автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.10, диссертация на тему:Разработка технологий гибридной сварки CO2-лазер+GMAW бейнитных сталей с ультранизким содержанием углерода

На правах рукописи

Чжао Фучэнь

Разработка технологий гибридной сварки ССЬ-лазер+вМАХУ бейнитных сталей с ультранизким содержанием углерода

Специальность 05.02.10—сварка, родственные процессы и технологии

4848647

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 ИЮН 2011

Санкт-Петербург-2011

4848647

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный политехнический университет".

Экспериментальная часть работы проведена в Лоянском НИИ судостроительных материалов (КНР).

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор,

Башенко Всеволод Владимирович Официальные оппоненты: доктор технических наук,

старший научный сотрудник, Суздалев Игорь Владимирович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, Вихман Варерий Борисович Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие " Центральный научно-исследовательский институт конструкционных материалов «Прометей» "

«^4

Д.2

» июня 2011г. в

ГС

.часов на заседании

Защита состоится

диссертационного совета Д.212.229.26 при ГОУ ВПО " Санкт-Петербургский государственный политехнический университет" по адресу:

195251, Россия, г. Санкт-Петербург, ул. Политехническая, д. 29, учебный корпус 1, ауд. 41.

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке ГОУ ВПО " Санкт-Петербургский государственный политехнический университет"

Автореферат разослан «

мая 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профес

исенко В.Н.

Общая характеристика работы

Актуальность работы

Благодаря высокому уровню прочности, ударной вязкости, хладостойкости н другим свойствам, а также низкой стоимости бейнитные стали с ультранизким содержанием углерода (УНСУ) широко используют при создании важных инженерных сооружений. При использовании традиционых методов дуговой сварки этих сталей встретились проблемы снижения прочности и вязкости в металле ЗТВ из-за большой погонной энергии, а гибридная сварка лазер+дуга имея серию достоинств лазерной сварки, одновременно характеризуется высокой приспособляемостью к зазору и хорошим формированием шва по сравнению с лазерной сваркой, поэтому гибридная сварка лазер+дуга считается рациональным вариантом сварки плавлением бейнитных сталей. Многопроходная гибридная сварка обладает оптимальным соотношением положительного эффекта и затрат и высоким коэффициентом использования энергии. При гибридной сварке лазер+дуга много технологических факторов оказывают большое влияние на устойчивость процесса сварки и формирование шва (в том числе и образование дефектов), тем самым влияет на качество сварки, структуру и механические свойства металла сварного соединения. Кроме того, в процессе гибридной сварки лазер+GMAW происходит переход капель металла в ванну, он сильно влияет на устойчивость процесса и качество сварки. Большинство ученых уделяет большое внимание разработке и освоению технологии сварки, а детальному исследованию многопроходной гибридной сварки и процессу перехода капель в ванну недостаточно.

Цель работы

Разработка гибридной сварки листов бейнитных сталей с УНСУ, исследование технологий многопроходной сварки ССЬ-лазер+МЮ, анализ перехода капель и его влияние на процесс гибридной сварки, создание теоретического обоснования и практической основы для регулирования и обеспечения стабильности процесса сварки, которые позволят внедрить и применять гибридную сварку лазер+MIG в сварочном производстве.

Основные задачи

Анализ закономерностей влияния технологических параметров на формирование многопроходного шва при гибридной сварке, определение оптимального диапазона параметров, который позволяет получить качественное формирование многопроходного шва для соединений листов толщиной 12 мм бейнитных сталей с УНСУ.

Изучение часто встречающихся дефектов таких как: поры, трещины, несплавления, включения и т.п., анализ основных характеристик дефектов, причин их образования, и путей их устранения.

Сравнительное исследование характеристик перехода капель в сварочную ванну в процессе гибридной сварки С02-лазер+МЮ и традиционой сварки MIG, разработка физикоческой модели перехода капель при гибридной сварке, изучение поведений перехода капель и физического механизма их изменения.

Рассмотрение закономерностей влияния технологических параметров на период и стабильность перехода капель, форму шва, установление взаимосвязи между ними, улучшение оптимальных технологических параметров.

Исследование механических свойств и микроструктур металла сварных соединений бейнитных сталей с УНСУ, выполненных гибридной сваркой, поиск взаимосвязи между свойствами и структурой.

Научная новизна

1) Разработана технология многопроходной гибридной сварки лазер+МЮ бейнитных сталей с УНСУ и показана возможность технической реализации процесса при условии получения равнопрочного соединения. Благодаря низкой погонной энергии гибридная сварка лазер+МЮ позволяет предотвратить снижение вязкости и прочности металла ЗТВ, имеющей место при традиционой дуговой сварке бейнитных сталей с УНСУ, одновременно повысить устойчивость процесса перехода капель и стабильность сварки, вместе с тем, уменьшить сварочные деформации и повысить производительность.

2) Установлены закономерности влияния технологических факторов на характеристики перехода капель при гибридной сварке лазер+МЮ, на основе анализа механизма перехода капли при введении лазера и предложен оптимальный диапазон технологических параметров.

3) Разработана физическая модель силового воздействия на каплю в процессе гибридной сварки, учитывающая аэродинамическую силу плазмы и давление паров металла, испаряющихся из каверны. '

Практическая значимость

Результаты выполненных в диссертационной работе исследований будут использованы при разработке промышленной технологии многопроходной гибридной сварки конструкционных марок стали с повышенной чувствительностью к термическому циклу сварки.

Апробация работы

Основные результаты докладывались и обсуждались на 13-ой и 14-ой конференциях "Применение лазеров в промышленности" Всекитайского научного общества сварки (08.2008г. и 08.2009г.) , и на научном форуме "Применение высококонцентрированных источников энергии в сварочном производстве" Международного научного общества сварки (05.2010г.) , на научных семинарах "Современное оборудование и технология сварочного производства для судостроения" Всекитайского научного общества судостроительной инженерии Китайской корпорации СУДОТЯЖПРОМ (10. 2009г.).

