RU2678110C1

RU2678110C1 - Method of hybrid laser-arc welding of thick-walled pipes of large diameter from high-strength steel grades

Info

Publication number: RU2678110C1
Application number: RU2018109566A
Authority: RU
Inventors: Кирилл Николаевич Никитин; Александр Игоревич Романцов; Михаил Александрович Федоров; Антон Бильгуварович Гизатуллин; Антон Александрович Черняев; Александр Олегович Котлов; Алексей Александрович Булыгин
Original assignee: Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ")
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-01-23

Abstract

FIELD: technological processes.SUBSTANCE: invention relates to a method of hybrid laser-arc welding of thick-walled large diameter pipes, in particular, to welding longitudinal welds of a molded cylindrical billet in the production of welded pipes from sheet steel with a strength class up to X120 inclusive and with a wall thickness up to 50 mm. Edges of the pipes to be welded are affected with an electric arc, then with a laser beam, and an electric arc. In this case, the laser beam is directed using an optical system consisting of successively located sources of laser radiation, a collimating mirror with a focal length of 130–240 mm and a focusing lens with a focal length of 500–1,000 mm.EFFECT: technical result is to obtain a high-quality weld of thick-walled large-diameter pipes from high-strength steel grades, ensuring a high level of toughness of at least 80 J/cmat a test temperature of 40 °C on a U-shaped and V-shaped concentrators.5 cl, 8 dwg

Description

Изобретение относится к гибридной лазерно-дуговой сварке толстотолщинных металлоконструкций, в частности, к сварке продольных швов сформованной цилиндрической заготовки и может быть использовано при производстве сварных труб большого диаметра из листового проката класса прочности до Х120 включительно и с толщиной стенки до 50 мм.The invention relates to hybrid laser-arc welding of thick metal structures, in particular, to welding longitudinal seams of a formed cylindrical workpiece and can be used in the production of large diameter welded pipes from sheet metal of strength class up to X120 inclusive and with a wall thickness of up to 50 mm

В тексте использованы следующие термины и сокращения.The following terms and abbreviations are used in the text.

HV – буквенная добавка к числовому обозначению величины твердости по Виккерсу в соответствии с ГОСТ 2999-75 при условиях испытания F = 294,2 Н (30 кгс) и времени выдержки под нагрузкой 10-15 с. При других условиях испытания после букв HV указывается нагрузка в кгс и время выдержки в секундах.HV is a letter addition to the numerical designation of the Vickers hardness value in accordance with GOST 2999-75 under test conditions F = 294.2 N (30 kgf) and the exposure time under load of 10-15 s. Under other test conditions, the letters HV indicate the load in kgf and the exposure time in seconds.

KCV – обозначение ударной вязкости надреза острого вида. KCV - designation of the impact strength of an acute incision.

Метод Виккерса — (является статичным) метод измерения твёрдости металлов и сплавов. Регламентируется ГОСТ 2999-75 и ISO 6507. Сущность метода заключается во вдавливании в испытуемый материал правильной четырёхгранной алмазной пирамиды с углом 136° между противоположными гранями. Твёрдость по Виккерсу вычисляется путём деления нагрузки Р на площадь поверхности полученного пирамидального отпечатка.Vickers method - (is a static) method for measuring the hardness of metals and alloys. GOST 2999-75 and ISO 6507 are regulated. The essence of the method consists in pressing a regular tetrahedral diamond pyramid with an angle of 136 ° between opposite faces into the test material. Vickers hardness is calculated by dividing the load P by the surface area of the resulting pyramidal print.

Ударная вязкость — способность материала поглощать механическую энергию в процессе деформации и разрушения под действием ударной нагрузки.Impact strength is the ability of a material to absorb mechanical energy in the process of deformation and fracture under the influence of impact load.

