Технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали
Изучены технологические особенности лазерной сварки Nd:YАG-лазера мощностью 4,4 кВт среднеуглеродистой стали системы легирования Fe–Cr–Mn–Si толщиной от 3 до 10,4 мм за один проход со свозным проплавлением. По сравнению с аргонодуговой сваркой достигнуто сокращение машинного времени сварки в 6…12 ра...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2012 |
| Автори: | , , , , , |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2012
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101217 |
| Теги: |
Додати тег
Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
|
| Назва журналу: | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| Цитувати: | Технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали / В.М. Кулик, В.Д. Шелягин, М.М. Савицкий, В.П. Елагин, А.В. Сиора, И.В. Шуба // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 11-14. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860238489695551488 |
|---|---|
| author | Кулик, В.М. Шелягин, В.Д. Савицкий, М.М. Елагин, В.П. Сиора, А.В. Шуба, И.В. |
| author_facet | Кулик, В.М. Шелягин, В.Д. Савицкий, М.М. Елагин, В.П. Сиора, А.В. Шуба, И.В. |
| citation_txt | Технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали / В.М. Кулик, В.Д. Шелягин, М.М. Савицкий, В.П. Елагин, А.В. Сиора, И.В. Шуба // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 11-14. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Изучены технологические особенности лазерной сварки Nd:YАG-лазера мощностью 4,4 кВт среднеуглеродистой стали системы легирования Fe–Cr–Mn–Si толщиной от 3 до 10,4 мм за один проход со свозным проплавлением. По сравнению с аргонодуговой сваркой достигнуто сокращение машинного времени сварки в 6…12 раз, снижение расхода электроэнергии в 2,5…4,5 раза и присадочного металла в 12 раз.
Technological peculiarities of 4.4 kW Nd: YAG-laser welding of medium-carbon steel of the Fe–Cr–Mn–Si alloying system, 3 to 10.4 mm thick, in one pass with through penetration have been studied. Compared with argon-arc welding, the present welding method provides 6...12 times reduction in machine welding time, 2.5...4.5 times decrease in power consumption, and 12 times decrease in consumption of filler metal.
|
| first_indexed | 2025-12-07T18:27:48Z |
| fulltext |
УДК 621.791.72
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ
СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОЙ ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ
В. М. КУЛИК, В. Д. ШЕЛЯГИН, кандидаты техн. наук, М. М. САВИЦКИЙ, д-р техн. наук,
В. П. ЕЛАГИН, А. В. СИОРА, И. В. ШУБА, инженеры (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Изучены технологические особенности лазерной сварки Nd:YАG-лазера мощностью 4,4 кВт среднеуглеродистой
стали системы легирования Fe–Cr–Mn–Si толщиной от 3 до 10,4 мм за один проход со свозным проплавлением.
По сравнению с аргонодуговой сваркой достигнуто сокращение машинного времени сварки в 6…12 раз, снижение
расхода электроэнергии в 2,5…4,5 раза и присадочного металла в 12 раз.
К л ю ч е в ы е с л о в а : лазерная сварка, среднеуглеродистая
легированная сталь, проплавление, сварное соединение,
твердость, производительность
Дуговую сварку А-ТИГ со сквозным проплавле-
нием на весу успешно применяют для соединения
стали толщиной до 6 мм, при большей толщине
стали выполняют многопроходную сварку A-TИГ +
+ TИГ со скошенными кромками путем запол-
нения стыка присадочным материалом. Однако
аргонодуговая сварка является малопроизводи-
тельным процессом и характеризуется повышен-
ным тепловложением в металл.
Для расширения номенклатуры свариваемых
изделий и повышения качества их соединений
рекомендуют применять лазерную сварку с
более глубоким проплавлением [1]. По этой
причине представляет интерес получение новых
экспериментальных данных по оценке техно-
логических особенностей лазерной сварки леги-
рованных сталей.
В работе исследованы особенности формиро-
вания стыковых соединений среднеуглеродистой
стали системы легирования Fe–Cr–Mn–Si (ХГС)
толщиной S = 3; 6 и 10,4 мм при использовании
Nd:YАG-лазера DY 044 («Рофин Синар», Герма-
ния) мощностью до 4,4 кВт, в том числе в ком-
бинации со сваркой ТИГ. Излучение фокусиро-
вали линзой с фокусным расстоянием F = 300 мм.
В качестве защитного газа использовали Ar, Не,
CO2, Ar + 17 % CO2 + 1 % О2 и N2.
