CC BY
2
ШЖЕНЕРШ НАУКИ
УДК 621.791.72 https://doi.Org/10.35546/kntu2078-4481.2022.3.1
A. В. БЕРНАЦЬКИй
1нститут електрозварювання iменi С. О. Патона Нацюнально! академи наук Укра!ни
ORCID: 0000-0002-8050-5580 В. Ю. ХАСК1Н
1нститут електрозварювання iменi С. О. Патона Нацюнально! академи наук Укра!ни
ORCID: 0000-0003-3072-6761 О. В. СЮРА
1нститут електрозварювання iменi С. О. Патона Нацюнально! академи наук Укра!ни
ORCID: 0000-0003-1927-790Х
B. А. ЛУКАШЕНКО
1нститут електрозварювання iменi С. О. Патона Нацюнально! академи наук Укра!ни
ORCID: 0000-0002-9685-4654 О. О. ДАНИЛЕЙКО
1нститут електрозварювання iменi С. О. Патона Нацюнально! академи наук Укра!ни, Навчально-науковий iнститут матерiалознавства та зварювання iменi С. О. Патона Нацюнального технiчного унiверситету Укра!ни «Ки!вський полiтехнiчний iнститут iменi 1горя Сшорського»
ORCID: 0000-0002-8501-0421
ПЕРСПЕКТИВИ ЛАЗЕРНОГО ТА Г1БРИДНОГО ЛАЗЕРНО-ДУГОВОГО ЗВАРЮВАННЯ ТРУБНИХ СТАЛЕЙ
Одним зi способiв виршення проблеми зварювання магктральних трубопроводiв е застосування лазерного випромтювання у якостi джерела нагрiву. Завдяки малим розмiрам зварювальног ванни й кута сходження сфоку-сованого лазерного випромтювання лазерне зварювання надае можливкть для значного зменшення кута розробки крайок, що зварюються. Порiвняно невелик значення погонноI енергИ, пов'язанi з високими швидкостями лазерного зварювання, дозволяють мiнiмiзувати тепловий вплив на деталi, що зварюються, а, отже, зменшити розмiр ЗТВ i залишковi деформацИ. Дрiбнозернисmi структури литого металу шва й ЗТВ сприяють пiдвищенню корозтно! стiйкостi зварних з'еднань. Пбридне лазерно-дугове зварювання трубних сталей дозволяе знизити потужтсть лазерного випромтювання, частково замтивши його бшьше дешевою потужтстю електричног дуги з розрахунку 1 кВт дуги замкть ~0,5 кВт лазерного випромiнювання для 8>5 мм. При потужностях лазерного випромтювання до 3 кВт застосування гiбридного процесу зварювання сталей доцшьно до товщини сттки 8=10 мм, понад яку гли-бина проплавлення не зростала, незалежно вiд зниження швидкостi зварювання. Для зварювання бшьших товщин доцшьно використовувати випромтювання з бшьшими потужностями. У цих же цшях можливе застосування багатопрохiдного лазерного або гiбридного зварювання. При гiбридному зварюваннi ширина шва й ЗТВ збшьшуеть-сяу порiвняннi з лазерним. Шдвищення швидкостей зварювання й вмкту вуглецю в основному металi призводять до утворення в ЗТВ небажанихмартенситних структур. Дляусунення цього недолк дворазового перевищення дуговог потужностi в порiвняннi з лазерною недостатньо. Хоча додатковий тепловий вплив електричног дуги й дозволяе управляти термiчним циклом процесу для одержання необхiдних структур металу шва й ЗТВ, однак цей момент потрiбно вивчати додатково. Отримат авторами результати свiдчать про те, що не дивлячись на досить висок досягнутi значення ударног в'язкостi необхiднi подальшi до^дження, спрямоваш на зниження твердостi ЗТВ при гiбридному лазерно-дуговому зварюваннi. При лазерному зварюваннi кнуе небезпека утворення гартiвних структур як у ЗТВ, так i в литому металi шва. До^дження структур, одержуваних у зварених з'еднаннях трубних сталей багатопрохiдним лазерним i лазерно-дуговим зварюванням, а також ударног в'язкостi й корозШно! стiйкостi цих з'еднань, дозволяють вважати перспективним застосування зазначених способiв зварювання для тдвищенняресурсу експлуатацИ трубопровiдного транспорту.
Ключовi слова: трубнi сталi, магктральн трубопроводи, лазерне зварювання, гiбридне лазерно-дугове зварювання, структура, властивостi.
