Лазерная сварка корневых швов соединений толстого металла теплоустойчивой стали
Описана технология лазерной сварки корневых швов теплоустойчивой стали. Определены оптимальные условия
 сварки для хорошего формирования корневых швов с полным проваром и плавным переходом обратного валика к
 основному металлу. Technology of laser welding of root welds from heat-resi...
Збережено в:
| Опубліковано в: : | Автоматическая сварка |
|---|---|
| Дата: | 2010 |
| Автори: | , , , , |
| Формат: | Стаття |
| Мова: | Російська |
| Опубліковано: |
Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України
2010
|
| Теми: | |
| Онлайн доступ: | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101411 |
| 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: | Лазерная сварка корневых швов соединений толстого
 металла теплоустойчивой стали / Т.И. Черная, А.К. Царюк, А.В. Сиора, В.Д. Шелягин, В.Ю. Хаскин // Автоматическая сварка. — 2010. — № 2 (682). — С. 19-22. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
Репозитарії
Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine| _version_ | 1860161056758824960 |
|---|---|
| author | Черная, Т.И. Царюк, А.К. Сиора, А.В. Шелягин, В.Д. Хаскин, В.Ю. |
| author_facet | Черная, Т.И. Царюк, А.К. Сиора, А.В. Шелягин, В.Д. Хаскин, В.Ю. |
| citation_txt | Лазерная сварка корневых швов соединений толстого
 металла теплоустойчивой стали / Т.И. Черная, А.К. Царюк, А.В. Сиора, В.Д. Шелягин, В.Ю. Хаскин // Автоматическая сварка. — 2010. — № 2 (682). — С. 19-22. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. |
| collection | DSpace DC |
| container_title | Автоматическая сварка |
| description | Описана технология лазерной сварки корневых швов теплоустойчивой стали. Определены оптимальные условия
сварки для хорошего формирования корневых швов с полным проваром и плавным переходом обратного валика к
основному металлу.
Technology of laser welding of root welds from heat-resistant steel is described. Optimum conditions of welding for sound
formation of root welds with complete penetration and smooth transition from the back bead to the base metal were
determined.
|
| first_indexed | 2025-12-07T17:54:58Z |
| format | Article |
| fulltext |
УДК 621.791.72:621.375.826
ЛАЗЕРНАЯ СВАРКА КОРНЕВЫХ ШВОВ СОЕДИНЕНИЙ
ТОЛСТОГО МЕТАЛЛА ТЕПЛОУСТОЙЧИВОЙ СТАЛИ
Т. И. ЧЕРНАЯ, инж., А. К. ЦАРЮК, канд. техн. наук, А. В. СИОРА, инж.,
В. Д. ШЕЛЯГИН, В. Ю. ХАСКИН, кандидаты техн. наук (Ин-т электросварки им. Е. О. Патона НАН Украины)
Описана технология лазерной сварки корневых швов теплоустойчивой стали. Определены оптимальные условия
сварки для хорошего формирования корневых швов с полным проваром и плавным переходом обратного валика к
основному металлу.
К л ю ч е в ы е с л о в а : лазерная сварка, теплоустойчивая
сталь, мощность, луч, присадочная проволока, сварное сое-
динение, корневой проход, шов
Обеспечение надежности и эксплуатационной ра-
ботоспособности ответственных компонентов
турбоагрегатов, например, роторов мощных па-
ровых турбин, является серьезной проблемой. При
этом одной из наиболее актуальных задач явля-
ется качественное выполнение корневых швов со-
единений ротора. Учитывая особенности конс-
трукции, сварка выполняется в сложных условиях
и проведение неразрушающего контроля качества
затруднительно. В то же время от сварки корне-
вых швов зависит геометрия изделия, его ресурс
и надежность в целом. В настоящее время кор-
невые швы роторов цилиндра низкого давления
(ЦНД) выполняют аргонодуговой сваркой непла-
вящимся электродом навесу либо на остающейся
стальной подкладке (для ЦНД тихоходных тур-
бин). Однако при таком способе сварки сложно
обеспечить стабильный 100%-й провар корня шва
по всему периметру соединения, особенно при
изготовлении крупногабаритных роторов турбин
большой мощности. Существенным недостатком
сварки корневых швов на подкладном кольце яв-
ляется образование конструктивно-технологичес-
кого непровара, который, являясь потенциальным
концентратором напряжений, способствует сни-
жению уровня усталостной прочности и повыше-
нию склонности к хрупкому разрушению. Поэ-
тому изыскание способа сварки корневого шва
со 100%-м проваром и обеспечением обратного
формирования является первоочередной техноло-
гической задачей.