Публикации

По теме диссертации опубликовано 6 статей в Российских и зарубежных изданиях. Список основных публикаций приведен в конце автореферата.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, семи глав, общих выводов. Работа представлена на 98 страницах текста, содержит 102 рисунка, 13 таблиц, 95 наименований использванных литературных источников.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы исследования, сформулированы цель и задачи диссертационной работы, раскрывается её научная новизна и практическая значимость.

Первая глава посвящена анализу современного состояния исследований бейнитных сталей с УНСУ и гибридной сварки лазер+дуга.

Бейнитные стали с УНСУ представлены целым рядом марок стали

широкого назначения с 80-х годов 20 века. Исследования и разработки по легированию изменили традиционные подходы к системам легирования существующих низколегированных высокопрочных сталей. В сталях с УНСУ содержание углерода ниже 0.05%, это позволило исключить отрицательное влияние углерода на вязкость бейнита. Путём регулирования процессов прокатки и охлаждения (процессы ТМСР и [1РС) получена бейнитная матрица-с высокой плотностью дислокаций. Структура этих сталей характеризуются мелкидисперсным реечным бейнитом и игольчатым ферритом при низком содержании зеренного бейнита. Развитие технологий современной металлургии: применение конверторов со сверхдутьем, внепечного рафинирования, микролегирования, совместного легирования, а также внедрение непрерывного литья, передовых технологий с контролируемой прокаткой и регулируемым охлаждением и т. д. позволило снизить содержания С, Б, Р, получить более чистую сталь, осуществить измельчение микрозерен. При этом удалось значительно повысить комплекс свойств, что определило развитие и использование бейнитных сталей с УНСУ в промышленном масштабе. Упрочнение бейнитных сталей с УНСУ преимуществено опирается не на суммарное содержание С и др. легирующих элементов, а на вклады измельчения структуры, повышения плотности дислокаций, упрочнения матрицы за счет выделения соединений, содержащих V, "Л, МЬ, а также е -Си и др. фаз. При традиционых дуговых методах сварки этих сталей встретились проблемы снижения прочности стали в ЗТВ из-за уменьшения плотности дислокаций и снижения вязкости из-за быстрого роста зерен, значительных сварочных деформаций и низкой производительности.

При лазерной сварке средних и толстых листов можно обрабытывать разделку и заполнять ее проволокой, но требование к зазору жесткое, и приспособляемость к зазору низкая, кроме того, коэффициент использования энергии низкий, а себестоимость высокая.

Благодаря объединению преимуществ лазерной и дуговой сварки гибридная сварка лазер+ОМАХУ имеет большую глубину проплавления и скорость сварки, высокую приспособляемость к зазору, хорошее формирование шва и т.п. К тому же дуга позволяет повышать коэффицент поглощения материалом энергии лазера. Вместе с тем понижается стоимость сварки по сравнению с лазерной сваркой, поэтому эта технология может быть использована для сварки листов средней и большой толщины. Кроме того, улучшение формирования шва достигается с помощью регулирования параметров взаимодействия лазера и дуги. А регулирование состава и структуры металла шва осуществляется присадочной проволокой. Так как скорость охлаждения при гибридной сварке ниже, чем при лазерной сварке, это снижает склоность к закалке металла шва и ЗТВ, и повышает стойкость к образованию трещин. Поэтому гибридная сварка выгодна для понижения необходимой температуры предварительного подогрева под сварку или при сварке без подогрева. Гибридная сварка характеризуется незначительными сварочными деформациями по сравнению с традициоными дуговыми методами, что сокращает послесварочные операции и обработки. Лазер способствует более глубокому проплавлению дугой стыка при наличии узкого зазора, что способствует лучшему формированию корня шва при сварке металла средних толщин. Но дуга сама, создавая плазму, оказывает определенное экранирующее воздействие при прохождении лазерного луча.

Экранирование будет очень заметно, если нерационально регулируются параметры взаимодействия лазера и дуги при ее большой мощности.

Полученные данные показали, что в последние годы особенно большое внимание уделяют гибридной сварке листов средней и большой толщины. После того, как с 1985г. японский ученый Б. Nagata и др. проводили испытания гибридной сварки, гибридная сварка показала необыкновенные преимущества и большой потенциал использования. Затем во многих странах выполнялось большое количество исследований по увеличению глубины проплавления при гибридной сварке дуга+С02-лазср или УАО-лазср, и с разным успехом внедрили гибридную сварку в практику сварочного производства. Однако при гибридной сварке лазер+ОМА\У представляет практический интерес особенности перехода капель расплавленной проволоки в ванну, неразрывно связанный с качеством сварки. Для гибридной сварки лазер+(ЗМА\У важные направления исследования в основном ориентированы на сварку листов средней толщины (12 мм). Гибридная сварка имеет особенные параметры, которые возникли в результате взаимодействия лазера с дугой, поэтому оптимальные сочетания параметров играют важную роль, сильно влияют на качество сварки и являются основой разработки и освоения технологии сварки. Многие исследователи процесса гибридной сварки отмечают влияние технологических факторов на глубину проплавления, формирование шва, стабильность сварки, например, положение луча лазера по отношению к положению проволоки (0ЬА), расстояние фокуса луча от верхней поверхности листов (с1), скорость подачи проволоки, поток защитных газов(ПЗГ), состав защитных газов(СЗГ), направление сварки и т.д.

Для сварки листов средней и большой толщины применяется как гибридная сварка "дуга+лазер высокой мощности" за один проход, так и "дуга+лазер средней и малой мощности" при многопроходной сварке. Однопроходная сварка значительно повышает производительность, но стоимость высокомощного лазера значительно выше. Многопроходная сварка имеет лучшее комплексное соотношение положительного эффекта и расходов. При проектировании разделки для гибридной сварки листов средней и большой толщины, особенно для многопроходного варианта при использовании лазера средней и малой мощности, некоторые ученые на основе испытаний показали, что на качество шва влияет не только угол разделки, но и форма нижнего (корневого) участка разделки. Часто встречающиеся дефекты, например, трещины, подрезы, поры и т.д. появляются как при многопроходной сварке, так и при однопроходной сварке. Неоптимальные параметры сварки часто приводят к образованию несплавлений, шлаковых включений и других дефектов.