A. V. BERNATSKYI
E. O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
ORCID: 0000-0002-8050-5580 V. Yu. KHASKIN
E. O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
ORCID: 0000-0003-3072-6761 O. V. SIORA
E. O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
ORCID: 0000-0003-1927-790X V. A. LUKASHENKO
E. O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine
ORCID: 0000-0002-9685-4654 O. O. DANYLEIKO
E. O. Paton Electric Welding Institute of the National Academy of Sciences of Ukraine, E. O. Paton Educational and Research Institute of Material Science and Welding of the National Technical University of Ukraine "Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute"
ORCID: 0000-0002-8501-0421 PROSPECTS OF LASER AND HYBRID LASER-ARC wELDING OF PIPE STEEL
One of the ways to solve the problem of welding main pipelines is to use laser radiation as a heating source. Due to the small dimensions of the welding bath and the angle of convergence of the focused laser radiation, laser welding provides an opportunity to significantly reduce the angle of development of the edges to be welded. Relatively small values of linear energy, associated with high speeds of laser welding, allow to minimize of the thermal effect on the parts being welded, and, therefore, reduce the size of HAZ and residual deformations. The fine-grained structures of the cast metal of the weld and HAZ help to increase the corrosion resistance of weldedjoints. Hybrid laser-arc welding of tubular steels allows for to reduction of the power of laser radiation, partially replacing it with cheaper electric arc power at the rate of 1 kW ofarc instead of 0.5 kW of laser radiation for S>5 mm. With laser radiation powers up to 3 kW, the use of the hybrid process of steel welding is expedient up to a wall thickness of 5=10 mm, beyond which the penetration depth did not increase, regardless of the reduction in welding speed. For welding larger thicknesses, it is advisable to use radiation with higher powers. For the same purposes, it is possible to use multi-pass laser or hybrid welding. In hybrid welding, the width of the seam and HAZ increases compared to laser welding. An increase in welding speeds and carbon content in the base metal leads to the formation of undesirable martensitic structures in HAZ. To eliminate this drawback, a twofold increase in arc power compared to laser power is not enough. Although the additional thermal effect of the electric arc allows you to control the thermal cycle of the process to obtain the necessary structures of the weld metal and HAZ, this point needs to be studied further. The results obtained by the authors indicate that, despite the fairly high obtained values of impact toughness, further research aimed at reducing the hardness of HAZ during hybrid laser-arc welding is necessary. During laser welding, there is a danger of the formation of hardening structures both in the HAZ and in the cast metal of the seam. The study of the structures obtained in the welded joints ofpipe steels by multi-pass laser and laser-arc welding, as well as the impact strength and corrosion resistance of these joints, allows us to consider the application of the specified welding methods to increase the service life of pipeline transport as promising.
Key words: pipe steel, main pipelines, laser welding, hybrid laser-arc welding, structure, properties.
Постановка проблеми
До основних сучасних завдань зварювання мапстральних трубопроводiв, як i B3araii багатьох трубних кон-струкцш, можна ввднести наступш [1-3]:
• потреба в шдвищенш ресурсу експлуатацп зварених з'еднань (наприклад, за рахунок зменшення зернис-тосл металу шва й ЗТВ, що сприяе зниженню темтв межкристаллитной корози);
• проектування й будiвництво великих трубопровщних систем (у т.ч. мiжконтинентaльного й транснацю-нальних) високого тиску (порядку 10...15 МПа для сухопутних i 20...25 МПа для морських трубопроводiв);
• використання для будiвництвa трубопроводiв нових високомщних сталей (Х70, Х80, Х100, X120);
• пвдвищення продуктивносп пращ й автоматизащя процесу зварювання;
• виконання зварювальних ремонтних робгг на сучасному рiвнi, який вщповщае сформульованим вище завданням.
Одним зi способiв ршення вказаних завдань е застосування лазерного випромiнювaння у якосп джерела на^ву [4-6]. Завдяки малим розмiрaм зварювально! ванни й кута сходження сфокусованого лазерного випромь нювання лазерне зварювання надае можливють для значного зменшення кута розробки крайок, що зварюються. Порiвняно невелик! значення погонно! енерги, пов'язаш з високими швидкостями лазерного зварювання, дозволя-ють мiнiмiзувaти тепловий вплив на детал^ що зварюються, а, отже, зменшити розм!р ЗТВ i зaлишковi деформаци.
Дибнозернисп структури литого металу шва й ЗТВ благотворно позначаються на пiдвищеннi корозшно! стш-костi зварених з'еднань.
Aналiз останнiх досл1джень i публiкацiй
В останш роки в процесi зварювання для монтажу магiстральних трубопроводiв широко застосовуються р!з-номанiтнi процеси автоматичного зварювання з високим ступенем автоматизацп, низькою трудомiсткiстю, гарною формою зовшшнього вигляду зварних швiв, високою швидк1стю зварювання тощо [7-9].
Традицшно, для вирiшення задач зварювання мапстральних трубопроводiв використовують багатодугове зварювання [7]. Однак, використання ще! технологи не повнютю вiдповiдаe вказаним вимогам. Це пов'язано з такими особливостями ще! технологи, як значш енерго- i тепловкладання. В результатi виникае ряд недолМв: великий розмiр зварювально! ванни i ЗТВ, схильнiсть до виникнення гарячих трiщин, велик! витрати приса-джувального дроту, необхiднiсть наступно! терм!чно! обробки (вщпуску), значнi залишковi термiчнi деформаци, необхiднiсть рихтування товстостшних вироб!в, пов'язана з використанням потужного пресового обладнання, необхiднiсть у попередньо! мехашчно! розробщ крайок тд кутом 30° i бiльше.
