Возникновение хампинг-эффекта при лазер-MIG сварке высокопрочной стали Ан-32

Хаскин В. Ю.; Коржик В. Н.; Клочков И. Н.; Цай Д.; Ло З.; Хан Ш.

<<ШУШетиМ~^©и©Мак>>#1Щ17)),2(0]9 / TECHNICAL science

19

УДК 621.791.725: 621.791.755.5

Хаскин В.Ю.1, Коржик В.Н.12, Клочков И.Н.2, Цай Д.1, Ло З.1, Хан Ш.1 1 - Китайско-украинский институт сварки им. Е. O. Патона, Гуанчжоу, КНР 2 - Институт электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины, Киев, Украина

DOI: 10.24411/2520-6990-2019-10365 ВОЗНИКНОВЕНИЕ ХАМПИНГ-ЭФФЕКТА ПРИ ЛАЗЕР-MIG СВАРКЕ ВЫСОКОПРОЧНОЙ

СТАЛИ АН-32

Khaskin V.1, Korzhyk V.1'2, Klochkov I.2, Cai Detao1, Luo Ziyi1, Han Shanguo1

1 - China-Ukraine E. O. Paton Institute of Welding, Guangzhou, China 2 - The Paton Electric Welding Institute of the NASU, Kiev, Ukraine

THE EMERGENCE OF A HUMPING-EFFECT IN LASER-MIG WELDING OF HIGH-STRENGTH

STEEL A^32

Аннотация.

Статья посвящена изучению хампинг-эффекта в корневой части шва при гибридной лазер-MIG сварке высокопрочной стали АН-32 толщиной 8,0 мм. Показано, что тенденция возникновения такого эффекта связана с вложением тепла и давлением дуги на жидкий металл ванны, производимыми дуговой составляющей. Одним из путей устранения этого эффекта может быть подбор параметров режима (сварочного тока и диапазона скоростей сварки) при соблюдении соотношения дуговой и лазерной мощностей 1:(2,5-3,0) и аналогичном соотношении погонных энергий дуговой и лазерной составляющих гибридного процесса.

Abstract.

The article is devoted to the study of the humping effect in the root part of the weld in hybrid laser-MIG welding of high-strength steel АН-32 with a thickness of 8.0 mm. Shown that the trend of this effect is associated with the heat and arc pressure on the liquid metal of the bath produced by the arc component. One of the ways to eliminate this effect can be the selection of parameters of the mode (welding current and welding speed range) in compliance with the ratio of arc and laser power 1:(2,5-3,0) and a similar ratio of the linear energy of the arc and laser components of the hybrid process.

Ключевые слова: лазерно-дуговая сварка, высокопрочная сталь, хампинг-эффект, устранение, подбор параметров режима.

Keywords: laser-MIG welding, high-strength steel, humping effect, removal, selection of mode parameters.

Высокопрочные стали широко применяют при изготовлении ответственных сварных конструкций. Из них изготавливают кузова самосвалов и фронтальных погрузчиков, ковши экскаваторов, дробилки, бетономешалки, различные элементы добывающего оборудования, узлы сельскохозяйственной техники, стрелы строительных кранов, применяют при изготовлении морских инженерных конструкций, строительстве тепловых электростанций и др. [1, 2]. При сварке таких сталей традиционно применяются технологии MIG/MAG сварки. В последние годы ведутся работы по частичной замене этих технологий более прогрессивными - лазерной и гибридной лазерно-дуговой сваркой [3]. Основными преимуществами гибридной лазерно-дуговой сварки с использованием дуги плавящегося электрода являются высокие показатели производительности и экономичности в сочетании с удовлетворительными механическими характеристиками, что делает этот процесс актуальным в условиях современного заводского производства.

Однако, проведенные рядом исследователей эксперименты показали, что одним из существенных недостатков гибридной лазерно-дуговой сварки высокопрочных сталей является возникно-

вение хампинг-эффекта, заключающегося в развитой квазипериодической волновой неустойчивости формирования верхнего и нижнего валиков усиления [4, 5]. При этом различные комбинации параметров режима гибридной сварки, обеспечивающие одинаковую глубину проплавления, характеризуются различной степенью стабильности формирования шва. Следует отметить, что хам-пинг-эффект может возникать в корневой части шва и при обычной лазерной сварке [6], а также при электронно-лучевой сварке [7]. По всей вероятности, его возникновение характерно для высококонцентрированных источников энергии и связано не столько с массой жидкого металла в сварочной ванне (толщиной свариваемого металла), сколько с ее гидродинамикой, нагревом и силами поверхностного натяжения на свободных поверхностях.