Введение лазера влияет на переход капель в ванну в процессе ОМА\¥ -сварки, но в настоящее время основные работы по изучению механизма в основном ориентированы на исследования взаимодействия луча лазера различной природы с дугой, имеющей разные характеристики, на компьютерную моделирование сварки по следующим параметрам: напряжению и току дуги, тепло- и массопереносу и т.д., а исследований по влиянию характеристик перехода капель в ванну очень мало, при этом существуют очевидные разногласия в точках зрения.

Во второй главе представлены исследуемые в работе материалы, оборудование и методики исследований. Представлены химический состав и

механические свойства стали марки 1!ЬСВ700 (С-0.038%) и химический состав проволоки ВОНбО (01.2 мм). Для выполнения исследований создан специальный комплексный стенд, состоящий из системы гибридной сварки МЮ+СОг-лазер выходной мощностью 3 кВт и ниже, системы регистрации характеристик тока и напряжения дуги и высокоскоростной кинокамеры. Макроанализ соединения проводился при визуальном осмотре макрошлифов, а микроанализ - металлографическими исследованиями с применением оптического микроскопа и электронных микроскопов (БЕМ и ТЕМ). Анализ характеристик перехода капель проводился с использованием метода сравнения параметров и состояния дуги, капли, шва и т. д., и методов математической статистики.

В третье» главе приведены характеристики формирования шва при многопроходной гибридной сварке (МПГС). Параметры технологий МПГС лазер+(ЗМА\У для гарантии качественного формирования двухстороннего шва без дефектов разрабатывались на основе технологических параметров наплавки и однопроходной сварки. Но МПГС сложнее по сравнению с однопроходным вариантом, потому что совсем разные роли играют первый и завершающий валики. С помощью наплавки и однопроходной сварки можно изучать следующие параметры: мощность лазера, ток и напряжение дуги, скорость сварки, скорость подачи проволоки, вылет проволоки, ПЗГ, СЗГ, 0[.а> с!, направление сварки и т.д.

Проведен анализ влияния защитных газов (Аг, Не и СОг) на устойчивость сварки и формирование шва. Испытания показали, что при защите аргоном с ростом мощности лазера высота и объем плазмы увеличиваются. Плазма препятствует прохождению луча лазера для эффективного нагрева детали. При мощности более 2000 Вт глубина проплавления немного увеличивается с ростом мощности лазера, это явление тесно связано с действием плазмы лазера. А при использовании смеси Аг+Не глубина проплавлення почти линейно увеличивается с ростом мощности лазера благодаря подавлению плазмы гелием. Отмечено, что в смеси с 15% Не значительно уменьшается объем плазмы лазера; с 20% Не - плазма почти не видна, вместе с тем процесс сварки стабильный; с 35% Не и выше стабильность падает, количество брызг металла постепенно увеличивается. Так как гелий обладает большой теплопроводностью при высокой температуре, он быстрее передает теплоту дуги, тем самым сильно влияет на форму ванны и форму шва. Потенциал ионизации Не значительно выше, чем Аг, это повышает напряжение при одинаковом токе и длине дуги, тем

Мощность лазера/Вт Мощность лазера/Вт Содержание Нс/%

Рис. 1 Зависимость глубины проплавления от мощности лазера и содержания Не в смеси газов

При защите в смеси Аг + Не процесс сварки стабильный, однако при формировании шва часто возникают подрезы и образуется большое усиление. Добавка различного количества С02 в защитные газы значительно влияет на стабильность и формирование шва (рис. 2). Кислород, выделенный из С02, способствует снижению поверхностного натяжения металла в ванне, тем самым повышается жидкотекучесть и смачивание. Но с увеличением С02 количество брызг постепенно возрастает. Результаты сварки показывают, что можно получить стабильный процесс сварки, меньшее количество брызг и хорошее формирование шва при содержании ССЬ в диапазоне 1-3%. ___

¡НШ"' - - i¡|p4|

а) 80%Аг+20%Нс Ь) 79%Аг+20%Нс+1%С03 с) 75%Аг+20%Нс+5%С03

Рис. 2 Влияние содержания С02 в смеси на состояние поверхности и формирование шва

При выполнении корня шва форма разделки кромок, зазор в стыке и другие геометрические факторы оказывают большое влияние на формирование и качество шва (рис. 3). Увеличение угла разделки или зазора позволяет существенно увеличить ширину разделки, тем самым повысить эффективность проплавления корня шва дугой. Так как при гибридной сварке лазер+MIG от энергии лазера зависит качество проплавления, необходимо обеспечить не только наличие определенной ширины разделки в корне шва, но и сохранение определенного притупления.

а) С зазором в корне шва I мм, Ь) без зазора в корне шва. с) Улучшенная и-образмая угол разделки 30°; угол разделки 60° разделка кромок

Рис.3 Формирование швов с У-образной (а-Ь) и и-образной (с) разделкой кромок (при <1=- 1мм)

На основе экспериментальных данных, полученных на сварных образцах при различных формах разделки кромок, были выбраны оптимальные условия и режимы сварки, при которых можно достичь хорошее формирование шва: 1) сохранение притупления в корне шва для более эффективной работы лазера; 2) достаточное пространство в нижней части разделки для нагрева дугой; 3) регулирование ширины и угла верхнего участка разделки кромок для снижения расхода наплавленного металла.

По характеристикам сталей с УНСУ и изложенному принципу выбора разделки кромок предложена улучшенная форма нижней части разделки, величина притупления, угол и ширина разделки, которые показаны на рис.4.