Для усунення бшьшосп з перерахованих недолiкiв була розроблена технолопя контактного зварювання сталей значних товщин. В 1ЕЗ !м. £.О. Патона розроблено технологи та обладнання для стикового зварювання непе-рервним оплавленням трубопровод!в дiаметром ввд 57 до 1420 мм [10]. До переваг цього способу ввдносяться висока продуктившсть (6-12 стик1в у годину), виконання зварювання без допом!жних матерiалiв, стабiльнiсть процесу. Однак, мае мюце такий недолiк, як утворення грату не лише назовнi, але й на внутршнш частинi звар-ного стику. Часто останнiй лишаеться у трубопровод! й згодом вщриваеться, уноситься течiею та попадае тд запiрнi клапани, виводячи !х з ладу. Ще одним недолiком можна вважати пор!вняно невисоку ударну в'язшсть. Так, для сталi Х70 при температурi -30°С ударна в'язк1сть шв!в KCV становить 35...67 Дж/см2, у той час, як при такш температурi бажано одержати значення у 1,5-2 рази бшьш!
Альтернативною технолопею, яка дозволить усунути вказанi недол1ки, е одно- i багатопрохвдне лазерне та пбридне лазерно-дугове зварювання з плавким електродом [11-13]. Завдяки пор!вняно невеликим розм!ру зварювально! ванни i куту сходження лазерного випромшювання попередня розробка крайок не повинна перевищу-вати 10.. .20°, що призводить до мiнiмiзацi! термiчного впливу на основний метал i розм!р ЗТВ, зниження р!вню залишкових деформацiй, тдвищення продуктивносп процесу. Для зварювання технолопчного шву, потр!бного при виготовленш труб, розробка крайок взагал! не виконуеться. Зниження соб!вартосп обладнання, яке викорис-товуеться для запропонованого процесу, можливе за рахунок частково! замши лазерное' потужносп дуговою.
Перспективним е впровадження технолопчних процеав лазерно-дугового зварювання трубних сталей тов-щиною понад 20 мм, а також необх1дного для !х реал1зацп додаткового оснащення, як! дозволять тдвищити продуктившсть зварювання, знизити соб!вартють зварних конструкцш, локал!зувати терм!чний вплив, усунути потребу у фшшнш мехашчнш обробщ (рихтуванш), отримати з'еднання !з ударною в'язк1стю ! твердютю, близь-кими до ударно! в'язкосп та твердосп основного металу.
Для зварювання трубних сталей окр!м пбридного, було запропоновано використання двопроменевого лазерного процесу [14]. Така технологя забезпечуе формування зварного шву при сумарнш потужносп 8 кВт без загрози значних втрат лазерно! потужносп у плазм!, що утворюеться над зварювальною ванною. Ф!зико-меха-шчш властивосп зварного з'еднання, виконаного двопроменевим лазерним зварюванням на трубних сталях класу К60 товщиною 8-12 мм, знаходяться на р!вш основного металу. Структура останнього, як ! структура шву, -ферито-перлггна, др!бнозерниста, з твердютю металу зварного шву, що не перевищуе 260 НУ При натурних випробуваннях труб, як1 були звареш двопроменевим лазерним зварюванням, руйнування вщбулося при тиску у труб! 20 МПа, що в 3 рази перевищуе робочий тиск. Не дивлячись на застосування розщеплення випром!ню-вання ! фокусування його у дв! р!зш плями, такий споаб зварювання можна розглядати як однопрох1дний.
Проведений анал!з лггературних джерел сввдчить про необхвдшсть розробки додаткових технолопчних прийо-м!в для однопрохщного лазерного зварювання сталей !з товщинами понад 10 мм. З! сказаного випливають основш проблеми, що постають перед нами при розробщ технолопчних прийом!в лазерного ! пбридного лазерно-дуго-вого зварювання трубних сталей.
Формулювання мети дослщження
Метою роботи е дослвдження можливостей збшьшення ресурсу мапстральних трубопровод!в шляхом застосування технологш лазерного та пбридного лазерно-дугового зварювання трубних сталей.
Викладення основного матерiалу дослвдження
Для експерименпв по пбридному зварюванню була прийнята технолопчна схема, показана на рис. 1. 1з ще! схеми видно, що лазерне випром!нювання розташовувалося спереду по ходу зварювання, а дуга плавкого елек-трода - позаду. При цьому основним завданням лазерного випром!нювання було забезпечення необхщно! гли-бини провару, а дуги - формування верхнього тдсилення й така змша терм!чного циклу зварювання, при якш не вщбувалося б утворення небажаних бейшгаих ! мартенситних структур. В експериментах застосовували випро-мшювання потужного СО2-лазера.