Высокопрочные стали используют для сварки ответственных металлоконструкций, к которым предъявляют высокие эксплуатационные требования. Одним из недостатков таких сталей является высокая вероятность образования холодных трещин в сварных швах и зоне термического влияния. Связано это с тем, что высокопрочные марки стали имеют высокие прочностные свойства. Однако наряду с этим твёрдость данных сталей находится на высоком уровне, а вязко-пластические характеристики снижены. Кроме того, при электродуговой сварке происходит разупрочнение шва и зоны термического влияния, твёрдость сварного шва ещё больше повышается, и происходит заметное снижение его ударной вязкости. В последнее время для сварки специальных сталей, в том числе и для сварки высокопрочных сталей, применяется технология лазерной сварки, а также гибридные технологии сварки. Так, например, удовлетворительные результаты сварки обеспечивает применение лазерно-гибридной технологии сварки, где наряду с воздействием на металл луча лазера дополнительно действует электрическая дуга. Лазерно-гибридная сварка за счёт узконаправленного действия лазерного луча позволяет минимизировать зону термического влияния, тем самым максимально уменьшая зону разупрочнения. Однако и данный вид сварки имеет ряд существенных недостатков, которые обнаруживаются при сварке высокопрочных сталей. Высокая концентрация энергии на узком участке, и, как следствие, интенсивная скорость охлаждения могут вызвать образование закалочных структур в сварных швах, повышение твёрдости и снижение показателей пластичности. Также известно, что при лазерной и лазерно-гибридной технологии сварки металлов большой толщины лазерный луч стараются сфокусировать на поверхности свариваемых деталей таким образом, чтобы плотность мощности в точке фокуса была максимальной. Для этого оптическая система фокусировки луча выбирается из условия обеспечения минимального диаметра фокального пятна. При лазерно-гибридной сварке диаметр фокального пятна как правило не превышает 0,4 мм. Формула зависимости диаметра фокального пятна от характеристик оптической системы имеет следующий вид: High-strength steels are used for welding critical metal structures, which have high operational requirements. One of the disadvantages of such steels is the high probability of the formation of cold cracks in the welds and the heat-affected zone. This is due to the fact that high-strength steel grades have high strength properties. However, along with this, the hardness of these steels is at a high level, and the visco-plastic characteristics are reduced. In addition, during electric arc welding, the weld and heat affected zones become weaker, the hardness of the weld is further increased, and its impact strength is noticeably reduced. Recently, for welding special steels, including for welding high-strength steels, laser welding technology is used, as well as hybrid welding technologies. For example, satisfactory welding results are ensured by the use of hybrid laser welding technology, where, in addition to the action of the laser beam on the metal, an electric arc also acts. Laser hybrid welding due to the narrowly targeted action of the laser beam allows you to minimize the zone of thermal influence, thereby minimizing the area of softening. However, this type of welding has a number of significant drawbacks that are found when welding high-strength steels. A high concentration of energy in a narrow area, and, as a result, an intense cooling rate can cause the formation of quenching structures in welds, an increase in hardness and a decrease in ductility. It is also known that with laser and laser-hybrid technology for welding large-thickness metals, they try to focus the laser beam on the surface of the parts being welded so that the power density at the focal point is maximum. For this, the optical beam focusing system is selected from the condition of ensuring the minimum diameter of the focal spot. In laser hybrid welding, the diameter of the focal spot usually does not exceed 0.4 mm. The formula for the dependence of the diameter of the focal spot on the characteristics of the optical system has the following form:

2ω₀ = (F_f/ F_c)·d_f ,2ω ₀ = (F _f / F _c ) d _f ,

где 2ω₀ – диаметр пятна в точке фокуса (фокальное пятно);where 2ω ₀ is the diameter of the spot at the focal point (focal spot);

F_f – фокусное расстояние фокусирующей линзы;F _f is the focal length of the focusing lens;

F_c – фокусное расстояние коллимирующего зеркала (оптического коллиматора);F _c is the focal length of the collimating mirror (optical collimator);

d_f – диаметр оптического волокна.d _f is the diameter of the optical fiber.

Схема фокусировки лазерного излучения в оптической системе, состоящей из оптоволокна 1, коллимирующего зеркала 2 и фокусирующей линзы 3, представлена на фиг. 1.The laser focusing scheme in an optical system consisting of an optical fiber 1, a collimating mirror 2 and a focusing lens 3 is shown in FIG. one.

Лазерный луч после фокусировки не представляет собой классические песочные часы. Точка его фокуса находится в центре перетяжки 6 (фиг. 1), где диметр луча остаётся неизменным на некоторой длине, и плотность мощности в этой перетяжке также постоянна. The laser beam after focusing is not a classic hourglass. The focus point is in the center of the waist 6 (Fig. 1), where the beam diameter remains unchanged for a certain length, and the power density in this waist is also constant.

