Способ бездефектной гибридной лазерно-дуговой сварки толстостенных стыковых соединений
METHOD OF DEFECT-FREE HYBRID LASER-ARC WELDING OF THICK-WALL BUTT JOINTS

Изобретение относится к гибридной лазерно-дуговой сварке металлоконструкций толщиной от 12 мм и выше, в частности к сварке продольных швов сформованных трубных заготовок при производстве труб большого диаметра из листового проката с толщиной стенки до 50 мм.
При лазерно-гибридной сварке толстостенных конструкций техническая проблема заключается в получении продукта с качественным сварным швом, лишенного наиболее вероятных дефектов сварного соединения, таких как газовые поры, неизбежно появляющиеся в вершине сварного шва из-за особенностей кристаллизации металла сварного шва.
Из патентных описаний известны способы гибридной лазерно-дуговой сварки, которые направлены на подавление дефектов в виде пор.
Например, известен способ гибридной лазерно-дуговой сварки, вытекающий из использования полезной модели. Так, согласно данному способу выполняют сварной шов с использованием лазера и плазменной дуговой гибридной сварки (патентный документ CN №206455302).
Из патентного документа CN №106271139 известен способ лазерно-дуговой сварки, включающий использование лазерного луча и электрической дуги. При этом предотвращение образования пор - одного из дефектов - обеспечивается управлением пространственного положения точек лазера и электрической дуги в процессе сварки.
В качестве ближайшего аналога выбрано техническое решение «Способ лазерно-дуговой сварки стыка заготовок из углеродистой стали» из патентного описания RU №2660791. Согласно данному способу осуществляют воздействие на свариваемую поверхность сначала первым лазерным лучом, который устанавливают перпендикулярно по отношению к свариваемой поверхности, и воздействие гибридной лазерно-дуговой сваркой с плавящимся электродом. В процессе сварки для подавления дефектов осуществляют действия по расфокусировке первого лазерного луча, сварочную горелку размещают перед вторым сфокусированным лазерным лучом, кроме того, регулируют расстояние между точкой дугового контакта и центром сфокусированного пятна второго лазерного луча, отклоняют второй лазерный луч и дуговую горелку на определенный угол.
В вышеприведенном фрагменте использованы те же термины, что и в патентном описании RU №2660791, при этом общие признаки известного технического и заявляемого способа следующие: осуществление гибридной лазерно-дуговой сварки при одновременном воздействии лазерным лучом (признак «второй лазерный луч» в указанном патентном описании) и сварочной горелки с плавящимся электродом, а также использование расфокусированного дополнительного лазерного луча («первый лазерный луч» в указанном патентном описании).
Несмотря на то, что все рассматриваемые аналогичные технические решения направлены на подавление дефектов, применение данных способов обнаруживает невозможность получить качественный (бездефектный) сварной шов из-за того, что вероятность образования дефектов сохраняется. Так, для сварного шва труб большого диаметра это подтверждается результатами исследований макроструктуры сварного шва, согласно которым, в вершине сварного шва наблюдаются газовые поры, появляющиеся вследствие кристаллизации металла при высокой скорости охлаждения.
Кроме того, вышеописанные способы характеризуются сложностью выполнения и высокой материалоемкостью вследствие использования различного оборудования.
Техническая проблема, решаемая предлагаемым изобретением, заключается в обеспечении качества сварного соединения при снижении материалоемкости способа по пути исключения оборудования, обеспечивающего подавление дефектов. При этом достигается технический результат - минимизация дефектов в корневом шве и связанное с этим повышение эксплуатационных характеристик изделия со сварным швом.
Сущность предлагаемого изобретения состоит в следующем.