Дослвдження, проведет за схемою рис. 1, показали, що при однопрохвдному зварюванш сталей товщиною бшьше 5=5 мм 1 кВт дугово! потужносп здатний замшити 0,5 кВт потужносп лазерного випромшювання. Це означае, що пбридне зварювання дозволяе знизити соб1варпсть застосовуваного устаткування й погонного метра звареного шва.
Рис. 1. Схема зварювання пбридом лазерного випромшювання й дуги плавкого електрода iз захистом вуглекислим газом [7]: 1 - лазерне випромшювання потужшстю Р, кВт; 2 - фокусуючий об'ектив з фокусною вщстанню F, мм; 3 - захисне сопло; 4 - присаджувальний дргг; 5 - мвдний мундштук для пiдведення струму; 6 - зразок; Узь - швидккть зварювання, м/год; Упр - швидккть подач1 присаджувального дроту, м/год; ДF - заглиблення горловини каустики випромшювання щодо поверхн1 зразка, мм; а - кут нахилу електрода до ос лазерного пучка, °; L - довжина дуги, мм; I - струм дуги, А;
и - напруга на дуз^ В
Однак з'ясувалося також, що при фжсованш потужносп лазерного випром1нювання максимальна глибина провару також е фшсованим параметром, тобто при зменшенш швидкосл зварювання в певний момент цей параметр перестае збшьшуватися (зростае ширина шва). У нашому випадку при потужносп випромшювання СО2-лазери до 3 кВт 1 близькш дуговш потужносп глибина провару досягла 10 мм при 30 м/год. Отже, для зварювання трубних сталей б1льших товщин можна застосувати два пвдходи: або тдвищувати потужшсть лазерного випромшювання, або перейти до багатопрохщного зварювання. Обидва щ тдходи мають сво! недолши: перший вимагае значних економ1чних витрат 1 приводить до зниження тривалосп терм1чного циклу зварювання (а, в1д-повщно, й до утворення небажаних гарпвних структур), другий же - призводить до зниження продуктивности
Нами були проведет дослвдження багатопрохщного лазерно-дугового зварювання трубних сталей товщиною до 20 мм у вузьку розробку. Приклади структур зразшв, отриманих у ход1 проведення експерименлв, представлен на рис. 2 1 рис. 3. Окр1м вибору параметр1в технолопчного режиму дослщжувалися металограф1чш особли-вост1 отриманих зразк1в, !хня корозшна спйюстъ 1 ударна в'язшсть.
Рис. 2. Макроструктура стикового з'еднання зi сталi 10Г2ФБ (5=19 мм), звареного пбридним лазерно-дуговим способом за 4 проходи: Р=2,7 кВт; Узв=25 м/год.; Упр=400 м/год (01,2мм); 1=200 А; и=25 В; захист - СО2 з витратою Q=20 л/хв
Рис. 3. Стикове з'еднання стали 13Г1С-У (5=14,3 мм, розробка крайок Х-подiбна, 30°, iз притупленням 5 мм) зварене за 2 проходи в гiбридi з дугою плавкого електрода Св-08Г2С 0(1,2 мм) випромшюванням Nd:YAG-лазера в захист сумiшшю 82%Аг+18%С02 (Q=14 л/хв): Р=4,0 кВт, 1=260 А, и=27 В,
Узв=30 м/год, Vпр=510 м/год
Структуру металу зварних з'еднань, наведених на рис. 2 та рис. 3, вивчали за допомогою оптичного м!кро-скопу "№орЬО-21" при збшьшеннях 100-500 крат тсля травления шл1ф!в у 4%-ному розчиш азотно! кислоти у етиловому спирт!. Твердють визначали за допомогою мшротвердом!ру М400 ф!рми 'Ъесо" при навантаженш 4,9Н (500 гр.).
Вщомо, що застосування лазерно-дугового зварювання !з присаджувальним дротом дозволяе значно тдвищити ширину шва пор!вняно !з вузьким "кинджальним" швом, що характерний для лазерного зварювання. У роз-глянутому на рис. 3 випадку цьому в обох проходах коефщент форми шва знаходився в межах К=1,6...1,7. Такий коефщент К також е характерним для дугових процеав зварювання труб товщиною 12-16 мм. Ширина шва пер-шого проходу змшюеться в!д 3,4 мм у найбшьш вузькому мющ, до 12,4 мм у верхнш частит шва. Ширина шва другого проходу складала, ввдповщно, ~2,5 мм ! ~16 мм. Шов другого проходу мае форму, близьку до так звано! грибопод!бно!. Довжина ЗТВ, що обмежена в!зуально видними змшами структури стал1, знаходиться у межах 1,3...4,6 мм. У дослвджуваних перетинах шл!фу шви в обох проходах без пор ! трщин. Структури шв!в першого ! другого проход!в практично однаково др!бнозернисп й становлять собою сумш р!зних форм фериту. В тш зерна переважно наявний голчастий ферит !з сшввщношенням сторш 1:(3...8), у тому числ! й з д!лянками, що характе-ризуються високим кутом розор!ентування зерен за типом «плетшня корзини». Виявлеш також внутризенистий полиональний ферит ! видшення МАК-фази. Доля м!жзеренного пол1гонального фериту за висотою шв!в колива-еться в межах 5...8% у верхнш частит шва ! 15...18% у його середнш та нижнш частинах. Цей тип фериту видшя-еться по вторинним межам у вигляд! сущльних прошарувань шириною 0,006...0,013 мм ланцюжшв або скупчень окремих зерен ! дшянок бокового пластинчастого фериту, часто !з видшеннями МАК-фази пластинчастого типу. Твердють металу шв!в складае HV0,5 - 226...235. В зон! вторинного нагр!ву шва першого проходу, яка межуе !з зоною проплавлення, наявш зерна первинного аустешту 4-6 балу !з оторочками межзереного полионального фериту. Довжина ц!е! зони дор!внюе 0,16...0,33 мм. За зоною крупного зерна йде зона нормал!заци розм!ром 0,33...0,39 мм, що складаеться в основному !з зерен полионального фериту, р!зно! морфолог!! видшень перлпу ! МАК-фази зернистого типу. Вигляд мшроструктур металу шв!в двох проход!в наведений на рис. 4.