Перетяжка, в свою очередь, напрямую зависит от диаметра фокального пятна: чем шире фокальное пятно, тем длиннее перетяжка, что видно из следующей формулы:The constriction, in turn, directly depends on the diameter of the focal spot: the wider the focal spot, the longer the constriction, as can be seen from the following formula:

Z = 2 · (2ω₀) / BPP, Z = 2 · (2ω ₀ ) / BPP,

где Z – длина перетяжки;where Z is the length of the waist;

2ω₀ – диаметр пятна в точке фокуса (фокальное пятно);2ω ₀ is the spot diameter at the focal point (focal spot);

BPP – параметр качества лазерного пучка (для каждого источника лазерного излучения этот параметр свой и является неизменным). BPP is a laser beam quality parameter (for each laser radiation source this parameter is its own and is unchanged).

При лазерной и лазерно-гибридной сварке металлов больших толщин используется лазерный луч, сфокусированный таким образом, чтобы получить диаметр фокального пятна на уровне 0,4 мм. При работе с высокомощным лазерным излучением (более 20 КВт) для получения такого фокального пятна излучение подают по оптическому волокну диаметром не менее 200 мкм и используют следующую оптическую схему: фокусное расстояние коллимирующего зеркала – 250 мм, а фокусное расстояние фокусирующего зеркала – 350-400 мм. При этом глубина фокуса (перетяжка) составляет 5-15 мм. Однако, используя оптическую систему, дающую на выходе луч с диаметром пятна в точке фокуса 0,4 мм, сварной шов получается очень узким, его ширина не превышает 1-1,5 мм, наблюдается высокое значение отношения глубины проплавления к ширине лазерного сварного шва. Это, в свою очередь, обуславливает интенсивное остывание сварного шва после сварки, и, если для сварки типовых трубных сталей классом прочности до Х80 это благоприятный признак, то для сварки сталей с классами прочности Х100 и Х120 это может привести к образованию трещин в сварном шве, чрезмерно высокой твёрдости и низкой пластичности сварных швов, т.к. высокопрочные стали в отличие от той же стали класса прочности Х80 изначально имеют повышенный уровень твёрдости и низкие пластические характеристики. In laser and laser hybrid welding of large metals, a laser beam is used that is focused in such a way as to obtain a focal spot diameter of 0.4 mm. When working with high-power laser radiation (more than 20 kW), to obtain such a focal spot, the radiation is fed through an optical fiber with a diameter of at least 200 μm and the following optical scheme is used: the focal length of the collimating mirror is 250 mm, and the focal length of the focusing mirror is 350-400 mm . Moreover, the depth of focus (constriction) is 5-15 mm. However, using an optical system that produces a beam with a spot diameter of 0.4 mm at the focal point, the weld is very narrow, its width does not exceed 1-1.5 mm, a high ratio of penetration depth to the width of the laser weld is observed. This, in turn, leads to intensive cooling of the weld after welding, and if for welding typical pipe steels with a strength class up to X80 this is a favorable sign, then for welding steels with strength classes X100 and X120 this can lead to cracking in the weld, excessively high hardness and low ductility of welds, as high-strength steels, unlike the same steel of strength class X80, initially have a high level of hardness and low plastic characteristics.

Для лазерной и лазерно-гибридной сварки толстостенных конструкций мощность лазерного излучения как правило составляет не менее 20 КВт. Для работы с таким лазерным излучением в большинстве случаев используют оптическое волокно с диаметром 200 мкм, т.к. использование более тонкого волокна на таких мощностях приведёт к его выгоранию. Однако и более толстое волокно использовать не целесообразно. Во-первых, это экономически невыгодно, а во-вторых, имея, например, волокно диаметром 250 мкм и более, угол расходимости луча от оптического волокна будет большим, что потребует увеличение фокусного расстояния коллимирующего зеркала. Однако из формулы расчета диаметра фокального пятна видно, что при увеличении фокусного расстояния коллимирующего зеркала уменьшится диаметр фокального пятна.For laser and laser-hybrid welding of thick-walled structures, the laser radiation power as a rule is at least 20 kW. To work with such laser radiation in most cases, an optical fiber with a diameter of 200 μm is used, because the use of thinner fibers at such capacities will lead to its burnout. However, a thicker fiber is not advisable. Firstly, it is economically disadvantageous, and secondly, having, for example, a fiber with a diameter of 250 μm or more, the beam divergence angle from the optical fiber will be large, which will require an increase in the focal length of the collimating mirror. However, the formula for calculating the diameter of the focal spot shows that with an increase in the focal length of the collimating mirror, the diameter of the focal spot decreases.