Целью настоящей работы являлось исследо-
вание и определение оптимальных условий для
получения качественных корневых швов с обрат-
ным формированием при соединении толстого ме-
талла теплоустойчивой стали лазерным лучом.
Для этого необходимо было решить ряд методи-
ческих и технологических задач, относящихся к
выбору типа лазера, определению его оптималь-
ной мощности, выбору защитного газа и формы
разделки кромок, установлению параметров ла-
зерной сварки и отработки техники сварки.
Методика исследований предусматривала ис-
пользование в качестве основного материала ро-
торной стали 25Х2НМФА толщиной 30 мм, а так-
же стали 20 толщиной 5 мм — для предваритель-
ных опытов по отработке отдельных параметров
режима сварки притупления стыкового соедине-
ния из стали 25Х2НМФА (рис. 1). Толщина при-
тупления, равная 5 мм, была выбрана из сообра-
жений технологичности при сборке и минималь-
ного сечения корневого шва, отвечающего усло-
виям прочности.
В качестве источника излучения выбран твер-
дотельный лазер типа DY 044 (производства
«Rofin Sinar», Германия). Как известно, мощность
излучения оказывает существенное влияние на
проплавляющую способность и характер форми-
рования шва [1]. Увеличение мощности излучения
повышает как эффективность действия луча, так
и глубину проплавления и ширину шва. Экспе-
рименты по установлению параметров режимов
сварки проводили на стыках размером
300 150 5 мм из стали 20 (0,196 C; 0,2 Si; 0,49
Mn; 0,019 S; 0,017 P мас. %) без разделки кромок
при различных мощностях излучения от 2,5 до
4,0 кВт. Излучение фокусировали линзой с фо-
кусным расстоянием 200 мм. Сварку вели с по-
© Т. И. Черная, А. К. Царюк, А. В. Сиора, В. Д. Шелягин, В. Ю. Хаскин, 2010
Рис. 1. Схема кромок для лазерной сварки V- (а) и U-образ-
ной (б) разделки
2/2010 19
мощью трехкоординатного манипулятора [2]. Как
правило, при лазерной сварке применяют защиту
струей газа, направленной в зону воздействия ла-
зерного излучения на металл. Защищая металл шва
от окисления, газовая струя отклоняет поток паров
и брызги с оси распространения лазерного излу-
чения и снижает экранирующее действие плазмы,
существующей в кратере и над облучаемой повер-
хностью. В качестве защитных газов использовали
углекислый газ CO2 и смесь 82 % CO2 + 18 % Ar.
Основным критерием для установления опти-
мальных условий и параметров лазерной сварки яв-
лялось качество сварного соединения. Контроль ка-
чества осуществляли путем изучения макрострук-
туры в поперечном сечении темплетов, вырезанных
из сварных соединений. Качество соединения счи-
талось удовлетворительным при отсутствии пор,
трещин, несплавлений, шлаковых включений, а так-
же при соответствии норм вогнутости и выпуклости
корня шва с обратной стороны.
Из табл. 1 видно, что лучшую защиту металла
шва обеспечивает углекислый газ. При сварке в
смеси на выбранной скорости сварки образовы-
вались поры.
В табл. 2 приведены данные по влиянию рас-
фокусировки излучения на геометрию проплав-
ления при защите углекислым газом и смесью
(CO2 + Ar). При этом поверхность свариваемых
деталей располагали выше или ниже фокальной
плоскости объектива, где сфокусированный пучок
имеет наименьший диаметр. Диаметр сфокусиро-
ванного луча оказывает непосредственное влия-
ние на плотность мощности и соответственно на
геометрию проплавления. Наилучшие результаты
достигаются при заглублении фокуса под повер-
хность образца на 2,0 мм. Во всех вариантах зону
излучения целесообразно защищать углекислым
газом. При использовании смеси газов и выбран-
ной скорости сварки практически во всех случаях
образовывались поры. Поэтому в дальнейших эк-
спериментах основную защиту осуществляли уг-
лекислым газом (подача в голову ванны). Для до-
полнительной защиты кристаллизующегося ме-
талла шва в хвост ванны подавали аргон.