а б в г
Рис. 4. Мжроструктура металу швiв першого i другого проходiв, х500: (а) - метал шва другого проходу; (б) - ЗКЗ в металi шва першого проходу; (в) - зона нормалiзащi в металi шва першого проходу;
(г) - метал шва першого проходу
У зразку наведеному на рис. 3, структура металу зони крупного зерна (ЗКЗ), яка безпосередньо межуе iз литим металом швiв, являе собою верхнш бейтт iз окремими дiлянками мартенситу iз розмiром зерна 4-5 балу. Феритт прошарки по границях зерен практично ввдсутш. Довжина ЗКЗ змшюеться в межах 0,26...0,91 мм. Твердють металу ще! зони знаходиться в межах Н^,5 - 258...293. Структура металу зони дрiбного зерна (ЗДЗ) складаеться iз сумiшi дрiбних (7-11 балу) зерен бейнгту, фериту i рiдких видiлень мартенситу i перлиу. Довжина ще! зони складае 0,91...2,34 мм. Структура металу зони частково! перекристалiзацil (ЗЧП), що мае довжину 0,39...1,04 мм, формуеться з розрихлених сферощизованих зерен перлiту i зерен фериту. Вигляд мiкроструктур окремих дмнок ЗТВ шва другого проходу показаний на рис. 5.
а б в г
Рис. 5. Мшроструктура металу ЗТВ, х500: (а) - зона крупного зерна; (б,в) - зона дрiбного зерна; (г) - зона частковоТ перекристалiзацii
Крiм зварювання стик1в дослiджувалося також питания лазерного й пбридного зварювання кореневого шва. Було встановлено, що для одержання яшсного валика зворотного тдсилення при зварюваинi такого шва, прове-деного з боку розробки, остання повинна бути U-подiбною або прямокутною (рис. 6).
в) г)
Рис. 6. Лазерне зварювання кореневого шву на сталi 13Г1С-У (6=14,3 мм): (а) i (б) - з V-подiбною розробкою; (в) i (г) - з U-подiбною розробкою; (а) i (г) - без присаджувального дроту; (б) i (в) - з дротом Св-08Г2С 01,2 мм (Р=4,4 кВт, VЗВ=16 м/год)
У випадку Y-подiбноl розробки вiдбуваеться утягування металу шва, що е дефектом формування з'еднання. Завдання значно спрощуеться у випадку зварювання з боку притупления (з боку, протилежному розробщ). У зв'язку iз цим нами запропонований технологiчний прийом одержання яшсного зворотного тдсилення, що представляе собою лазерне зварювання, яке проводиться вщповвдно до показано! на рис. 7 схемг За тею схемою притуплення величиною 5...7 мм зварюеться випромшюванням СО2-лазера потужнiстю до 5 кВт без викорис-тання присаджувального дроту. Такий технологiчний прийом дозволяе одержувати пiдсилення висотою порядку
0,5...1,0 мм за рахунок зб№шення об'ему переплавленого металу. При цьому структура металу шва й ЗТВ е дрiб-нозернистою й мае пiдвищену стшшсть до корози, що е важливим моментом, оск1льки такий шов пропонуеться виконувати усерединi труби, тобто в шсщ контакту з агресивним середовищем. При використаннi пропонованого технологiчного прийому припустимий зазор мiж кромками, що зварюються, повинен становити 0,1...0,3 мм.