Рис. 4 Формирование шва на пробе с улучшенной и-образной формой разделки кромок

На основе проведённых испытаний получены улучшенные технологические параметры для гибридной сварки листов толщиной 12 мм бейнитной стали с УНСУ: при сварке корня шва следует жестко регулировать с/ в притуплении (часто с) примерно -1мм); а с1 = -[ мм ...+ 1 мм позволяет получить хорошую форму шва при заполняющих проходах. В процессе гибридной сварки лазер не

только ведет и стабилизирует ауту, но и повышает эффективность плавления проволоки. Таким образом, увеличение скорости подачи проволоки позволяет повысить производительность сварки. На основании полученных результатов эксперимента необходимо подчеркнуть, что скорость подачи проволоки имеет сильное влияние при МПГС листов из бейнитной стали с УНСУ толщиной 12 мм, и следует выбирать повышенную скорость подачи проволоки для повышения производительности сварки.

Как показали эксперименты (рис. 5), при многопроходной сварке с увеличением количества проходов погонная энергия каждого прохода уменьшается и ширина прохода по глубине становится более равномерной. При этом погонная энергия последующего прохода больше чем предыдущего. С учетом этого, а также производительности для соединения пластин толщиной 12 мм рекомендуется сварка за 3 прохода. Поэтому дальнейшая работа была ориентирована на вариант 3-проходной гибридной сварки.

Рис. 5 Формирование шва при 2-проходной (а), 3-проходной (Ь). 4-проходной (с) и 5-проходной сварке ((1) Из рис. 6а следует, что, когда лазер находится впереди дуги, зона действия одного лазера выражена явно. А когда дуга находится впереди лазера, усиление становится больше и ширина меньше, а сопряжение шва резко.

а) Лазер-дуга Ь) Дуга-лазер

Рис,6 Сечение шва при различных последовательностях движения сварочных источников при гибридной сварке (Р-2000 Вт, 1=120 А, 1=20 л/мин, 25%Нс)

В четвёртой главе проведён анализ причин образования и способов устранения дефектов при гибридной сварке СОг-лазер+вМАУ/ бейнитных сталей с УНСУ. В процессе гибридной сварки могут появляться несплавления, трещины, поры и шлаковые включения. Большинство этих дефектов образуется из-за неоптимальных параметров сварки. Для улучшения параметров сварки следует раскрывать причины образования дефектов и искать способы их устранения.

а) Очень узкая разделка Ь) Широкая разделка

Рис.7 Влияние конструктивных элементов разделки на образование несплавления

Несплавления главным образом располагаются между валиком и кромкой, иногда между валиками. Когда ширина разделки выбрана не правильно , дуга неравномерно нагревает кромки, тем самым металл ванны с холодными

кромками не сплавляются. Выпуклая форма предыдущего валика легко вызывает несплавление. Регулирование тока, напряжения и элементов разделки может полностью устранить несплавление(рис.7-8).

.................................................~~ I У 4

а) Выпуклый валик 1-го прохода и заполняющие валики шва Ь)Вогиутый валик 1-го прохода и заполняющие валики шва Рис.8 Влияние вогнутого и выпуклого валиков на образование несплавления

Трещины иногда появляются в центре шва первого или второго валиков, имеют типичный вид горячей трещины (рис.9а-Ь). Уменьшение коэффициента формы шва (<р), увеличение скорости охлаждения или неравномерное охлаждение приводят к образованию трещин из-за сварочных напряжений (рис.9а). Выбор оптимальной высоты валиков и умеренное охлаждение помогают устранять трещины(рис.9с).

...........-................. ГШ

Рис.9 Влияние температуры подогрева на образование трещины: а и Ь без подогрева при температуре 0 °С (Ь-увеличение 300), с- с подогревом 50 °С.

Поры при гибридной сварке бывают неправильной формы и круглыми, большинство из них возникают в нижней части заполняющих валиков. Нестабильность процесса сварки, колебания нижней части каверны являются причиной образования большинства пор. Если скорость сварки большая, а скорость подачи проволоки не оптимальная, то это будет мешать стабильности каверны, тем самым увеличивается опасность порообразования. В технологии следует выбирать оптимальную высоту для каждого валика, поэтому надо определять оптимальное количество проходов, слишком много валиков или мало будут приводить к росту вероятности образования пор (рис. 10). Увеличение погонной энергии, удлинение времени кристаллизации ванны, уменьшение скорости подачи проволоки и снижение объёма каверны способствуют снижению порообразования.

Рис. 10 Влияние количества проходов на образование пор при сварке: Рис. 11 Включение

а- за 2 прохода, Ь- за 3 прохода, с- за 4 прохода и (1- за 5 проходов (2,5 ) 300

Включения образуются в нижней части шва из-за недостаточного расплавления падающих в ванну брызг в узком пространстве (рис. 11). Слишком большая скорость подачи проволоки нарушает устойчивость перехода капель, это тоже приводит к повышению вероятности образования шлаковых включений. Рациональное увеличение погонной энергии и уменьшение скорости подачи проволоки в основном могут устранить эти дефекты.

На основании многих испытаний получены уточнённые параметры для гибридной сварки бейнитных сталей с УНСУ толщиной 12 мм за 3 прохода,

обеспечивающие оптимальное сочетание качества и производительность сварки. Оптимальные параметры нижеследующие: конструктивные элементы разделки показаны на рис. 4; лазер впереди дуги по направлению сварки; мощность лазера 2200-2800 Вт; скорость сварки 0,8-1 м/мин; ток сварки 160-220 А; напряжение 24-30 В; состав смеси 79% Аг+20% Не+1% С02; расход газов 30 л/мин; расстояние между лучом лазера и концом проволоки О = 3 мм.