Основными особенностями сварки теплоус-
тойчивых сталей перлитного класса являются вы-
сокая чувствительность их к скорости охлаждения
ниже температур аустенизации и необходимость
сохранения стабильности структуры, а также ме-
ханических свойств, уровень которых в значи-
тельной мере достигается путем термического уп-
рочнения стали до сварки [3]. Учитывая высокую
склонность этих сталей к образованию хрупких
закалочных структур в металле ЗТВ, сварку не-
обходимо проводить с предварительным и сопут-
ствующим подогревом, а сварные соединения
подвергать высокому отпуску. Кроме того, при
многопроходной сварке металла толщиной более
20 мм для уменьшения риска образования холод-
ных трещин корень шва рекомендуется выполнять
Т а б л и ц а 1. Влияние мощности излучения и защитного газа на макроструктуру и геометрию сварного соединения
стали 20 толщиной 5 мм
Мощность, кВт CO2 Cмесь (82 % CO2 +18 % Ar)
4
3,5
3
2,8
2,5
20 2/2010
более пластичным материалом, чем при запол-
нении разделки (при аргонодуговой сварке неп-
лавящимся электродом используется проволока
Св-08Г2С или Св-08ГС). В связи с этим после-
дующие эксперименты по сварке корневых швов
соединений роторной стали 25Х2НМФА (0,220 C;
0,3 Si; 0,44 Mn; 1,87 Cr; 1,38 Ni; 0,36 Mo; 0,04 V;
0,009 S; 0,008 P мас. %) проводили с предвари-
тельным подогревом до 250…300 °С и с исполь-
зованием пластичной присадочной проволоки.
Отработку технологии лазерной сварки кор-
невых швов стыковых соединений из стали
25Х2НМФА толщиной 30 мм проводили на жес-
тких пробах (рис. 2) с подачей и без подачи при-
садочной проволоки. В качестве присадочного ма-
териала использовали проволоку Св-08Г2С диа-
метром 1,2 мм. Для сварки корневых швов ис-
следовали несколько конструкций разделки кро-
мок жестких стыков (см. рис. 1). Наилучшей фор-
мой оказалась U-образная разделка (рис. 1, б).
Притупление во всех случаях составляло 5 мм.
Т а б л и ц а 2. Влияние расфокусировки излучения и защитного газа на макроструктуру и геометрию сварного
соединения стали 20 толщиной 5 мм
Заглубление CO2 Cмесь (82 % CO2 + 18% Ar)
+5
+3
+2
+1
0
–1
–2
–3
–5
Рис. 2. Схема жесткой пробы из стали 25Х2НМФА: 1 —
пластина; 2 — ребро жесткости; 3 — выводная планка
2/2010 21
При выборе типа разделки стремились получить
сварное соединение с хорошим проваром корня
шва при минимальном расходе наплавленного ме-
талла и в то же время простую в изготовлении
форму кромок. U-образная подготовка кромок по
сравнению с V-образной требует меньшего ко-
личества наплавленного металла, а также благо-
даря более широкому зазору в корне шва облег-
чает ведение процесса при наложении первого
корневого шва. При сварке с V-образной раздел-
кой без присадочной проволоки шов имеет ос-
лабленное сечение, втянут внутрь с обратной сто-
роны разделки (рис. 3, а), и вероятность разру-
шения такого шва достаточно высока. При сварке
V-образной разделки с применением присадочной
проволоки (рис. 3, б) получается несколько боль-
шее сечение, но обратное формирование ввиду
присутствия своеобразного концентратора (канав-
ка вместо корневого валика) является неприем-
лемым.
Обработка и обобщение результатов исследо-
вания качества сварных соединений показали, что
путем выбора параметров лазерной сварки и ско-
рости подачи присадочной проволоки можно дос-
тичь оптимальной геометрии, удовлетворительно-
го формирования и требуемого усиления корне-
вого шва.
Проведенные исследования показали, что из-
лучение Nd:YAG лазера мощностью 4,4 кВт при
скорости сварки 16 м/ч позволяет получить в сты-
ковом соединении корневой шов с полным проп-
лавлением и хорошим обратным формированием.
Оптимальный режим сварки корневых швов
соединений стали 25Х2НМФА с U-образной раз-
делкой (рис. 3, в, г) следующий: мощность из-
лучения 4 кВт; скорость сварки 16 м/ч; фокусное
расстояние 200 мм; заглубление фокуса 2 мм;
расход газа: CO2 — 20 л/мин (в голову ванны);
Аr — 10 л/мин (в хвост ванны); скорость подачи
проволоки диаметром 1,2 мм — 38,4 м/ч.
Таким образом, результаты опытов по лазер-
ной сварке корневых швов в нижнем положении
показали, что при надлежащей сборке и соблю-
дении режимов сварки обеспечивается полное
проплавление корня шва без дефектов (пор и тре-
щин) с хорошим обратным формированием.