Рис. 7. Схема орб^ального зварювання кореневого шва для монтажу трубних стпкчв: 1 - СО2-лазер; 2 - обертальний променепровiд; 3 - поворотне дзеркало; 4 - лазерна зварювальна головка; 5 - неповоротний трубний стик
Корозшт випробування отриманих за 3-5 проходiв лазерним, лазерно-дуговим i дуговим зварюванням зраз-шв зi сталi 13Г1С-У (5=14,3 мм) проводили шляхом холодного хiмiчного травления в 6%-ному розчинi азотно! кислоти. При !хньому проведеннi оцiнювали час витравлювання мiжкристалiчних дiлянок швiв i ЗТВ до певно! глибини. У результат! було встановлено, що найкращу стiйкiсть до розтравлювання мають з'еднання, виконаи лазерним зварюванням, а найпршу - дуговим. Гiбридне зварювания займае промiжие положения.
Проведенi за методом Шарт (на зразках з гострим надрiзом при -20°С) вимiри ударно! в'язкосл KCV [Дж/см2] показали наступне (рис. 8). У випадку двопрохщного лазерно-дугового зварюваиня метал шва мае значно бшьшу ударну в'язк1сть у порiвняннi з основним металом, шж при чотирьохпрохвдному зварюваннi. Метал ЗТВ навпроти, при чотирьохпрох1дному зварюваинi мае дещо бiльшу в'язк1сть, н1ж при двопрохщному (порiвняно з основним металом). Це можна пояснити тим, що при чотирьохпрохвдному зварюваннi кожиий наступний проход термiчно впливае на попереднш, а при виконуванiй iз двох сторш зразка двопрохiдного - такий вплив майже виключаеться. Таким чином, при чотирьохпрохвдному зварюваннi ввдбуваеться перекристалiзацiя металу шва й нормалiзацiя ЗТВ, а при двопрохщному - переважно зберiгаються тi структури, як1 первинно утворилися при зварюваинi. Це пвдтверджують i металографiчнi дослвджения. Так, у металi шва й ЗТВ чотирьохпрохвдного зразка (рис. 2) пере-важають ферито-перлiтнi структури. Подiбнi структури спостерииються й у металi шва двопрохщного зразка (рис. 3). Однак у ЗТВ останнього е дiлянки верхнього бейнггу й мартенситу, що сприяе пвдвищенню твердосп в цих областях понад граиичнi значення НВ 260-280, умовно показаних на рис. 9 товстою горизонтальною лшею.
1 г
Рис. 8. Результати вимiру ударноТ в'язкостi KCV [Дж/см2] при -20°С у швах i ЗТВ зразшв:
1 - зi сталi 13Г1С-У (d=14,3 мм), зварених гiбридним способом за два проходи;
2 - зi сталi 10Г2ФБ (d=19 мм), зварених пбридним способом за чотири проходи
Вщзначимо, що найбiльша твердеть спостерiгаеться в мiсцi переходу зони крупного зерна (ЗКЗ) до зони дрiбного зерна (ЗДЗ) (рис. 9). Це мюце варто вважати найбшьш критичним до ударних i циктчних наваитажень. Саме тому зразки для вимiру ударно! в'язкостi, значения яко! наведенi на рис.6, намагалися виконувати так, щоб гострий надрiз доводився в цш зонi.
зварюванш сталi 13Г1С-У (6=14,3 мм): ЗКЗ - зона крупного зерна; ЗДЗ - зона дрiбного зерна;
ЗЧП - зона частковоТ перекристалiзащl; ОМ - основний метал
Отримаш авторами результата сввдчать про те, що не дивлячись на досить висок1 досягнут значения ударно! в'язкостi необхвдт подальшi дослвдження, спрямоваиi на зниження твердостi ЗТВ при гiбридному лазерно-дуговому зварюваинi. При лазерному зварюванш юнуе небезпека утворення гартiвних структур як у ЗТВ, так i в литому металi шва. У даний час питания, пов'язаш з допустимютю таких структур (у зв'язку з !х дрiбнодис-перснiстю й пластичшстю) або !хиiм усуненням (за рахунок наступно! термообробки або застосування додатко-вих техиологiчних прийомiв), перебувають на стадi! дослвджень.
Висновки
1. Дослвдження структур, одержуваних у зварених з'еднаннях трубних сталей багатопрохвдним лазерним i лазерно-дуговим зварюванням, а також ударно! в'язкосп й корозшно! спйкосп цих з'еднань, дозволяють вва-жати перспективним застосування зазначених способiв зварювання для пвдвищення ресурсу експлуатацi! тру-бопровiдного транспорту. Так, лазерно-дугове зварювання трубних сталей дозволяе досягти значень ударно! в'язкосп при -20°С у швах до 80%, а у ЗТВ - до 70-80% вщносно аналопчного показника для основного металу.
2. Гiбридне лазерно-дугове зварювання трубних сталей дозволяе знизити потужшсть лазерного випро-мiнюваиия, частково замiнивши його бшьше дешевою потужиiстю електрично! дуги з розрахунку 1 кВт дуги зашсть ~0,5 кВт лазерного випромiнювання для 5>5 мм.