Лазером приведенной мощности выполняют
однопроходную сварку легированной стали тол-
щиной 3 мм со скоростью vсв ≥ 150 м/ч при по-
гонном расходе электроэнергии p/vсв ≤ 29 Вт⋅ч/м
и погонной энергии сварки q/vсв ≤ 105 Дж/мм
(табл. 1, рис. 1). Уменьшение мощности лазерного
излучения до 3 кВт (в 1,47 раза) вызывает не-
обходимость пятикратного снижения скорости
сварки и повышения в 3,4 раза p/vсв и q/vсв. Для
сквозного проплавления стали толщиной 6 мм
при мощности лазера 4,4 кВт в среде различных
защитных газов [CO2, Ar и (Ar + 17 % CO2 + 1 %
O2)] vсв следует уменьшить до 60 и 48 м/ч и по-
высить p/vсв до 73,3 и 91,6 Вт⋅ч/м, а q/vсв до 264
и 330 Дж/мм. Сварка в углекислом газе со сквоз-
ным проплавлением на весу стали толщиной
10,4 мм выполняется с vсв = 10,5…12,5 м/ч, p/vсв =
= 419…352 Вт⋅ч/м и q/vсв = 1509…1207 Дж/мм.
Значения последних параметров не характерны
для лазерной сварки. Экстраполяция эксперимен-
тальных данных свидетельствует о возможности
сквозного проплавления легированной стали тол-
щиной 11,0…11,5 мм при снижении скорости
сварки до 6…8 м/ч.
Для сварки стали толщиной до 6…7 мм це-
лесообразно применять установку ДУ-044. По
сравнению со способом А-ТИГ лазерную сварку
легированной стали толщиной 3…6 мм выполня-
ют с повышенной (в 8…12 раз) скоростью, мень-
шим (в 3,5…4,5 раза) расходом электроэнергии
© В. М. Кулик, В. Д. Шелягин, М. М. Савицкий, В. П. Елагин, А. В. Сиора, И. В. Шуба, 2012
Рис. 1. Сопоставление скорости сварки, удельного расхода
электроэнергии p/vсв и погонной энергии q/vсв при однопро-
ходной сварке лазером мощностью 4,4 кВт (1, 2) и способе
A-TИГ (3, 4) от толщины свариваемой легированной стали
6/2012 11
и теплонасыщением металла, сниженным (в
4,5…7,5 раза) расходом защитного газа. Скорость
сварки стали толщиной 10,4 мм с нескошенными
кромками увеличивается приблизительно в 2 раза,
а количество проходов сварки уменьшается в 3
раза по сравнению с аргонодуговой сваркой этой
же стали со скошенными кромками, что приводит
к шестикратному сокращению машинного време-
ни сварки. При этом суммарный расход защитного
газа уменьшается в 3,0…3,5 раза, а электроэ-
нергии — в 2,5…3,5 раза.
Швы, выполненные на стали толщиной 3, 6
и 10,4 мм лазером за один проход со сквозным
проплавлением, имеют ширину соответственно
1,0…3,0; 1,5…3,5 и 3,5…6,0 мм. При этом боль-
шие значения относятся к лицевой стороне
(рис. 2). В срединной части на глубине 0,3…0,8
толщины стали швы могут быть уже. Шов, вы-
полненный на стали толщиной 10,4 мм, может
иметь проседание до 2…3 мм и провисание на
1…2 мм, для уменьшения которых необходимо
совместное повышение скорости и мощности ла-
зерного излучения.
Целесообразно выполнение дополнительных
проходов сварки с неполным проплавлением и
автоопрессовкой сварного соединения. Улучше-
нию формирования поверхности проплава способ-
ствует также использование защитных газов, в
том числе в составе смеси с углекислым газом.
Визуально определенная ширина зоны термичес-
кого влияния (ЗТВ) по обе стороны стыков стали
толщиной 3, 6 и 10,4 мм составляет 0,2…0,5 и
1,5…3,0 мм и находится в обратной зависимости
от скорости сварки. На поверхности
сварных соединений имеют место
прилипшие капли расплавленного
металла (рис. 3), частота размещения
которых увеличивается с возраста-
нием плотности мощности и энергии
лазерного пятна.
