RU2639086C1

RU2639086C1 - Method of laser or laser-arc welding of pipes

Info

Publication number: RU2639086C1
Application number: RU2017107701A
Authority: RU
Inventors: Александр Игоревич Романцов; Михаил Александрович Федоров; Антон Александрович Черняев; Александр Олегович Котлов; Александр Николаевич Маковецкий
Original assignee: Публичное Акционерное Общество "Челябинский Трубопрокатный Завод"
Priority date: 2017-03-07
Filing date: 2017-03-07
Publication date: 2017-12-19

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: after laser or laser-arc welding of pipes, the welded area of pipes is cooled by laser radiation until they are completely melted. The cooling of welded seam is performed in the temperature interval Ms, where Ms is the starting temperature of martensite formation, and to a temperature not lower than Mf, where Mf is the temperature of the martensite formation completion. Then it is reheated to a temperature of Ms (+100…300)°C with further final cooling. In this case, cooling is carried out in the air, or by water, or by a water-air mixture. Reheating is performed by an induction method or laser.

EFFECT: improved micro-structure of the welded seam.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к стыковой сварке металлопродукции, в частности к сварке продольных швов труб большого диаметра, кольцевых швов трубопроводов, а также швов трубопроводных изделий (отводов, тройников и т.д).The invention relates to butt welding of metal products, in particular to welding longitudinal seams of large diameter pipes, annular seams of pipelines, as well as seams of pipeline products (bends, tees, etc.).

Лазерная или лазерно-дуговая сварка характеризуется большими скоростями охлаждения сварного шва, способствующими образованию мартенситной микроструктуры. Мартенситная микроструктура характеризуется высокой твердостью и низкой пластичностью и может быть склонна к хрупким разрушениям.Laser or laser-arc welding is characterized by high cooling rates of the weld, contributing to the formation of a martensitic microstructure. The martensitic microstructure is characterized by high hardness and low ductility and may be prone to brittle fracture.

Из уровня техники известен способ сварки (патент РФ №,2047446, опубл. 10.11.95 г.), при котором осуществляют воздействие высокоэнергетическим тепловым лучом на подлежащие соединению участки свариваемых деталей и подачу в зону сварки инертного газа. Свариваемые участки охлаждают за счет подачи в зону сварки охлажденного инертного газа. Температуру охлаждения выбирают в диапазоне (-200-0°С). Недостатком известного способа является невысокая скорость сварки и качественные изменения микроструктуры (межкристаллитное окисление, рост кристаллов) металла свариваемой трубы из-за нагрева в результате непрерывного лазерного излучения всей массы металла свариваемой трубы.The welding method is known from the prior art (RF patent No. 2047446, publ. 10.11.95), in which a high-energy heat beam is applied to the parts of the parts to be joined to be joined and inert gas is supplied to the welding zone. The welded sections are cooled by supplying a cooled inert gas to the welding zone. The cooling temperature is selected in the range (-200-0 ° C). The disadvantage of this method is the low welding speed and qualitative changes in the microstructure (intergranular oxidation, crystal growth) of the metal of the welded pipe due to heating as a result of continuous laser radiation of the entire mass of the metal of the welded pipe.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому способу является способ лазерной сварки тонкостенных труб (патент РФ №2533572 опуб. 20.07.14 г.), при котором осуществляют воздействие лазерным лучом на подлежащие соединению кромки свариваемых труб. Свариваемые трубы во время процесса сварки охлаждают по всей их массе до температуры (-200°С) путем подачи и непрерывной циркуляции в контуре кондуктора сжиженного азота, причем скорость лазерной сварки труб выбирают в зависимости от их толщины и времени глубокого проплавления металла при воздействии лазерного луча. Известный способ лазерной сварки позволяет получать высокопрочные сварные швы без выпуклости, в которых легко восстанавливается первичная структура свариваемого металла с его свойствами.The closest technical solution to the claimed method is a method of laser welding of thin-walled pipes (RF patent No. 2533572 publ. 07.20.14), in which the laser beam acts on the edges of the pipes to be joined to be joined. The welded pipes during the welding process are cooled throughout their mass to a temperature (-200 ° C) by feeding and continuous circulation in the loop of the liquefied nitrogen conductor, and the laser welding speed of the pipes is selected depending on their thickness and time of deep penetration of the metal when exposed to a laser beam . The known laser welding method allows to obtain high-strength welds without bulge, in which the primary structure of the metal being welded with its properties is easily restored.