Для лазерной сварки в оптической системе применяют коллимирующее зеркало, при этом его фокусное расстояние при использовании оптического волокна 200 мкм выбирают, как правило, на уровне не менее 250 мм. Это позволяет получить на выходе лазерный луч с диаметром 0,4 мм в точке фокуса, что считается оптимальным для сварки толстостенных конструкций, т.к. позволяет добиться высокой плотности мощности. Если фокусное расстояние коллимирующего зеркала будет больше 250 мм, то оно будет находится далеко от оптического волокна, и расходящийся от волокна луч может выйти за пределы коллимирующего зеркала. Если фокусное расстояние коллимирующего зеркала будет меньше 250 мм, то диаметр луча в точке фокуса вырастет и составит 0,5 мм и выше, что приведёт к снижению плотности мощности и снижению проплавляющей способности лазера.For laser welding, a collimating mirror is used in the optical system, while its focal length when using an optical fiber of 200 μm is selected, as a rule, at a level of at least 250 mm. This allows you to get a laser beam with a diameter of 0.4 mm at the focal point, which is considered optimal for welding thick-walled structures, because allows to achieve high power density. If the focal length of the collimating mirror is more than 250 mm, then it will be far from the optical fiber, and the beam diverging from the fiber may go beyond the collimating mirror. If the focal length of the collimating mirror is less than 250 mm, then the diameter of the beam at the focal point will increase and will be 0.5 mm and higher, which will lead to a decrease in power density and a decrease in the penetrating ability of the laser.

В оптической системе есть параметр – фокусное расстояние фокусирующей линзы, для которого, как видно из формулы расчета фокального пятна, при уменьшении фокусного расстояния фокусирующей линзы фокальное пятно уменьшается в размере. Однако есть ряд ограничений: при слишком малом фокусном расстоянии фокусирующей линзы – менее 500 мм – существует большой риск загрязнения элементов оптической системы брызгами расплавленного металла от сварки. Т.к. мощность лазерного излучения высока, процесс будет протекать с большим количеством сварочных брызг и искр. Однако и слишком большое фокусное расстояние в оптической системе нецелесообразно. При сварке металлоконструкций в целом и труб в частности есть ограничения в пространственном положении сварочной головки относительно свариваемых деталей, и поднимать головку свыше 1000 мм от зоны сварки нетехнологично. К тому же, при значительном фокусном расстоянии диаметр фокального пятна также будет расти, что приведёт к ещё большей потери плотности мощности и к сложностям при сварке металла большой толщины.In the optical system there is a parameter - the focal length of the focusing lens, for which, as can be seen from the formula for calculating the focal spot, with a decrease in the focal length of the focusing lens, the focal spot decreases in size. However, there are a number of limitations: if the focal length of the focusing lens is too small - less than 500 mm - there is a big risk of contamination of the elements of the optical system by splashes of molten metal from welding. Because the laser radiation power is high, the process will proceed with a lot of welding spatter and sparks. However, too much focal length in the optical system is impractical. When welding metal structures in general and pipes in particular, there are limitations in the spatial position of the welding head relative to the parts to be welded, and raising the head over 1000 mm from the welding zone is not technologically advanced. Moreover, with a significant focal length, the diameter of the focal spot will also increase, which will lead to even greater loss of power density and to difficulties in welding metal of large thickness.

В связи с вышесказанным проблема производства труб большого диаметра из высокопрочных марок стали методом гибридной лазерно-дуговой сварки является актуальной в настоящее время.In connection with the foregoing, the problem of the production of large-diameter pipes from high-strength steel grades by the method of hybrid laser-arc welding is currently relevant.

Известен способ сварки высокопрочных сталей из патента CN 102962591, согласно которому выполняют сварку деталей из высокопрочной стали класса X100 (HQ100), собранных в стык с зазором, с помощью гибридной лазерно-дуговой сварки. A known method of welding high-strength steels from the patent CN 102962591, according to which perform welding of parts from high-strength steel class X100 (HQ100), assembled in joint with a gap, using a hybrid laser-arc welding.

Однако в данном способе лазер предшествует электрической дуге, что приводит к нежелательному увеличению твердости сварного шва. Также данный способ сварки не применим для производства толстотолщинных деталей, например, труб большого диаметра ввиду сложности в реализации зазора заданной величины (0…1 мм) между свариваемыми кромками, что приведёт к проваливанию лазерного луча, т.к. его диаметр в фокусе колеблется от 0,2 до 0,5 мм, и образованию несплавлений.However, in this method, the laser precedes the electric arc, which leads to an undesirable increase in the hardness of the weld. Also, this welding method is not applicable for the production of thick parts, for example, large-diameter pipes, due to the difficulty in realizing a gap of a given size (0 ... 1 mm) between the edges to be welded, which will lead to the failure of the laser beam, because its diameter in focus ranges from 0.2 to 0.5 mm, and the formation of non-fusion.