2. При потужностях лазерного випромiнюваиня до 3 кВт застосування пбридного процесу зварювання сталей доцшьно до товщини стшки 5=10 мм, понад яку глибина проплавлення не зростала, незалежно вщ зниження швидкостi зварювання. Для зварювання бшьших товщин доцiльно використовувати випромiнювання з бiльшими потужностями. У цих же щлях можливе застосування багатопрохщного лазерного або гiбридного зварювання.
3. При пбридному зварюваинi ширина шва й ЗТВ збшьшуеться у порiвняннi з лазерним. Щдвищення швидкостей зварювання й вмюту вуглецю в основному металi призводять до утворення в ЗТВ небажаних мартенситних структур. Для усунення цього недолжу дворазового перевищення дугово! потужносп в порiвняннi з лазерною недостатньо.
4. Хоча додатковий тепловий вплив електрично! дуги й дозволяе управляти термiчним циклом процесу для одержання необхщних структур металу шва й ЗТВ, однак цей момент потрiбно вивчати додатково.
Список використано'1 л1тератури
1. Guillal, A., Abdelbaki, N., Gaceb, M., Bettayeb, M. Effects of martensite-austenite constituents on mechanical properties of heat affected zone in high strength pipeline steels-review. Chemical engineering transactions. 2018. № 70. P. 583-588. https://doi.org/10.3303/CET1870098
2. Feng, Y., Ji, L., Chen, H., Jiang, J., Wang, X., Ren, Y., ... Li, S. Research progress and prospect of key technologies for high-strain line pipe steel and pipes. Natural Gas Industry B. 2021. Vol. 8. № 2. P. 146-153. https://doi.org/10.1016/j. ngib.2020.09.015
3. Ustundag, O., Gook, S., Gumenyuk, A., Rethmeier, M. Hybrid laser arc welding of thick high-strength pipeline steels of grade X120 with adapted heat input. Journal of Materials Processing Technology. 2020. Vol. 275. P. 116358. https://doi.org/10.1016/jjmatprotec.2019.n6358
4. Qi, X., Di, H., Sun, Q., Wang, X., Chen, X., Gao, Y., Liu, Z. A comparative analysis on microstructure and fracture mechanism of X100 pipeline steel CGHAZ between laser welding and arc welding. Journal of Materials Engineering and Performance. 2019. Т. 28. № 11. C. 7006-7015. https://doi.org/10.1007/s11665-019-04412-5
5. Wang, G., Wang, J., Yin, L., Hu, H., Yao, Z. Quantitative correlation between thermal cycling and the microstructures of X100 pipeline steel laser-welded joints. Materials. 2019. Vol. 13. № 1. P. 121. https://doi.org/10.3390/ma13010121
6. Ramakrishna R, V. S. M., Amrutha, P. H. S. L. R., Rahman Rashid, R. A., Palanisamy, S. Narrow gap laser welding (NGLW) of structural steels—a technological review and future research recommendations. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2020. Vol. 111. №. 7. P. 2277-2300. https://doi.org/10.1007/s00170-020-06230-9
7. Sharma, S. K., Maheshwari, S. (2017). A review on welding of high strength oil and gas pipeline steels. Journal of Natural Gas Science and Engineering. 2017. Vol. 38. P. 203-217. https://doi.org/10.1016/jjngse.2016.12.039
8. Maksymov, S. Yu., Gavrilyuk, A. A., Krazhanovskiy, D. M. Development of the technology of semi-automatic arc welding for the conditions of overhaul and reconstruction of the linear part of the main gas pipelines of Ukraine. The Paton Welding Journal. 2020. № 11. P. 32-35. https://doi.org/10.37434/tpwj2020.11.07
9. Makhenko, O. V, Milenin, O. S., Velikoivanenko, O. A., Rozynka, G. P., Kozlitina, S. S., Pivtorak, N. I., Dzyubak, L. I. Numerical analysis of the features of limiting state of welded pipeline elements under ultra-low-cycle loading conditions. The Paton Welding Journal. 2021. № 1. P. 32-37. https://doi.org/10.37434/tpwj2021.01.06
10. Kuchuk-Yatsenko, S. I., Kazymov, B., Zagadarchuk, V., Didkovsky, A. Development of technology of combined joining of position butts of thick-walled pipes of high-strength steels. The Paton Welding Journal. 2015. № 10. P. 2-9. https://doi.org/10.15407/tpwj2015.10.01
11. Shelyagin V., Khaskin V., Bernatskyi A., Siora A., Sydorets V, Chinakhov D. Multi-pass laser and hybrid laser-arc narrow-gap welding of steel butt joints. Materials Science Forum. 2018. Vol. 927. P. 64-71. https://doi.org/10.4028/www. scientific.net/MSF. 927.64
12. Bachmann, M., Gumenyuk, A., Rethmeier, M. Welding with high-power lasers: Trends and developments. Physics Procedia. 2016. Vol. 83. P. 15-25. https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.08.003
13. Shelyagin, V. D., Khaskin, V Yu., Bernatsky, A. V., Siora, A. V. Prospects of application of laser and hybrid technologies of welding steels to increase service life of pipelines. The Paton Welding Journal. № 10. P. 29-32.