Несквозные проплавления лазе-
ром стали толщиной 10,4 мм имеют
грибовидную форму (рис. 4). Под
действием реактивного давления,
образующегося в лазерном пятне ме-
таллического пара, происходит вы-
давливание и перемещение расплава
из-под лазерного луча в хвостовую
и боковые части ванны, выбрасыва-
ние жидких и твердых частиц, фор-
мирование узкого газометаллическо-
го канала глубиной, равной глубине
Т а б л и ц а 1. Возможности сквозного лазерного проплавления легиро-
ванной стали
Толщина
стали, мм
P,
кВт Защитный газ vсв, м/ч q/vсв,
Дж/мм
Ширина, мм
шва ЗТВ
3 3,0
CO2
Ar
Ar + 17 % CO2 + 1 % О2
30
30
30
360
360
360
3,0/2,5
2,6/2,8
2,5/3,0
—
—
—
3 4,4
CO2
Ar
Ar + 17 % CO2 + 1 % О2
150
150
150
105,6
105,6
105,5
1,1/1,3
1,1/1,3
1,4/1,1
0,4…0,6
0,4…0,5
0,4…0,6
6 4,4
CO2
Ar
Ar + 17 % CO2 + 1 % О2
60
48
48
264,0
330,0
330,0
2,8/1,0
3,6/3,3
4,1/3,7
0,3…0,4
0,4…0,8
0,5…0,7
10,4 4,4 CO2
10,5
12,5
1267,2...
1508,6 5,6/4,6 2,0…4,0
Пр и м е ч а н и е . В числителе приведены значения ширины с лицевой стороны,
а в знаменателе — с обратной.
Рис. 2. Поперечные сечения стыковых соединений стали системы ХГС толщиной 10,4 мм с нескошенными кромками,
полученных лазером мощностью 4,4 кВт за один (а) и несколько (б, в) проходов без (а, б) и с расплавлением (в) присадочной
проволоки
Рис. 3. Вид поверхности стыкового соединения легированной
стали после лазерной сварки без (а) и с расплавлением (б)
присадочной проволоки
12 6/2012
проплавления. Проплавление за пределами газо-
металлического канала происходит путем нагрева
и расплавления перегретым расплавом и высо-
котемпературной парогазовой смесью.
Параметры проплавления зависят от исполь-
зуемых защитных газов (Ar, Не, Ar + 17 % CO2 +
+ 1 % О2, N2 и CO2). Ионизированный газометал-
лический поток (сварочный факел) является дос-
таточно прозрачным для лазерного излучения с
длиной волны 1,06 мкм [2]. В связи с этим при
использовании таких инертных газов, как аргон
и гелий с потенциалами ионизации Ui, отлича-
ющимися в 1,56 раза, имеет место практически
одинаковая глубина проплавления (8,4…8,6 мм),
которая увеличивается при использовании угле-
кислого газа в отдельности или в составе смеси
Ar + 17 % CO2 + 1 % О2.
Лазерная сварка стали 30ХГСА в защитных
газах СО2, Ar, Не, Ar + 17 % CO2 + 1 % О2 и N2
сопровождается снижением содержания углерода,
кремния, хрома, марганца (табл. 2), которое ос-
тается (за исключением марганца) в пределах тре-
бований ГОСТ 4543–71, мас. %: 0,28…0,35 C;
0,90…1,20 Si; 0,80…1,10 Mn и Сr. При исполь-
зовании инертных газов в швах могут образовы-
ваться поры, отсутствующие после сварки в CO2
и N2 (рис. 4). Сварку легированных сталей ре-
комендуется выполнять в углекислом газе.
Металл соединения легированной стали, сва-
ренной лазером, имеет повышенную твердость по
сравнению с основным металлом. У шва, выпол-
ненного на стали толщиной 3 мм, она возрастает
от НV 0,2 — 375 до НV 0,2 — 450 при повышении
vсв от 30 до 150 м/ч со снижением q/vсв от 360
до 106 Дж/мм (рис. 5). Уменьшение скорости
сварки и увеличение ее погонной энергии при
выполнении шва на стали толщиной 10,4 мм обус-
ловливает снижение твердости металла до НV 0,2
— 240…340/305 и НV 0,2 — 230…280/265 после
одного и трех проходов. Несмотря на повышен-
ную твердость металла соединения, появление хо-
лодных трещин после лазерной сварки среднеуг-
леродистой легированной стали не происходит.
Получение качественного стыкового соединения
легированной стали повышенной толщины с боль-
шей скоростью характерно для вертикальной и
двусторонней лазерной сварки. При вертикальной
сварке легированной стали толщиной 10,4 мм с vсв =
= 15,6 м/ч ширина шва составляет 5…6 (с лицевой
стороны), 2,5…3 мм (с обратной), а на глубине
2,0…2,1 мм — 1,6…1,8 мм (рис. 6, а). Форма и
строение соединения после двухпроходной сварки
сохраняются в целом такими, как и при односто-
ронней сварке в нижнем положении. Для получения
качественного соединения нет необходимости ис-
пользовать сварочную проволоку и формирующие
устройства.