Глава 5 посвящена исследованиям характеристик перехода капель и состоянию действующих на неё сил в процессе гибридной сварки СО;>

лазер+МЮ

■■Р ш

и М | ЗИИиВИ - IV I■ ьс- I

• н 11 : 11И1 III III В11!№;я||1|1}11 1р Я

.....;;

Рис. 12 Изменение тока и напряжения дуги и формирование шва до и после введения лазера

На рис.12 видно, что гибридная сварка имеет более стабильный процесс, меньше брызг и более равномерное расположение мелких чешуек на шве по сравнению со сваркой МЮ.. Таким образом, формирование и качество шва улучшается. В МЮ при переходе капель ток дуги колеблется в диапазоне от нескольких десятков до 400А, а напряжение—от нескольких до ЗОВ, к тому же цикл перехода капель (ЦПК) не равномерный. После введения лазера диапазоны колебания тока и напряжения дуги значительно уменьшаются, вместе с тем устойчивость горения дуги и переход капель стабилизируются, к тому же ЦПК имеет теденцию к более равномерному периоду и он удлинняется. Кроме того при введении лазера амплитуда напряжения уменьшается, а ток дуги в некоторой степени повышается. Хотя введение лазера приводит к замедлению перехода капель (рис.13), но горит дуга стабильно благодаря действию плазмы лазера. Вместе с тем амплитуда колебания ЦПК малая и переход стабильный, поверхностная форма шва с мелкими чешуйками при гибридной сварки гладкая и равномерная.

шш J Л Л 1 * в «л

а) Сварка МЮ (У=[70А) Ь) Гибридная сварка (/=170А,Р=2000ВтЛл=3мм)

Рис.13 Цикл перехода одной капли до введения и после введения лазера

В соотвествии с традиционой теорией о механике перехода капли при сварке МЮ и по результатам наблюдения и измерения состояния дуги при гибридной сварке создана физическая модель состояния сил, действующих на каплю при гибридной сварке (рис.14). В заключение следует отметить, что при действии плазмы лазера состояние дуги изменяется, рождаются новые аэродинамическая сила плазмы ^нст и усилие Ящ. испарения металла из каверны, что являются

Электрод-а

Лазер

Плазма лазера

МСТЭЛЛ

Действугощие на каплю силы при гибридной сварке

Рис.14 Модель сил, действующих на каплю, и состояние дуги и капли при гибридной сварке (Fp-аэродинамическая сила плазмы дуги; Fem-электромагнитное сжатие; Fg-сила тяжести; F,-поверхностное натяжение; ^¿-усилие испарения металла из коверны; FHem-аэродинамическая сила плазмы лазера.)

6. В шестой главе представлены исследования влияния технологических факторов на переход капель при гибридной сварке СОг-лазер+МЮ. При гибридной сварке излучение лазера позволяет увеличить ЦПК по сравнению со сваркой MIG, к тому же средний цикл перехода капель(СЦПК) при разных мощностях лазера различные. Из рис.15 видно, что амплитуда колебания ЦПК при гибридной сварке небольшая и находится в диапазоне 80-100 мс, а при сварке MIG - в диапазоне 40-100 мс. Стандартное отклонение СЦПК перехода капель при различных мощностях (рис. 15) при гибридной сварке всегда меньше чем при сварке MIG. Хотя излучение лазера вызывает незначительное увеличение ЦПК, но процесс гибридной сварки становится более устойчивым благодаря положительному влиянию излучения на стабильность перехода капель и уменьшение колебания ЦПК. Это подтверждается сравнительной диаграммой тока дуги при гибридной сварке и сварке M1G (рис. 16).

s

а

*•—CI (IIK при гнбрил-сваркс -•—СОСЦНК при гнбрил-сваркс ■*-СЦПК при сварке MIG ъ-СОСЦНК при сваркс MIG /-120Л, D,,**3nim. /.-20L/min, 1<)0%Лг

Номер капель

Мощиость/Вт

Номер капель

Рис. 15 ЦПК при сварке и зависимость СЦПК от мощности лазера Из рис. 17 видно, что с ростом мощности лазера растут продолжительность короткого замыкания (Т1), ЦПК и размер капли. Это тесно связано с режимом перехода капли. Аэродинамическая сила плазмы лазера Fнcm, обусловленная действием плазмы лазера, препятствует переходу капель, цикл роста капли увеличивается и размер капли растет.

Испытания показали, что при разных расстояниях между лучом лазера и

основной причиной, препятствующей переходу капли. Происходит изменение состояния дуги МЮ от действия плазмы лазера, что засвидетельствует о правильности созданной модели. Капля наглядно отклоняется от оси проволоки в направлении от луча лазера._

Содержание Не/20%

Капля при гибридной сварке

* Т| гибрид-сварки —♦—СОТ_

/=120Л, /> =3гпт. ¿=201У(гап, 20%Не

проволокой Эьд величина и направление эффективного действия на каплю силы испарения металла У7^ и аэродинамической силы плазмы лазера разные. С ростом Эьа степень смешивания плазмы лазера с плазмой дуги снижается, взаимодействие между ними уменьшается. Таким образом уменьшается аэродинамическая сила плазмы лазера /'непи вследствие чего уменьшается сопротивление переходу капли. По состоянию капли до завершения перехода видно, что чем меньше > тем сильнее сопротивление ее переходу, поэтому с ростом Оьа СЦПК падает (рис. 18). Видно (рис.19), что взаимодействие двух плазм интенсивнее при положительных и отрицательных значениях чем при с1 = 0. При с1 = 0 степень отклонения меньше чем при положительном и отрицательном ¿/. В связи с этим размер капли при с1 = 0 немного меньше, чем

Рис. 16 Диаграмма тока дуги при токе 120А

800 1200 1600 2000 2400 2800

Мощность лазера/Вт Рис.17 Влияние мощности лазера на Т1

о ? 611

Й

г, 50

Г4

и

40

30

20

10

0

■"СЦПК при гибрид-сварке »—СО СЦПК при гибрид-сварке

СЦПК при сварке МЮ у—СО СЦПК при сварке МЮ Р 2000У/, / 120А, 20Ь/тт, 20%Не

0 12 3 4

Рис. 18 Зависимость СЦПК от Эьа при переходе коротким замыканием

Различи

ЫЙ С1

Состоя ни е дуги и капли

Сечение шва

Рис. 19 Рост капли и взаимодействие лазера с дугой при различных с/.

Эксперименты показали, что под действием плазмы лазера капля растет в направлении, противоположном лучу лазера. С ростом Бьа ЦПК снижается, при Оьа = 2 мм процесс перехода капель самый стабильный. При с/ = 0 формирование шва самое хорошеее.