Способ гибридной лазерно-дуговой сварки толстостенных стыковых соединений с разделкой кромок включает выполнение корневого шва воздействием на свариваемую поверхность электрической дуговой сварочной горелкой с плавящимся электродом в среде защитного газа с лазерной сваркой в единой сварочной ванне, причем лазерным лучом воздействуют на величину притупления кромок; в способе также используют лазерную сварку расфокусированным лучом, при этом новыми являются операции по выявлению дефектов вершины корневого шва, залегающих на глубину, ограниченную половиной высоты корневого шва, и удаление таких дефектов путем выполнения дополнительного сварного шва с использованием расфокусированного лазерного луча с диаметром фокального пятна от 1 до 8 мм, которым воздействуют на всю глубину залегания дефектов, причем после выполнения дополнительного сварного шва наносят облицовочный наружный и внутренний сварные швы.
Предпочтительно перед выполнением корневого шва последовательно выполнять прихваточный шов и с использованием указанного расфокусированного лазерного луча с диаметром фокального пятна от 1 до 8 мм первый сварной шов.
Дефекты возможно выявлять с использованием образца, на котором осуществляют выполнение корневого шва.
При подаче высокой мощности для сваривания толстостенных стыковых соединений скорость охлаждения расплавленного металла составляет около 150°С в секунду, кристаллизация металла сварочной ванны происходит очень быстро - от стенок сварочной ванны к ее центру, т.к. со стороны стенок ванны выше скорость теплоотдачи, соответственно, по этой причине сварной шов застывает постепенно снизу вверх от стенок ванны к ее центру, поэтому газовые поры образуются в том участке, где металл застывает в последнюю очередь - в вершине сварного шва (т.к. пузырьки газа всплывают на поверхность расплавленной сварочной ванны).
При нанесении на корневой шов дополнительного шва расфокусированным лазерным лучом на глубину залегания дефектов обеспечивается переплавление указанного корневого шва, при котором металл корневого шва под действием расфокусированного лазерного луча, создающего сконцентрированную тепловую энергию высокой плотности, расплавляется и кристаллизуется. Благодаря тому, что при повторном воздействии лазером объем расплавленного металла меньше объема расплавленного металла при выполнении корневого шва, а также площадь поверхности теплообмена меньше площади поверхности теплообмена при выполнении корневого шва, - газовые пузырьки успевают покинуть расплавленный металл сварочной ванны, тем самым не создавая пор.
Нанесение дополнительного сварного шва лазерным лучом нивелирует недостатки, вызванные воздействием лазерного луча при выполнении корневого шва толстостенного стыкового соединения, следовательно, такое нанесение устраняет дефекты в процессе сварки, а не подавляет образование дефектов.
Формирование дополнительного лазерного луча расфокусированным с диаметром фокального пятна 1-8 мм выбрано из условия обеспечения баланса необходимой глубины проплавления и мощности задействованного лазерного луча. Иными словами, если использовать лазерный луч с диаметром фокального пятна менее 1 мм, то даже при малой мощности луча лазера, сварка будет выполняться с глубоким проплавлением, что при большом теплоотводе (описано выше) может привести к тому, что поры останутся; при диаметре более 8 мм даже - при большой мощности луча - процесс проплавления нецелесообразен вследствие низкой энергоэффективности.
Для сварки толстостенных стыковых соединений, как правило, выполняют разделку кромок и предваряют нанесение корневого шва выполнением прихваточного (технологического) шва. В этом случае после наложения прихваточного (технологического) шва целесообразно выполнить первый сварной шов расфокусированным лучом лазера с диаметром фокального пятна, идентичным диаметру пятна дополнительного лазерного луча. Причина нанесения первого сварного шва расфокусированным лазерным лучом обусловлена достижением следующего технического результата.
При выполнении первого сварного шва происходит удаление окалины, ржавчины в качестве неизбежных спутников неблагоприятных воздействий окружающей среды. Так, при горячей прокатке стального листа, используемого в качестве заготовки под трубу, образуется окалина, а при транспортировке стального листа происходит контакт его поверхности листа с влагой и кислородом из окружающей среды, обусловливающий образование ржавчины.
Кроме того, результатом выполнения первого сварного шва лазерным лучом с диаметром фокального пятна 1-8 мм является получение сварного шва с гладкой поверхностью, предопределяющей стабильность горения дуги при выполнении корневого шва гибридной лазерно-дуговой сваркой из-за отсутствия неровностей, способных вызвать короткое зымыкание электрода с изделием или обрыв дуги.
