbuilding // Guidelines. - 2006. - №19. - P. 1-9.
139. И.А. Цибульский. Разработка технологии гибридной лазерно-дуговой сварки сталей для судостроения и строительства трубопроводов / И.А. Цибульский, Г.А. Туричин, Е.В. Земляков, Е.А. Валдайцева, М.В. Кузнецов, В.В. Сомонов // 7-я Международная конференция «Лучевые технологии и применение лазеров» Россия, Санкт-Петербург, 18-21 сентября, 2012. - С. 156 - 170.
140. J.K. Kristensen. Application of laser welding in the shipbuilding industry // Handbook of laser welding technologies. Edited by S. Katayama. - 2013. - P. 17.
141. L.H. Hu, J. Huang, Z.G. Li, Y.X. Wu. Effect of preheating temperature on cold cracks, microstructure and properties of high power laser hybrid welded 10Ni3CrMoV steel // Materials and Design. - 2011. - Vol.32. - P. 1931 - 1939.
142. Рыкалин Н.Н. Расчёты тепловых процессов при сварке: М.: Государственное научно-техническое издательство машиностроительной литературы, 1951. - 297 с., ил.
143. Cooper R., Silva J. H. F., Trevisan R. E. Influence of Preheating on API 5L-X80 Pipeline Joint Welding with Selfshielded Flux-cored Wire // Welding International. -2005. - Vol.19. - №11. - P.882 - 887.
144. M. Moradi, M. Ghoreishi, J. Frostevarg, A.F.H. Kaplan. An investigation on stability of laser hybrid arc welding // Optics and Lasers in Engineering. - 2013. -Vol.51. - P. 481 - 487.
145. K.Y. Benyounis, A.G. Olabi. Optimization of different welding processes using statistical and numerical approaches- A reference guide // Advances in engineering software. - 2008. - Vol.39. - Is.6. - P. 483-496.
146. H. Remes, P. Varsta. Statistical of the weld geometry for laser-hybrid welded joints and its application within notch stress approach // Welding in the World. - 2010. - Vol.54. - #7/8. - P. 189 - 207.
147. Спиридонов А.А. Планирование эксперимента при исследовании технологических процессов. М. Машиностроение, 1981. - 184 с., ил.
148. Винарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологических исследованиях, Изд. «Техника», Киев 1975. - 168 с., ил.
149. Лунёв В.А. Математическое моделирование и планирование эксперимента, Учеб. Пособие, СПб: Изд-во Политехн. Ун-та, 2006. - 164 с., ил.
150. Планирование эксперимента в исследовании технологических процессов, К. Хартман, Э. Лецкий, В. Шеффер. Изд. «Мир», М, 1977. - 552 с., ил.
151. Джонсон Н., Лион Ф. Статистика и планирование эксперимента в технике и науке: Методы планирования эксперимента. Пер. С англ. - М.: Мир, 1981. - 520 с., ил.
152. Планирование и анализ экспериментов при решении задач трения и износа, Евдокимов Ю.А., Колесников В.И., Тетерин А.И. М.: Наука, 1980 - 228 с., ил.
153. Малащенко А.А., Мезенов А.В. Лазерная сварка металлов: Учебное пособие. - М.: Изд-во Машиностроение, 1984. - 44 с.: ил.
154. Технологические процессы лазерной обработки, Григорьянц А.Г., Шиганов И.Н., Мисюров А.И. Учеб. пособие для вузов. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2006. - 664 с.: ил.
155. Теория сварочных процессов: Учеб. для вузов по спец. «Оборуд. и технология сварочн. пр-ва», В.Н. Волченко, В.М. Ямпольский, В.А. Винокуров и др.; Под ред. В.В. Фролова. - М.: Высш. шк., 1988. - 559 с.: ил.
156. Петров Г.Л., Тумарев А.С. Теория сварочных процессов (с основами физической химии). Учебник для вузов. Изд. 2-е перераб. - М.: Высш. школа, 1977. - 392 с.: ил.
157. Туричин. Г. Компьютерный анализ процессов лучевой обработки материалов: система моделирования LaserCAD. / Туричин Г., Валдайцева Е., Цибульский И. // Фотоника. 2008. №6. С. 18-21.