Однако охлаждение сварного шва жидким азотом приводит к практически 100% содержанию мартенсита в металле, и как следствие к снижению вязко-пластических свойств при низких температурах, так как охлаждение идет до температур ниже начала образования мартенсита (Ms). Кроме того, выполнение этой технологической операции является сложным технологическим процессом и дорогостоящим из-за того, что форма трубной заготовки под сварку может быть далека от идеальной. Кромки могут быть изогнуты винтообразно, что затрудняет точную подачу жидкого азота в требуемую область.However, cooling the weld with liquid nitrogen leads to an almost 100% martensite content in the metal, and as a result to a decrease in the viscous-plastic properties at low temperatures, since cooling is carried out to temperatures below the onset of martensite formation (Ms). In addition, the implementation of this technological operation is a complex technological process and expensive due to the fact that the shape of the tube billet for welding can be far from ideal. The edges can be bent helically, which makes it difficult to accurately supply liquid nitrogen to the desired area.

Заявляемый способ лазерной или лазерно-дуговой сварки труб решает проблему повышения качества сварного соединения.The inventive method of laser or laser-arc pipe welding solves the problem of improving the quality of the welded joint.

Техническим результатом, обеспечиваемым заявляемым изобретением является улучшение микроструктуры сварного шва.The technical result provided by the claimed invention is to improve the microstructure of the weld.

Указанный технический результат заявляемого изобретения достигается тем что, в способе лазерной или лазерно-дуговой сварки труб осуществляют воздействие лазерным лучом на подлежащие соединению участки свариваемых труб до полного их проплавления, а далее охлаждение зоны сварки, согласно изобретению охлаждение выполняют от температуры Ms, где Ms - температура начала образования мартенсита, и до температуры Mf, где Mf - температура завершения образования мартенсита, затем повторный нагрев до температуры Ms(+100…300°C) и дальнейшее окончательное охлаждение. При этом окончательное охлаждение выполняют естественным путем на воздухе, либо принудительно водой или водовоздушной смесью. Повторный нагрев выполняют индукционным или иным способом.The specified technical result of the claimed invention is achieved by the fact that, in the method of laser or laser-arc welding of pipes, the laser beam acts on the sections of the pipes to be welded to be joined until they are completely melted, and then the welding zone is cooled, according to the invention, cooling is performed from the temperature Ms, where Ms - the temperature of the onset of martensite formation, and to the temperature Mf, where Mf is the temperature of the completion of martensite formation, then reheating to the temperature Ms (+ 100 ... 300 ° C) and further final hlazhdenie. In this case, the final cooling is carried out naturally in air, or forcedly with water or a water-air mixture. Reheating is performed by induction or otherwise.

Сущность заявляемого технического решения поясняется графиками:The essence of the proposed technical solution is illustrated by the graphs:

Фиг. - 1 - диаграмма термического цикла лазерно-гибридной сварки. На данной диаграмме показан происходящий процесс по известной технологии и процесс по заявляемому способу.FIG. - 1 - diagram of the thermal cycle of laser hybrid welding. This diagram shows the ongoing process according to known technology and the process of the claimed method.

Фиг. 2 - мартенситное превращение для низкоуглеродистых сталей,FIG. 2 - martensitic transformation for low carbon steels,

Отличительными признаками заявляемого технического решения являются охлаждение от температуры начала образования мартенсита (Ms) и до температуры, не ниже завершения образования мартенсита (Mf), а затем повторный нагрев до температуры начала образования мартенсита (Ms).Distinctive features of the proposed technical solution are cooling from the temperature at which martensite formation begins (Ms) to a temperature not lower than the completion of martensite formation (Mf), and then reheating to the temperature at which martensite formation begins (Ms).

Совокупность существенных признаков заявляемого изобретения позволяет обеспечить качественное сварное соединение за счет улучшенных характеристик микроструктуры материала.The set of essential features of the claimed invention allows to provide high-quality welded joint due to improved characteristics of the microstructure of the material.

Осуществление изобретения.The implementation of the invention.