1. Григорьянц А. Г., Шиганов И. Н. Лазерная сварка метал-
лов. — М.: Высш. шк., 1988. — 208 с.
2. Лазерная сварка тонколистовых сталей с использовани-
ем специальных приемов / В. Д. Шелягин, В. Ю. Хаскин,
А. В. Сиора и др. // Автомат. сварка. — 2003. — № 1. —
С. 41–44.
3. Машиностроение: Технология сварки, пайки и резки /
Под ред. Б. Е. Патона. — М.: Машиностроение, 2006. —
Т. 3. — 768 с.
Technology of laser welding of root welds from heat-resistant steel is described. Optimum conditions of welding for sound
formation of root welds with complete penetration and smooth transition from the back bead to the base metal were
determined.
Поступила в редакцию 19.05.2008
Рис. 3. Макрошлифы корневого шва, выполненного лазерной
сваркой с V- (а, б) и U-образной (в, г) разделкой и притупле-
нием 5 мм
22 2/2010
|
| id | nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-101411 |
| institution | Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine |
| issn | 0005-111X |
| language | Russian |
| last_indexed | 2025-12-07T17:54:58Z |
| publishDate | 2010 |
| publisher | Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України |
| record_format | dspace |
| spelling | Черная, Т.И. Царюк, А.К. Сиора, А.В. Шелягин, В.Д. Хаскин, В.Ю. 2016-06-03T10:43:37Z 2016-06-03T10:43:37Z 2010 Лазерная сварка корневых швов соединений толстого
 металла теплоустойчивой стали / Т.И. Черная, А.К. Царюк, А.В. Сиора, В.Д. Шелягин, В.Ю. Хаскин // Автоматическая сварка. — 2010. — № 2 (682). — С. 19-22. — Бібліогр.: 3 назв. — рос. 0005-111X https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101411 621.791.72:621.375.826 Описана технология лазерной сварки корневых швов теплоустойчивой стали. Определены оптимальные условия
 сварки для хорошего формирования корневых швов с полным проваром и плавным переходом обратного валика к
 основному металлу. Technology of laser welding of root welds from heat-resistant steel is described. Optimum conditions of welding for sound
 formation of root welds with complete penetration and smooth transition from the back bead to the base metal were
 determined. ru Інститут електрозварювання ім. Є.О. Патона НАН України Автоматическая сварка Научно-технический раздел Лазерная сварка корневых швов соединений толстого металла теплоустойчивой стали Laser welding of root welds of joints of heat-resistant steel thick metal Article published earlier |
| spellingShingle | Лазерная сварка корневых швов соединений толстого металла теплоустойчивой стали Черная, Т.И. Царюк, А.К. Сиора, А.В. Шелягин, В.Д. Хаскин, В.Ю. Научно-технический раздел |
| title | Лазерная сварка корневых швов соединений толстого металла теплоустойчивой стали |
| title_alt | Laser welding of root welds of joints of heat-resistant steel thick metal |
| title_full | Лазерная сварка корневых швов соединений толстого металла теплоустойчивой стали |
| title_fullStr | Лазерная сварка корневых швов соединений толстого металла теплоустойчивой стали |
| title_full_unstemmed | Лазерная сварка корневых швов соединений толстого металла теплоустойчивой стали |
| title_short | Лазерная сварка корневых швов соединений толстого металла теплоустойчивой стали |
| title_sort | лазерная сварка корневых швов соединений толстого металла теплоустойчивой стали |
| topic | Научно-технический раздел |
| topic_facet | Научно-технический раздел |
| url | https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/101411 |
| work_keys_str_mv | AT černaâti lazernaâsvarkakornevyhšvovsoedineniitolstogometallateploustoičivoistali AT carûkak lazernaâsvarkakornevyhšvovsoedineniitolstogometallateploustoičivoistali AT sioraav lazernaâsvarkakornevyhšvovsoedineniitolstogometallateploustoičivoistali AT šelâginvd lazernaâsvarkakornevyhšvovsoedineniitolstogometallateploustoičivoistali AT haskinvû lazernaâsvarkakornevyhšvovsoedineniitolstogometallateploustoičivoistali AT černaâti laserweldingofrootweldsofjointsofheatresistantsteelthickmetal AT carûkak laserweldingofrootweldsofjointsofheatresistantsteelthickmetal AT sioraav laserweldingofrootweldsofjointsofheatresistantsteelthickmetal AT šelâginvd laserweldingofrootweldsofjointsofheatresistantsteelthickmetal AT haskinvû laserweldingofrootweldsofjointsofheatresistantsteelthickmetal |