Выбранный диаметр фокального пятна лазерного луча для выполнения первого шва также обусловлен необходимостью обеспечения баланса глубины проплавления и мощности используемого луча лазера.
В предлагаемом способе гибридной лазерно-дуговой сварки стыковых соединений большой толщины устранение дефектов интегрировано многослойную сварку за несколько последовательных проходов, во время которой выполняют:
- технологический (прихваточный) шов;
- первый шов лазерным лучом с диаметром фокального пятна 1-8 мм;
- корневой шов гибридной лазерно-дуговой сваркой с использованием лазерного луча на всю величину притупления;
- дополнительный шов лазерным лучом с диаметром фокального пятна 1-8 мм на глубину залегания дефектов.
- наружный и внутренний облицовочные швы.
Процесс выполнения способа включает действия по выявлению дефектов вершины корневого шва и определению глубины залегания дефектов. Глубину залегания дефектов целесообразно определять экспериментальным путем при предварительной отработке режимов сварки на свариваемых пластинах в соответствии с ГОСТ Р ИСО 15614-12-2009 «Технические требования и аттестация процедур сварки металлических материалов. Проверка процедуры сварки. Часть 12. Точечная, шовная и рельефная сварка». При такой отработке на поперечных и продольных шлифах выявляются дефекты и определяется глубина залегания. Как правило, при отработанных режимах гибридной лазерно-дуговой сварки дефекты залегают на глубину не ниже половины высоты корневого шва.
Возможно глубину залегания дефектов корневого шва определять после его выполнения, например, методами неразрушающего контроля качества сварных соединений. Однако в заводских условиях при выпуске продукции неразрушающему контролю подвергаются партии изделий, а не единичные изделия. Такой контроль проводится на самостоятельной производственной площадке, например, на площадке ультразвукового контроля, находящейся вне сборочно-сварочного стана и/или установки для гибридной лазерно-дуговой сварки. Данное обстоятельство исключает осуществление способа бездефектной сварки стыковых толстостенных соединений, содержащего определение глубины залегания дефектов, в качестве непрерывного процесса действий над одним стыковым соединением в силу неэффективности такого процесса в промышленных масштабах.
Таким образом, предлагаемое техническое решение на практике приводит к получению качественного продукта со сварным швом, лишенного дефектов, при снижении материалоемкости вследствие того, что гибридную лазерно-дуговую сварку осуществляют на установке с использованием одной лазерной головки, обеспечивающей выполнение первого шва (когда имеется прихваточный/технологический шов), корневого шва и дополнительного шва. При этом нет необходимости в использовании оборудования для подавления дефектов, такого как: дополнительная сварочная головка (как в прототипе RU №2660791), также сварочная оптическая (лазерная) головка, сварочная горелка или подогревающее устройство.
Выполнение предлагаемого способа поясняется на примере сварки труб большого диаметра толщиной 1420×30 мм.
Перед выполнением способа определяют глубину залегания дефектов на образцах в виде пластин, которые сваривают в соответствии с выбранными режимами сварки, применяемыми на сварочном стане для изготовления труб большого диаметра: диаметр фокального пятна лазерного луча при сварке корневого шва 0,4-1,6 мм; мощность лазера 25-35 кВт; для сварочной горелки в качестве электрода проволока диаметром 1,0 - 2,0 мм; ток сварочный 300 - 500 А; напряжение дуги 20 - 35 В; газовая смесь - углекислый газ и аргон; для первого лазерного шва и дополнительного шва мощность лазера 7-12кВт, диаметр фокального пятна лазера 3-6 мм, скорость сварки корневого и разглаживающего шва 1-3,5 м/мин.
Как указывалось выше, поры залегают в вершине корневого шва, при этом статистически установлено, что глубина залегания ограничена половиной высоты корневого шва. Исходя из данного обстоятельства, при выполнении многопроходной сварки сформованной трубной заготовки большого диаметра, устраняют дефекты в вершине корневого шва, ограниченной половиной высоты указанного шва.