СЦПК при гибрил-сварке —»—СО СЦПК при гнбрнд-сваркс

СЦПК при сварке МЮ -у-СО СЦПК при сварке МЮ

/-120А. О -Зшш. Р-2000\А'. 100%Аг

*~СЦПК при гибрид-сварке *""СО СЦПК при гибрид-сварке ^~СЦПК при сварке МЮ ■--»"•■СО СЦПК при сваркс МЮ

/-120Л. />-2(ЮО\У. О -Яшт, ¿-201Лпт

Поток защитных газов/л/мии

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

Содержание Не

Рис.20 Влияние потока защитных газов на СЦПК Рис.21 Влияние содержания Не в смеси на СЦПК

С ростом ПЗГ СЦПК постепенно уменьшается при гибридной и дуговой сварке, стандартное отклонение СЦПК при сварке МЮ всегда больше, чем при гибридной сварке (рис.20), а это значит, что устойчивость перехода капель при гибридной сварке всегда лучше, чем при дуговой сварке. Рост ПЗГ существенно повышает скорость струи газов. Струя обладает эффектом охлаждения и сжатия дуги, одновременно подавляя плазму лазера. При увеличении ПЗГ до определеной степени устойчивость процесса сварки повышается, это способствует улучшению формирования шва. Изменение ПЗГ влияет на величину аэродинамической силы, которая способствует переходу капель.

Из рис.21 следует, что при гибридной сварке и сварке МЮ с ростом содержания Не СЦПК и его стандартное отклонение заметно снижаются, то есть повышается устойчивость процесса сварки. При добавке Не до 30% плазма, вылетаЕощая из каверны, почти исчезает (рис. 22), поэтому аэродинамическая сила (препятствие) плазмы лазера значительно снижается. Кроме того, благодаря большой теплопроводности коэффициент поверхностного натяжения капли уменьшается с ростом ее температуры, это приводит к уменьшению сопротивления переходу капли, поэтому СЦПК в защитной смеси Аг+ Не при гибирдной сварке меньше, чем в Аг.

Рис.22 Состояние дуги и капли в процессе сварки при различных содержаниях Не в смеси Аг+ Не

На основе многих испытаний можно констатировать, что основной причиной изменения перехода капель является аэродинамическая сила плазмы лазера. Ее величина связана с объемом плазмы лазера: чем больше плазмы лазера, тем больше изменения формы дуги, тем самым больше аэродинамическая сила плазмы лазера и сильнее сопротивление переходу капли.

В седьмой главе приведены результаты исследования структуры и механических свойств сварных соединений сталей с УНСУ, выполненных гибридной сваркой лазер+ОМА\\'. Анализ структуры металла соединения (рис. 23) показывает, что в шве структура состоит из игольчатого феррита+бейнита+зеренног бейнита. В металле ЗТВ не обнаружены структуры и дефекты, которые оказывают отрицательное влияние на механические свойства. На участке ЗТВ, прилегающей к границе шва, (СвНА2) зерна растут несильно благодаря малой погонной энергии. Наблюдаются границы больших зерен первичного аустенита, внутри которых расположены мелкие структуры. Поэтому металл СОНАг обладает высокими свойствами и не является слабым звеном сварного соединения. Твердость шва, ЗТВ и основного металла колеблется в диапазоне 270 - 330 НУ. В отдельных участках ЗТВ имеют место незначительное разупрочнение и закалка. В целом, ЗТВ не является слабым звеном соединения.

Предел прочности соединения бейнитных сталей с УНСУ, полученного гибридной сваркой лазер+СМА,Л', составляет не менее 93% от прочности основного металла. Когда разрушение образца происходит по основному

металлу, средняя прочность соединения составляет 829.4 МПа и более. При разрушении по шву прочность соединения приближается к уровню прочности основного металла.

■■■

'f ' ' «,> ***** ''

Осн. металл Шов CGHAZ FGHAZ ICHAZ

Рис. 23 Микроструктуры различных зон соединения гибридной сварки (300х)

Наблюдение с помощью ТЕМ (рис. 24 d, е, f) еще раз подтвердило, что структура шва представляет собой смесь игольчатого феррита (ИФ) и мелкого бейнита. Структура имеет высокую плотность дислокаций. В зоне ИФ наблюдаются дисперсные микровлючения в виде ядер, которые способствуют образованию игольчатого феррита и мелкого бейнита. Эти включения в основном состоят из соединений Ti, Мп и AI, что совпадает с результатами анализа на SEM (рис. 24 с). Эти структуры сохраняют высокую сопротивляемость сколу, тем самым обеспечивается удовлетворительное сочетание прочности и вязкости, что доказано результатами испытаний на растяжение и ударный изгиб. Соединения бейнитных сталей, полученные гибридной сваркой, имеют высокую работу удара (129 Дж и выше) при - 40°С.

а) Излом удара шва Ь)Внд волокнистой зоны с) Включений в ямочках й) ИФ е) Дислокация 0 Включение

Рис.24 Фото на 8ЕМ излома образца после ударного испытании: а - 2.1х , Ь - 1000х, с - 10000х; фото металла шва на ТЕМ: а - ВИ 20к, е - ВИ 50к, Г - ВР 38к.

Общие выводы

Разработана технология гибридной сварки бейнитных сталей с УНСУ. При этом установлено, что введение лазера обеспечивает стабилизацию процесса перехода капель в ванну и хорошее формирование шва. МПГС гарантирует отсутствие дефектов. При ее использовании соединения бейнитных сталей с УНСУ имеют высокие основные механические свойства. При этом благодаря ограничению погонной энергии исключается значительное разупрочнение и снижение вязкости ЗТВ.

1. При МПГС листов из бейнитных сталей с УНСУ средних толщин использование смеси защитных газов 79%Аг+20%Не+1%С02 и разделки с притуплением 3 мм эффективно для получения хорошего формирования шва с обеих сторон.