Целью данной работы является изучение особенностей возникновения хампинг-эффекта в корневой части шва при лазерно-дуговой сварке высокопрочной стали с использованием плавящегося электрода, а также определение возможности устранения этого эффекта за счет подбора параметров режима сварки.

Для проведения технологических экспериментов использовали образцы из стали АН-32 (табл.1)

TECHNICAL SCIENCE / <<Ш1ШМУМ~^©иГМа1>#«17)),2(0]9

20

размером (400...200)x100*8 мм. В ходе экспериментов применяли дисковый лазер TruDisk 10002 (фирма TRUMPF Laser GmbH, Германия) мощностью до 10,0 кВт с длиной волны излучения Х=1,03 мкм, гибридную сварочную головку FRONIUS Laser Hybrid (фирма FRONIUS, Австрия), закрепленную на руке робота KR 30 HA (фирма KUKA, Германия), и сварочный источник питания TPS 5000 (фирма FRONIUS, Австрия). В качестве электродной использовали проволоку ER-80 (01,2 мм) (табл.1). Гибридную лазерно-дуговую (лазер-MIG) сварку выполняли с защитой сварочной ванны аргоном в нижнем положении на весу (без формирующей обратный валик подкладки) при заглублении фокуса 1,5 мм и дистанции 1,0 мм между осью излучения и дугой на поверхности образца.

В ходе проведения технологических экспериментов хампинг-эффект наблюдался при сварке на

Согласно такой гипотезе выплески металла в корневой части должны носить периодический характер, причем расстояние между выплесками должно быть тем меньше, чем больше тепловложе-ние. Построенная по результатам экспериментов соответствующая графическая зависимость показала обратный эффект (рис. 1). Кроме того, производимое путем понижения величины сварочного тока снижение тепловложения в сварочную ванну с одновременным уменьшением силы давления дуги на неё не дало положительный эффект, вплоть до токов порядка 200-220 А.

По всей видимости, квазипериодичность хам-пинг-эффекта связана не только с тепловложением, но и с комплексом сложных гидродинамических явлений, происходящих в сварочной ванне. Вероятно,

сравнительно высоких скоростях (У=1,8-2,0 м/мин) при высоких значениях мощности излучения (Р=7,0-8,0 кВт) и сварочного тока (1=250-300 А). При анализе получаемых результатов первоначально рассматривалась гипотеза о том, что выплески жидкого металла сварочной ванны прямо пропорционально связаны с накоплением в ней тепла за счет теплоемкости и скрытой теплоты плавления основного металла, что приводит к периодическому ослаблению действия сил поверхностного натяжения, удерживающих жидкий металл в корневой части ванны. При вытекании определенной части жидкого металла температура ванны понижается и силы поверхностного натяжения вновь обеспечивают стабильное формирование корня шва до следующего момента накопления теплоты, критической для действия этих сил.

в том числе нужно учитывать стабильность взаимодействия лазерного излучения с плазмой дуги и само давление дуги на сварочную ванну. Для более тщательного анализа влияния параметров режима лазерно-дуговой сварки на выплески жидкого металла в корневой части шва провели ряд технологических экспериментов (табл.2). При этом стояла задача сохранения достаточно высокой производительности процесса сварки, для чего старались добиться максимально возможной скорости. В качестве подхода к устранению хампинг-эффекта был принят путь снижения величины сварочного тока, как первоочередного фактора связанного с тепло-вложением и давлением дуги на жидкий металл ванны.

Таблица 1.

Химический состав высокопрочной стали АН-32 и сварочной проволоки ER-80 (масс.%).

Элемент С Mn Al Si P S Nb V Cr Мо Cu

Содержание в стали АН-32 <0,18 0,701,60 >0,015 0,10,5 <0,04 <0,04 0,0150,050 0,030,10 - - -

Содержание в проволоке БЯ-80 0,080,10 1,01,35 - 0,60,7 <0,012 <0,01 - - 1,101,25 0,500,58 <0,2

<<ШУШетиМ~^©и©Мак>>#1Щ17)),2(0]9 / TECHNICAL SCIENCE

21

Рис. 1. Зависимость расстояния Ь [мм] между выплесками металла в корне шва от силы сварочного тока I [А] при лазерно-дуговой сварке высокопрочной стали (Р=7,0-8,0 кВт, ¥=1,8-2,0 м/мин).