Так, при сварке пластин дефекты обнаружены в вершине корневого шва на глубине залегания 6 мм (от поверхности корневого шва), что составляет величину менее половины высоты корневого шва, равной 20-23 мм.
Обращая внимание на дефекты в виде пор, вполне возможно обнаружить в вершине корневого шва пластин (образцов) другие дефекты, например, раковины и трещины, которые будут устранены при выполнении заявляемого способа. В ином случае, когда какие-либо дефекты обнаруживаются в корне шва, целесообразно изменить параметры процесса сварки до получения образцов с дефектами, сосредоточенными в вершине шва.
Итак, многопроходную сварку стальной сформованной трубной заготовки с X-образной симметричной разделкой кромок осуществляют следующим образом.
Методом полуавтоматической сварки в среде защитного газа с плавящимся электродом в виде сварочной проволоки выполняют прихваточный (технологический шов), размещая трубную заготовку на сборочно-сварочном стане.
Для дальнейшего выполнения способа сформованную трубную заготовку размещают в клети установки гибридной лазерно-дуговой сварки, выполненной со стандартным оборудованием в виде лазерной головки и электродуговой горелки со средством для подачи защитного газа с возможностью формирования в процессе сварки общей сварочной ванны. Электродуговая горелка снабжена средством для подачи защитного газа в сторону плавящегося электрода горелки.
На данной установке выполняют первый лазерный шов с использованием расфокусированного лазерного луча с диаметром фокального пятна 4-6 мм, которым полностью переплавляют технологический шов с удалением имеющейся ржавчины и окалины для достижения гладкой поверхности.
Для нанесения следующего корневого шва оказывают одновременное воздействие на свариваемую поверхность лазерного луча и дуги плавящегося электрода в среде защитного газа с образованием общей сварочной ванны. Первым воздействие оказывает сварочная дуга, электрод дуговой горелки наклоняют в сторону направления движения кромок свариваемой поверхности на угол θ от 30 до 35° относительно нормали к поверхности свариваемых кромок. Лазерный луч фокусируют в области кромок свариваемой поверхности после точки воздействия дуговой горелки. Расстояние между центром сфокусированного пятна лазерного излучения и точкой дугового контакта электрода дуговой горелки устанавливают от 10 до 15 мм, включительно. Лазерный луч наклоняют в сторону, противоположную направлению движения кромок свариваемой поверхности на угол 0 от 20 до 25° относительно нормали к поверхности свариваемых кромок. В процессе сварки защитный газ подают в зону лазерного излучения и в зону электрода дуговой горелки. Генератор лазерного луча может быть любым, подходящим по требуемой мощности.
После получения корневого шва выполняют устранение дефектов указанного шва, залегающих на глубине 6 мм, путем выполнения дополнительного шва лазерным лучом с диаметром фокального пятна 4-6 мм.
Таким образом, процесс гибридной лазерно-дуговой сварки стыковых соединений большой толщины, осуществляемый с попутным устранением дефектов в корневом шве, приводит к снижению материалоемкости самого процесса сварки, т.к. в предлагаемом способе нет необходимости в использовании иного оборудования, чем стандартное оборудование установки гибридной лазерно-дуговой сварки. Так, для предлагаемой многопроходной сварки используют одну и ту же лазерную головку, перенастраивая параметры оптической головки и сварочной горелки для выполнения корневого и дополнительного шва (и при необходимости для выполнения первого шва лазерным лучом).
Для нанесения облицовочных швов трубы применяют технологию дуговой сварки под слоем флюса. Трубу перемещают на соответствующие станы, включающие в себя много дуговые сварочные головки, энергетическим ресурсом для которых служат сварочные источники питания (трансформаторы/выпрямители).
При производстве труб большого диаметра после осуществления предлагаемого способа не исключается этап контроля качества данного продукта методом ультразвукового контроля.