2. При трехпроходной гибридной сварке корневого прохода листов толщиной 12 мм фокус лазера должен находиться в притуплении разделки. Небольшое увеличение погонной энергии при последовательном выполнении проходов гарантирует хорошую форму шва и качество сварки.

3. В процессе МПГС могут образоваться несплавления, трещины, поры, включения и т. д. За счет конструктивных элементов разделки, регулирования погонной энергии, скорости подачи проволоки и благодаря повышению

устойчивости процесса сварки можно эффективно предотвращать образование вышеуказанных дефектов.

4. Введение лазера уменьшает амплитуду колебания тока и напряжения дуги. Стандартное отклонение СЦПК при гибридной сварке всегда мельше, чем при дуговой сварке MIG. В результате этого повышается стабильность горения дуги и устойчивость перехода капель.

5. Создана физическая модель силового воздействия на каплю при гибридной сварке. Под действием плазмы лазера изменяется состояние дуги, рождается дополнительная аэродинамическая сила, что является основной причиной изменения поведения характера перехода капель. Чем больше объем плазмы лазера, тем больше аэродинамическая сила плазмы лазера, и сильнее сопротивление переходу капли, под действием плазмы лазера капля растет навстречу лучу лазера.

6. С ростом Dla ЦПК снижается, при Dla= 2 мм переход капель наиболее стабильный. При d = 0 формирование шва наилучшее. С ростом ПЗГ СЦПК снижается, при этом СЦПК снижается при гибридной сварке быстрее, чем при дуговой сварке. Добавка Не в защитную смесь снижает ЦПК.

7. В швах бейнитных сталей с УНСУ образуются структуры, содержащие игольчатый феррит, мелкий бейнит и зеренный бейнит. Дисперсные микровлючения в виде ядер химических соединений способствуют образованию ИФ и мелких структур бейнита, чем обеспечивается удовлетворительное сочетание прочности и вязкости. На участке ЗТВ, прилегающей к границе шва, зерна растут несильно благодаря малой погонной энергии. Вследствие этого ЗТВ не является слабым звеном сварного соединения.

8. Предел прочности соединения бейнитных сталей с УНСУ, полученного гибридной сваркой лазер+GMAW, составляет не менее 93% от прочности основного металла, а энергия удара - не менее 129 Дж при - 40°С. В отдельных участках ЗТВ имеют место незначительное разупрочнение и закалка. В целом, ЗТВ не является слабым звеном соединения.

Научные результаты диссертации отражены в следующих работах

1. Бейнитные стали с ультранизким содержанием углерода и перспективы их применения/ Чжао Фучэнь, Чжао Лугой// Вопросы материаловедения. 2008. №1. -С. 52-61. (в перечне ВАК).

2. Влияние конструктивных элементов разделки на формирование шва при многопроходной гибридной сварке С02-лазер+МЮ бейнитных сталей с УНСУ/ Чжао Фучэнь// Освоение и применение материалов. 2008. № 4. -С. 34-39.

3. Влияние относительного положения лазера с проволокой (Dla) на процесс перехода капель при гибридной сварке С02-лазер+МЮ/ Чжао Фучэнь, Хуан Цзянь, Ху Ляньхай [и др.]. // Сб. докл. 14-ой конференции "Применение лазеров в промышленности" (08. 2009 г.). -Харбин: Изд-во ХИС, 2009. -Ч.Ш. -С.89-94.

4. Влияние технологических факторов на образование сварочных дефектов при гибридной сварке С02-лазер+МЮ/ Чжао Фучэнь// Вестник исследования сварки. 2009. №3.-С. 84-88.

5. Исследование формирования шва при многопроходной гибридной сварке С02-лазер+МЮ сталей ULCB700/ Чжао Фучэнь// Вопросы материаловедения. 2011. Т. 66. №2. -С. 90-97. ( в перечне ВАК).

6. Характер перехода капель в сварочную ванну при гибридной сварке С02-лазер+MIG/ Чжао Фучэнь, А. В. Баранов// Вопросы материаловедения. 2011. Т.66. №2. -С. 98-103.(в перечне ВАК).

Лицензия ЛР № 020593 от 07.08.97

Подписано в печать 16.05.2011. Формат 60x84/16. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100. Заказ 7640Ь.

Отпечатано с готового оригинал-макета, предоставленного автором, в Цифровом типографском центре Издательства Политехнического университета. 195251, Санкт-Петербург, Политехническая ул., 29. Тел.:(812)550-40-14 Тел./факс: (812) 297-57-76

Специальность 05.02.10—сварка, родственные процессы и технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Всеволод Владимирович Башенко

Санкт-Петербург-2011 г.

Содержание

Введение.

Глава 1 Состояние исследований бейнитных сталей с УНСУ и гибридной сварки лазер+дуги.

1.1 Актуальность проблемы и значение работы.V.

1.2 Состояние разработки и применения бейнитных сталей с УНСУ.

1.3 Технология гибридной сварки лазер+дуга.

1.3.1 Основа технологии гибридной сварки лазер+дуга.

1.3.2 Характеристики гибридной сварки лазер+ОМА\\^.

1.3.3 Исследование испытаниями гибридной сварки лaзep+GMAW.И

1.3.4 Влияющие факторы технологий гибридной сварки лазер+ОМА\У.

1.4 Состояние исследования гибридной сварки лазер+ОМА\У средних и толстых листов.

1.4.1 Гибридная сварка лазер+ОМА\У за один проход средних и толстых листов.

1.4.2 Многопроходная гибридная сварка лазер+С?^А^ средних и толстых листов. 1 б

1.4.3 Изучение дефектов и структуры шва при многопроходной гибридной сварке

1.5 Изучение механизма гибридной сварки лазер+ОМА\У.

1.5.1 Напряжение и ток дуги в гибридном источнике.

1.5.2 Состояние дуги и переход капель.

1.5.3 Числовое моделирование и имитация компьютером.

1.6 Основные исследовательные содержания настоящей работы.

Глава 2 Материалы и оборудование и методы для исследований.

2.1 Материалы.

2.2 Оборудование для испытаний.

2.3 Методика анализа на эксперименты.