Проведенные эксперименты показали, что устранение хампинг-эффекта возможно при мощности лазерного излучения 7,0 кВт при малом (111 А) сварочном токе в диапазоне скоростей 1,70-1,75 м/мин (102-105 м/ч) (см. эксперименты №5 и №11 в табл.2). При этом лазерная и дуговая погонные энергии сварки составляют: Е1а8=233-240 Дж/мм и Емю=81-84 Дж/мм. Такой узкий диапазон изменения параметров режима свидетельствует о низкой

стабильности процесса лазерно-дуговой сварки высокопрочной стали АН-32 (5=8,0 мм) в выбранном скоростном диапазоне. В литературе (например, [4, 5]) одним из рекомендованных путей устранения хампинг-эффекта является снижение скорости сварки. Однако, при этом не только снижается производительность процесса, но и теряются преимущества гибридной сварки, связанные с малым теп-ловложением.

Таблица 2.

Результаты технологических экспериментов по лазер-МЮ сварке высокопрочной стали АН-32

(6=8,0 мм).

22

23

1 2 3 4 789 30 1 234567894

Таким образом, изучение хампинг-эффекта в корневой части шва при гибридной лазер-MIG сварке высокопрочной стали АН-32 толщиной 8,0 мм показало, что тенденция возникновения такого эффекта связана с вложением тепла и давлением дуги на жидкий металл ванны, производимыми дуговой составляющей. Одним из путей устранения этого эффекта может быть подбор параметров режима (сварочного тока и диапазона скоростей сварки) при соблюдении соотношения дуговой и лазерной мощностей 1:(2,5-3,0) и аналогичном соотношении погонных энергий дуговой и лазерной составляющих гибридного процесса.

Примечание. Работа выполнялась в рамках проекта №2018GDASCX-0803 «Research and development of laser and plasma technologies for hybrid welding and cutting (Научно-исследовательские разработки лазерных и плазменных технологий гибридной сварки и резки)», Guangzhou, China, а также в рамках специального проекта № 2017GDASCX-0411 Capacity - Building of Innovation - Driven Development for Special Fund Projects Программ Академии наук провинции Гуандун (КНР) «Исследование физико-химических процессов при взаимодействии паровой плазмы с поверхностью металлов и разработка научных основ технологии водо-воздушной плазменной резки листовых сталей для получения сварных соединений».

Список литературы.

1. Сидоров Л. Использование высокопрочных сталей в машиностроении // НМ-Оборудование, №5, 2005. - С. 58-60.

2. Гехт А.Х. О применении высокопрочных сталей для краностроения // Технология машиностроения и организация производства, №4, 2014. -С. 23-26.

3. Лазерно-дуговая сварка высокопрочных сталей с пределом текучести более 700 МПа / В.Д. Позняков, В.Д. Шелягин, С.Л. Жданов и др. // Автоматическая сварка, №10, 2015. - С. 20-25.

4. Гибридная лазерно-дуговая сварка металлов больших толщин / Г.А. Туричин, И.А. Цибульский, Е.А. Валдайцева, А.В. Лопота // Сварка и диагностика, №3, 2009. - С. 16-23.

5. Механизмы влияния динамических процессов при высокоскоростной лазерной, лазерно-дуго-вой и электронно-лучевой сварке на формирование дефектов сварных швов / Г.А. Туричин, Е.А. Валдайцева, О.Г. Климов и др. // Сварка и диагностика, №3, 2015. - С. 23-27.

6. Humping in welding with single-mode fiber lasers / C. Thomy, T. Seefeld, F. Wagner, F. Vollertsen // Conference: ICALEO® 2006: 25th International Congress on Laser Materials Processing and Laser Microfabrication, Scottsdale, USA, Oct.30-Nov.2, 2006. - P. 543-552.

7. Атмосферная электронно-лучевая сварка листовых материалов и ее применение в промышленности / Ф.-В. Бах, А.Е. Беньяш, К. Лау, Г. Кремер // Материалы Первой Санкт-Петербургской международного научно-технической конференции. -СПб.: ООО «Агентство "ВиТ-Принт"», 2008, 210 с. - С. 67-85.

THE EMERGENCE OF A HUMPING-EFFECT IN LASER-MIG WELDING OF HIGH-STRENGTH STEEL AН-32

Текст научной работы на тему «Возникновение хампинг-эффекта при лазер-MIG сварке высокопрочной стали Ан-32»