14. Kratky, A., Schuocker, D., Liedl, G. Processing with kW fibre lasers: advantages and limits. In XVII International Symposium on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers. April 2009. Vol. 7131. P. 493-504. SPIE. https://doi.org/10.1117/12.816655
References
1. Guillal, A., Abdelbaki, N., Gaceb, M., and Bettayeb, M., "Effects of martensite-austenite constituents on mechanical properties of heat affected zone in high strength pipeline steels-review", Chemical engineering transactions, vol. 70, pp. 583-588, August 2018, https://doi.org/10.3303/CET1870098.
2. Feng, Y., Ji, L., Chen, H., Jiang, J., Wang, X., Ren, Y., ... and Li, S., "Research progress and prospect of key technologies for high-strain line pipe steel and pipes", Natural Gas Industry B, vol. 8, no. 2, pp. 146-153, April 2021, https://doi.org/10.1016Zj.ngib.2020.09.015.
3. Ustundag, O., Gook, S., Gumenyuk, A., and Rethmeier, M., "Hybrid laser arc welding of thick high-strength pipeline steels of grade X120 with adapted heat input", Journal of Materials Processing Technology, vol. 275, p. 116358, January 2020, https://doi.org/10.1016/jjmatprotec.2019.116358.
4. Qi, X., Di, H., Sun, Q., Wang, X., Chen, X., Gao, Y., and Liu, Z., "A comparative analysis on microstructure and fracture mechanism of X100 pipeline steel CGHAZ between laser welding and arc welding", Journal of Materials Engineering and Performance, vol. 28, no. 11, pp. 7006-7015, November 2019, https://doi.org/10.1007/s11665-019-04412-5.
5. Wang, G., Wang, J., Yin, L., Hu, H., and Yao, Z., "Quantitative correlation between thermal cycling and the microstructures of X100 pipeline steel laser-welded joints", Materials, vol. 13, no. 1, p. 121, December 2019, https://doi.org/10.3390/ma13010121.
6. Ramakrishna R, V S. M., Amrutha, P. H. S. L. R., Rahman Rashid, R. A., and Palanisamy, S., "Narrow gap laser welding (NGLW) of structural steels - a technological review and future research recommendations", The International Journal of Advanced Manufacturing Technology, vol. 111, no. 7, pp. 2277-2300, December 2020, https://doi.org/10.1007/s00170-020-06230-9.
7. Sharma, S. K., and Maheshwari, S., "A review on welding of high strength oil and gas pipeline steels", Journal of Natural Gas Science and Engineering, vol. 38, pp. 203-217, February 2017, https://doi.org/10.1016/j.jngse.2016.12.039.
8. Maksymov, S. Yu., Gavrilyuk, A. A., and Krazhanovskiy, D. M., "Development of the technology of semi-automatic arc welding for the conditions of overhaul and reconstruction of the linear part of the main gas pipelines of Ukraine", The Paton Welding Journal, no. 11, pp. 32-35, November 2020, https://doi.org/10.37434/tpwj2020.11.07.
9. Makhenko, O. V., Milenin, O. S., Velikoivanenko, O. A., Rozynka, G. P., Kozlitina, S. S., Pivtorak, N. I., and Dzyubak, L. I., "Numerical analysis of the features of limiting state of welded pipeline elements under ultra-low-cycle loading conditions", The Paton Welding Journal, no. 1, pp. 32-37, January 2021, https://doi.org/10.37434/tpwj2021.01.06
10. Kuchuk-Yatsenko, S. I., Kazymov, B., Zagadarchuk, V, and Didkovsky, A., "Development of technology of combined joining of position butts of thick-walled pipes of high-strength steels", The Paton Welding Journal, no. 10, pp. 2-9, October 2015, https://doi.org/10.15407/tpwj2015.10.01.
11. Shelyagin V., Khaskin V, Bernatskyi A., Siora A., Sydorets V., Chinakhov D., "Multi-pass laser and hybrid laser-arc narrow-gap welding of steel butt joints", Materials Science Forum, vol. 927, pp. 64-71, July 2018, https://doi. org/10.4028/www.scientific.net/MSF.927.64.
12. Bachmann, M., Gumenyuk, A., and Rethmeier, M., "Welding with high-power lasers: Trends and developments", Physics Procedia, vol. 83, pp. 15-25, September 2016, https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.08.003
13. Shelyagin, V D., Khaskin, V Y., Bernatsky, A. V., and Siora, A. V, "Prospects of application of laser and hybrid technologies of welding steels to increase service life of pipelines", The Paton Welding Journal, no. 10, pp. 29-32, October 2010.
14. Kratky, A., Schuocker, D., and Liedl, G. (2009, April). Processing with kW fibre lasers: advantages and limits. In XVII International Symposium on Gas Flow, Chemical Lasers, and High-Power Lasers, vol. 7131, pp. 493-504, SPIE, April 2009, https://doi.org/10.1117/12.816655.