На подлежащие соединению участки свариваемых труб осуществляют воздействие лазерным лучом до полного их проплавления. После образования ванны жидкого металла происходит охлаждение сварного соединения естественным путем за счет теплопроводности металла кромок, сопровождающееся сначала кристаллизацией металла шва, а затем выполняют охлаждение от температуры начала образования мартенсита (Ms) до температуры, не ниже окончания образования мартенсита (Mf). Температуру охлаждения контролируют пирометрами или иными способами.The sections of the pipes to be welded to be joined are subjected to a laser beam until they are completely penetrated. After the formation of the molten metal bath, the welded joint is naturally cooled due to the thermal conductivity of the metal of the edges, which is first accompanied by crystallization of the weld metal, and then cooling is performed from the temperature at which martensite formation (Ms) begins to a temperature not lower than the end of martensite formation (Mf). The cooling temperature is controlled by pyrometers or other methods.

При понижении температуры ниже температуры Ms происходит мартенситное превращение. Степень мартенситного превращения зависит от температуры охлаждения и характеризуется мартенситной кривой. Превращение будет развиваться, если будет непрерывное понижение температуры. (См. фиг 1 - известная технология).As the temperature drops below Ms, a martensitic transformation occurs. The degree of martensitic transformation depends on the cooling temperature and is characterized by a martensitic curve. Transformation will develop if there is a continuous decrease in temperature. (See FIG. 1 — known technology).

При охлаждении в интервале температур Ms-Mf мартенситное превращение не завершается и помимо мартенсита в структуре будет присутствовать остаточный аустенит. Мартенсит является пересыщенным твердым раствором углерода в α-железе и термодинамически не стабилен. При прерывании охлаждения происходит диффузия углерода в аустенит из мартенсита. В результате аустенит обогащается углеродом и стабилизируется. Образуется смешанная структура мартенсита и остаточного аустенита. Стабилизированный аустенит дает возможность реализовать повышение ударной вязкости, равномерное удлинение и трещиностойкость за счет TRIP-эффекта (TRIP - Transformation Induced Plasticity - пластичность наведенная превращением). На фиг. 2 показан пример графического описания мартенситного превращения для низкоуглеродистой стали.Upon cooling in the temperature range Ms-Mf, the martensitic transformation does not end and, in addition to martensite, residual austenite will be present in the structure. Martensite is a supersaturated solid solution of carbon in α-iron and is not thermodynamically stable. When cooling is interrupted, carbon diffuses into austenite from martensite. As a result, austenite is enriched in carbon and stabilizes. A mixed structure of martensite and residual austenite is formed. Stabilized austenite makes it possible to realize an increase in impact strength, uniform elongation and crack resistance due to the TRIP effect (TRIP - Transformation Induced Plasticity - plasticity induced by transformation). In FIG. Figure 2 shows an example of a graphic description of the martensitic transformation for mild steel.

При повторном нагреве сварного шва до температуры начала образования мартенсита Ms(+100-300°C) в структуре металла сварного шва активизируется процесс диффузии атомов углерода из мартенсита в остаточный аустенит. Насыщение аустенита углеродом повышает его стабильность. Далее следует окончательное охлаждение сварного шва при температуре окружающей среды, где происходит стабилизация микроструктуры металла (См. фиг. 1 - предлагаемая технология).When the weld is reheated to the temperature of the onset of the formation of martensite Ms (+ 100-300 ° C), the diffusion of carbon atoms from martensite to residual austenite is activated in the structure of the weld metal. Saturation of austenite with carbon increases its stability. This is followed by the final cooling of the weld at ambient temperature, where the microstructure of the metal is stabilized (See Fig. 1 - the proposed technology).

И в зависимости от химического состава стали при окончательном охлаждении возможно образование дополнительной порции мартенсита, что может использоваться для дальнейшего упрочнения.And depending on the chemical composition of the steel during final cooling, the formation of an additional portion of martensite is possible, which can be used for further hardening.

В результате исследований авторами установлено, что заявляемый способ позволяет создать условия для более равномерного охлаждения сварного соединения и в результате получить высокую прочность при хороших характеристиках пластичности и ударной вязкости.As a result of research, the authors found that the inventive method allows to create conditions for more uniform cooling of the welded joint and as a result to obtain high strength with good ductility and toughness.

Claims

1. A method of welding pipes, including the action of a laser beam on the sections of the pipes to be joined until they are completely melted and cooling the weld, characterized in that the cooling of the weld is carried out to a temperature in the range from the temperature of the formation of martensite Ms to the temperature of completion of the formation of martensite Mf, then re-heat the weld to a temperature of Ms + (100-300) ˚С and final cooling.

2. The method according to p. 1, characterized in that the cooling is carried out in air, or water, or a water-air mixture.

3. The method according to p. 1, characterized in that the reheating is carried out, for example, by induction.