Двустороннее лазерное проплавление стыка
глубиной 6 мм с перекрытием слоев осуществимо
при vсв = 48 м/ч, когда q/vсв снижается до
330 Дж/мм. При этом машинное время сварки,
суммарный расход электроэнергии и защитного
газа сокращаются в 2,0…2,2 раза по сравнению
со сваркой в нижнем положении. Полученное со-
Рис. 4. Несквозные лазерные проплавления в углекислом газе
(а) и аргоне (б) стали 30ХГСА толщиной 10,4 мм
Т а б л и ц а 2. Химический состав металла после лазерного проплавления легированной стали в различных защит-
ных газах
Защитный газ (смесь) C Si Mn Cr
Ar 0,33…0,34/0,33 1,05…1,10/1,07 0,75…0,87/0,82 0,85…0,97/0,91
CO2 0,33…0,34/0,33 1,02…1,10/1,05 0,71…0,77/0,74 0,81…0,90/0,87
Ar + 17 % CO2 +1 % O2 0,27…0,32/0,30 0,97…1,04/1,01 0,70…0,73/0,72 0,80…0,86/0,81
He 0,31…0,33/0,32 0,92…1,05/1,01 0,68…0,77/0,74 0,84…0,93/0,87
N2 0,28…0,33/0,30 1,06…1,10/1,03 0,75…0,77/0,76 0,80…0,86/0,82
Пр и м е ч а н и я . 1. В числителе приведены данные пределов значения массовой доли химических элементов, полученные после
четырех анализов по высоте проплавления, а в знаменателе — усредненные значения. 2. Основной металл содержит, мас. %:
0,33 C; 1,10 Si; 1,00 Mn; 0,98 Сr.
Рис. 5. Зависимость твердости металла шва, выполненного на
стали 30ХГСА толщиной 3 мм, от скорости лазерной сварки
6/2012 13
единение характеризуется отсутствием заниже-
ний, наличием небольших усилений и незначи-
тельной шириной шва (3,5 мм с обеих сторон и
1,2…2,0 мм в срединной части), уменьшенной
шириной визуально выявляемой ЗТВ термоупроч-
ненной стали (от 0,5…1,2 мм у поверхности до
1,4…1,6 мм на глубине 2…3 мм) (рис. 6, б).
В состоянии после сварки плоский образец ле-
гированной стали с σ0,2 = 830…850 МПа и σв =
= 940…970 МПа выдерживает 34900 циклов наг-
рузки растяжением до σн = 550 МПа, разрушаясь
за пределами соединения в месте перехода от ра-
бочей части к захватной.
Известно, что глубину проплавления и ско-
рость сварки можно увеличивать, совмещая ла-
зерный луч и дугу неплавящегося электрода [3].
Наибольший эффект достигается при сведении
двух источников нагрева в одну сварочную ванну.
Скорость гибридной сварки со сквозным проп-
лавлением стали толщиной 10,4 мм может сос-
тавлять 35…40 м/ч (рис. 6, в). При таких же
параметрах режима сварки глубина проплавления
этими источниками тепла в отдельности равна
2,5…3,0 и 5,0…5,5 мм, т. е. в сумме меньше 10 мм.
Естественно, что при меньшей скорости гиб-
ридной сварки возможно сквозное проплавление
стали и большей толщины.
Выводы
1. Установлено, что при мощности лазера 4,4 кВт
стыковые соединения легированной стали толщи-
ной до 10,4 мм выполнимы в нижнем положении
со сквозным проплавлением нескошенных кро-
мок.
2. Качество формирования соединения улуч-
шают путем регулирования скорости и погонной
энергии, выполнения дополнительных проходов
и осуществления двусторонней и вертикальной
сварки.
3. При использовании лазерного излучения
мощностью до 4,4 кВт машинное время сварки
сокращается в 6…12 раз, расход электроэнергии
снижается в 2,5…4,5 раза, защитного газа в 3…7,5
раза и присадочной проволоки до 12…13 раз по
сравнению с аргонодуговой сваркой вольфрамо-
вым электродом. Содержание основных легиру-
ющих элементов и углерода остается на прием-
лемом уровне, а марганца снижается на 18…28 %.
1. Григорянц А. Г., Шиганов И. Н. Лазерная сварка метал-
лов. — М.: Высш. шк., 1988. — 207 с.
2. Исследование сварочного факела при сварке мощными во-
локонными лазерами / П. Ю. Щеглов, А. В. Гуменюк,
М. Ретмайер и др. // V Междунар. конф. «Лазерные техно-
логии в сварке и обработке материалов»: Программа и тез.