Глава 3 Характеристики формирования шва при многопроходной гибридной* сварке(МПГС).

3.1 Методика эксперимента.

3.2 Влияние защитных газов.

3.3 Влияние формы разделки кромок.

3.4 Влияние технологических факторов.

3.5 Влияние направления сварки.

3.6 Краткие выводы по настоящей главе.

Глава 4 Анализ дефектов гибридной сварки СОг-лазер+СМА\У бейнитных сталей с УНСУ.

4.1 Несплавления.

4.2 Трещины.

4.3 Поры.

4.4 шлаковые включения.

4.5 Краткие выводы по настоящей главе.

Глава 5 Исследование характеристик перехода капель и состояния действующих на каплю сил в процессе гибридной сварки СОглазер+МЮ.

5.1 Методика эксперимента.

5.2 Характеристики перехода капель при гибридной сварке СОг-лазер+МЮ.

5.3 Анализ состояния действующих на каплю сил.

5.4 Краткие выводы по настоящей главе.

Глава 6 Исследование влияния технологических факторов на переход капель при гибридной сварке СС>2-лазер+МЮ.

6.1Влияние мощности лазера на характеристики перехода капель.

6.2 Влияние относительного расположения луча-лазера с дугой.

6.3 Влияние расстояния фокуса луча от горизонта верхней поверхности листов(<1)

6.4 Влияние потока защитных газов (ПЗГ).

6.5 Влияние состава защитных газов.

6.6 Краткие выводы по настоящей главе.

Глава 7 Структуры и механические свойства сварных соединений гибридной сварки лазер+СМА\У бейнитных сталей с УНСУ.

7.1 Анализ структуры соединения.

7.2 Измерение и анализ механического свойства соединения сталей с УНСУ.

7.3 Краткие выводы по настоящей главе.

Благодаря высокому уровню прочности, ударной вязкости, хладостойкости и другим комплексным свойствам, а также низкой себестоимости бейнитные стали с ультранизким содержанием углерода (УНСУ) являются одними из самых перспективных в XXI веке, поэтому бейнитные стали широко используют при создании важных инженерных сооружений для гражданских и военных назначений. При использовании традиционых методов дуговой сварки этих сталей встретились проблемы разупрочнения ЗТВ и ее снижения вязкости, большой сварочной деформации и низкой производительности. Лазерная сварка по сравнению с традиционными методами имея серию преимуществ, как большая глубина проплавления, высокая производительность, узкость ЗТВ и малая сварочная деформация и т.п., одновременно имеет и отдельные недостатки: низкий коэффициент перехода энергии, жесткое требование к зазору под сварку и высокую себестоимость, низкий коффициент использования энергии лазера. К тому же с увеличением мощности лазера растет опасность возникновения дефектов в металле шва. Эти недостатки ограничивают применение лазерной сварки, особенно в сварке средних и толстых листов. А гибридная сварка лазер+дуга имея серию преимущества лазерной сварки, одновременно характеризуется высокой приспособляемостью к зазору и хорошим формированием шва, поэтому гибридная сварка лазер+дуга считается рациональным вариантом решения недостатков дуговой сварки бейнитных сталей.

Для гибридной сварки средних и толстых листов бейнитных сталей с УНСУ можно применять сверхмощный лазер по вариантам с одной стороны за один проход или со двух сторон за два прохода. Но, с одной стороны капиталвложение такого оборудования большое и невыгодное с учетом соотношения эффекта-расходов и себестоймости изготовления и обработки, с другой стороны, в процессе сварки сверхмощным лазером генерируется большая плазма, это сильно влияет на потерь энергии лазера. Гибридная сварка позволяет использовать лазер меньшей мощности для сварки металла одинаковой толщины за счет увеличения глубины проплавления. Поэтому для сварки средних и толстых листов многопроходная гибридная сварка дуга+лазер средней мощностью обладает собственным преимуществом и оптимальностью по соотношению эффекта-расходов. В гибридной сварке лазер+дуга много технологических факторов оказывают большие влияния не устойчивость сварки и формирование шва(в том числе и образование дефектов), тем самым влияет на качества сварки, структуры и механические свойства соединения. Кроме того, в процессе гибридной сварки лазер+вМАХУ^ происходит переход капель в ванну, он сильнее влияет на устойчивость процесса сварки. А большество ученых уделяет большое внимание, в основном, осваиванию и разработке технологий сварки, а исследованию поведения перехода капель в ванну и характеристик формирования многопроходного шва недостаточно.

На основе обобщения и анализа последних достижений и опыта разработки и изучения по гибридной сварке лазер+вМА\У, автор настоящей работы производил систематические испытания многопроходной гибридной сварки бейнитных сталей с УНСУ толщиной 12мм и соответственые исследования по закономерностям влияния на стабильность процесса сварки, формирование шва, образование дефектов и т.д. В этом труде с большим вниманием автор занимался систематическим изучением характеристик перехода капель в ванну и состояния действующих на неё сил, на этой основе анализировал закономерности и механизм влияния различных технологических факторов на поведение перехода капель, устойчивость дуги и формирование шва, вместе с тем проводил измерение и анализ микроструктур и механических свойств соединения гибридной сварки, и их взаймосвязи. Тем самым это заложило теоретическое обоснование и практическую основу для регулирования и обеспечения стабильности процесса сварки, которые позволят внедрить и применять гибридную сварку лазер+МЮ с эффективным использованием гибридного источника тепла лазер+дуга в сварочном производстве.

Принятые в работе сокращения

ГЛП—Генерируемая лазером плазма(или плазма лазера)

ЗБ—Зерневый бейнит

ЗТВ—Зона термического влияния

ИФ—Игольчатый феррит

М-А—Мартенсит-аустенит

МПГС—Многопроходная гибридная сварка

НИИ—Научно-исследовательский институт

ПЗГ—Поток защитных газов

СЗГ—Состав защитных газов

СО—Стандардное отклонение

СЦПК—Средний цикл перехода капель

УНСУ—Ультранизкое содержание углерода

ЦПК—Цикл перехода капель