158. C. Roepke, S. Liu. Hybrid Laser Arc Welding of HY-80 Steel //Welding Journal. -2009. - Vol. 88. - P. 159 - 167.
159. X. Cao, P. Wanjara, J. Huang, C. Munro, A. Nolting. Hybrid fiber lase-Arc welding of thick section high strength low alloy steel // Materials and Design. - 2011. -Vol. 32. - P. 3399 - 3413.
Приложение А. Микроструктура сварных соединений
Сварное соединение №3.
Верхняя часть металла шва
Нижняя часть металла шва
Зона сплавления
Нижняя часть металла шва
> - -
/и«
Верхняя часть металла шва
Нижняя часть металла шва
Верхняя часть металла шва
Верхняя часть металла шва
Нижняя часть металла шва
Верхняя часть металла шва
Верхняя часть металла шва
Приложение Б. Диаграммы растяжения образцов
Диаграмма растяжения
7 6
О Н-1-1-1-1-1-1-1
О 0 5 1 15 2 2 5 3 3 5
Относительное удлинение, мм
Образец №3-1 Диаграмма растяжения
7 6
Относительное удлинение, мм
1 1.5 г 2.5
Относительное удлинение, мч
Образец №4-1
Диаграмма растяжения
7
6--
О 4-1-1-1-1-1-.-1
О 0,5 1 1,5 2 2.5 3 3.5
Относительное удлинение, мм
Образец №7-1
Диаграмма растяжения
В л-
7
О 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5
Относительное удлинение, мм
Относительное удлинение, мм
Образец №8-1 Диаграмма растяжения
7 -г
6
О Т-1-1-1-1-1-1-
О 0,5 1 1.5 2 2,5 3 3,5
Относительное удлинение, мм
О "Т I I I I I I I
О 0.5 1 1,5 2 2.5 Э 3.5
Относительное удлинение, мм
Образец №10-1
Диаграмма растяжения
7 6
х
а
1« а
0
£ 3
1
о
§ 2 с.
1
0
К—г-
0.5
1 1.5 2 2,5
Относительное удлинение, мм
3.5
Относительное удлинение, мм
Образец №11 -1
1 15 2 2,5
Отосительное удлинение, мм
1 1,5 2 2,5
Относительное удлинение, мм
Образец №15-1
1 1,5 2 2.5
Относительное удлинение, мм
Приложение В. Графики твёрдости сварных соединений
Твёрдость сварного соединения №3
Количество точек измерения
-♦— Верхняя линия *— Средняя линия — Нижняя линия
Твёрдость сварного соединения №4
Количество точек измерения
-♦— Верхняя линия «— Средняя линия -А— Нижняя линия
Твёрдость сварного соединения №7
Количество точек измерения
—•— Верхняя линия —■—Средняя линия а Нижняя линия
Твёрдость сварного соединения №8
—♦— Верхняя линия —■—Средняя линия А Нижняя линия
Твёрдость сварного соединения №10
Количество точек измерения
— Верхняя линия ■— Средняя линия -Д— Нижняя линия
Твёрдость сварного соединения №9
-♦— Верхняя линия ■■— Средняя линия -А— Нижняя линия
Твёрдость сварного соединения
400 п
350
р ё
а н
т
50 0
•-■
4 6 8 10 12
Количество точек
—< 14
-♦— Верхняя линия -■— Средняя линия Нижняя линия
Твёрдость сварного соединения №11(2)
Количество точек
— Верхняя линия •— Средняя линия -*— Нижняя линия
— Верхняя линия ■— Средняя линия -Д— Нижняя линия
Приложение Г. Графики силы и работы копра при испытании образцов на удар
(- образец № 1; - образец №2; образец №3.)
О 5 10 15 20 25 30
Прогиб образца, мм
Сварное соединение №3
f -Л
У у г
О 5 10 и 30 35 30
Прогпо образца, мм
Сварное соединение №4
Сварное соединение №7
уУ^
О 5 10 15 20 35 30
Прогпо образца, нн
Сварное соединение №8
Сварное соединение №9
Сварное соединение №11
Обратите внимание, представленные выше научные тексты размещены для ознакомления и получены посредством распознавания оригинальных текстов диссертаций (OCR). В связи с чем, в них могут содержаться ошибки, связанные с несовершенством алгоритмов распознавания. В PDF файлах диссертаций и авторефератов, которые мы доставляем, подобных ошибок нет.