докл. — Киев: ИЭС им. Е. О. Патона, 2011. — С. 50–51.
3. Гибридная лазерно-плазменная сварка алюминиевых
сплавов / И. В. Кривцун, В. Д. Шелягин, В. Ю. Хаскин и
др. // Автомат. сварка. — 2007. — № 5. — С. 49–53.
Technological peculiarities of 4.4 kW Nd: YAG-laser welding of medium-carbon steel of the Fe–Cr–Mn–Si alloying
system, 3 to 10.4 mm thick, in one pass with through penetration have been studied. Compared with argon-arc welding,
the present welding method provides 6...12 times reduction in machine welding time, 2.5...4.5 times decrease in power
consumption, and 12 times decrease in consumption of filler metal.
Поступила в редакцию 16.02.2012
Рис. 6. Макрошлифы соединений термоупрочненной (а, б) и нетермообработанной (в) стали толщиной 10,4 мм, полученные
лазерной вертикальной (а), двусторонней (б) и гибридной (в) сваркой
14 6/2012
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101217 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T18:27:48Z |
| publishDate | 2012 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Кулик, В.М. Шелягин, В.Д. Савицкий, М.М. Елагин, В.П. Сиора, А.В. Шуба, И.В. 2016-06-01T08:03:27Z 2016-06-01T08:03:27Z 2012 Технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали / В.М. Кулик, В.Д. Шелягин, М.М. Савицкий, В.П. Елагин, А.В. Сиора, И.В. Шуба // Автоматическая сварка. — 2012. — № 6 (710). — С. 11-14. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101217 621.791.72 Изучены технологические особенности лазерной сварки Nd:YАG-лазера мощностью 4,4 кВт среднеуглеродистой стали системы легирования Fe–Cr–Mn–Si толщиной от 3 до 10,4 мм за один проход со свозным проплавлением. По сравнению с аргонодуговой сваркой достигнуто сокращение машинного времени сварки в 6…12 раз, снижение расхода электроэнергии в 2,5…4,5 раза и присадочного металла в 12 раз. Technological peculiarities of 4.4 kW Nd: YAG-laser welding of medium-carbon steel of the Fe–Cr–Mn–Si alloying system, 3 to 10.4 mm thick, in one pass with through penetration have been studied. Compared with argon-arc welding, the present welding method provides 6...12 times reduction in machine welding time, 2.5...4.5 times decrease in power consumption, and 12 times decrease in consumption of filler metal. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали Estimation of hydrogen effect on delayed fracture of welded joints of high-strength low-alloy steels published earlier |
| spellingShingle | Технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали Кулик, В.М. Шелягин, В.Д. Савицкий, М.М. Елагин, В.П. Сиора, А.В. Шуба, И.В. Научно-технический раздел |
| title | Технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали |
| title_alt | Estimation of hydrogen effect on delayed fracture of welded joints of high-strength low-alloy steels |
| title_full | Технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали |
| title_fullStr | Технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали |
| title_full_unstemmed | Технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали |
| title_short | Технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали |
| title_sort | технологические особенности лазерной сварки среднеуглеродстой легированной стали |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101217 |
| work_keys_str_mv | AT kulikvm tehnologičeskieosobennostilazernoisvarkisredneuglerodstoilegirovannoistali AT šelâginvd tehnologičeskieosobennostilazernoisvarkisredneuglerodstoilegirovannoistali AT savickiimm tehnologičeskieosobennostilazernoisvarkisredneuglerodstoilegirovannoistali AT elaginvp tehnologičeskieosobennostilazernoisvarkisredneuglerodstoilegirovannoistali AT sioraav tehnologičeskieosobennostilazernoisvarkisredneuglerodstoilegirovannoistali AT šubaiv tehnologičeskieosobennostilazernoisvarkisredneuglerodstoilegirovannoistali AT kulikvm estimationofhydrogeneffectondelayedfractureofweldedjointsofhighstrengthlowalloysteels AT šelâginvd estimationofhydrogeneffectondelayedfractureofweldedjointsofhighstrengthlowalloysteels AT savickiimm estimationofhydrogeneffectondelayedfractureofweldedjointsofhighstrengthlowalloysteels AT elaginvp estimationofhydrogeneffectondelayedfractureofweldedjointsofhighstrengthlowalloysteels AT sioraav estimationofhydrogeneffectondelayedfractureofweldedjointsofhighstrengthlowalloysteels AT šubaiv estimationofhydrogeneffectondelayedfractureofweldedjointsofhighstrengthlowalloysteels |