Известен из патента CN 103406675 способ лазерно-дуговой сварки, используемый для сварки и соединения пластин из высокопрочной стали, согласно которому выполняют сварку деталей толщиной в 45 мм из высокопрочной стали методом лазерно-дуговой сварки. Known from the patent CN 103406675 is a laser-arc welding method used for welding and joining plates of high-strength steel, according to which parts are welded with a thickness of 45 mm from high-strength steel by laser-arc welding.

Однако данный способ не применим для производства труб большого диаметра, т.к. требуется применение специальных зажимов и соблюдение зазора в 1-1,5 мм, что невозможно обеспечить на существующих сборочно-сварочных станах при производстве труб большого диаметра. Наличие зазора, превышающего размер фокального пятна лазера, приведёт к несплавлению при лазерной сварке.However, this method is not applicable for the production of large diameter pipes, because the use of special clamps and a clearance of 1-1.5 mm are required, which cannot be ensured on existing assembly and welding mills in the production of large diameter pipes. The presence of a gap exceeding the size of the focal spot of the laser will lead to non-fusion during laser welding.

Известен из патентной заявки CN 103252589 способ комбинированной лазерной и дуговой сварки для толстых высокопрочных стальных пластин, в котором применяют гибридную лазерно-дуговую сварку с подогревом. Known from patent application CN 103252589 is a method of combined laser and arc welding for thick high-strength steel plates, which use hybrid laser-arc welding with heating.

Однако данный способ не применим для производства труб большого диаметра ввиду коробления кромок из-за нагрева и сварки. Кроме того, в данном способе требуется соблюсти зазор между кромками, что затруднено при производстве труб большого диаметра, а коробление кромок приведет к проваливанию лазерного луча и несплавлению.However, this method is not applicable for the production of large diameter pipes due to warping of the edges due to heating and welding. In addition, in this method, it is required to maintain a gap between the edges, which is difficult in the production of pipes of large diameter, and warpage of the edges will lead to the failure of the laser beam and non-fusion.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ сварки труб большого диаметра лазерной и гибридной лазерно-дуговой сваркой, известный из патента RU 2609609, согласно которому применяют гибридную лазерно-дуговую сварку для производства труб большого диаметра. The closest analogue of the claimed invention is a method of welding large diameter pipes by laser and hybrid laser-arc welding, known from patent RU 2609609, according to which hybrid laser-arc welding is used to produce large diameter pipes.

Недостатками данного способа является малый диаметр фокального пятна лазерного луча равный 0,4 мм и наличие только одной действующей дуги, что приводит к недостаточному тепловложению и, как следствие, быстрому остыванию и росту твердости, что в свою очередь может привести к возможному образованию холодных трещин и снижению ударной вязкости при сварке высокопрочных сталей.The disadvantages of this method is the small diameter of the focal spot of the laser beam equal to 0.4 mm and the presence of only one active arc, which leads to insufficient heat input and, as a result, rapid cooling and increase in hardness, which in turn can lead to the possible formation of cold cracks and decrease in toughness when welding high-strength steels.

Техническая проблема, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в выборе оптимальной оптической системы фокусировки лазерного луча. The technical problem to which the claimed invention is directed is to select the optimal optical system for focusing the laser beam.

Техническим результатом заявляемого изобретения является получение качественного сварного шва методом гибридной лазерно-дуговой сварки толстостенных труб большого диаметра из высокопрочных марок стали с обеспечением высокого уровня ударной вязкости не менее 80 Дж/см² при температуре испытания 40⁰С на U-образном и V-образном концентраторах.The technical result of the claimed invention is to obtain a high-quality weld by hybrid laser-arc welding of thick-walled large-diameter pipes of high-strength steel grades with a high level of impact strength of at least 80 J / cm ² at a test temperature of 40 ⁰ C on a U-shaped and V-shaped concentrators.

Заявляемый технический результат достигается за счёт того, что в способе гибридной лазерно-дуговой сварки толстостенных труб большого диаметра из высокопрочных марок сталей рабочий шов выполняют гибридной лазерно-дуговой сваркой, при которой на кромки воздействуют электрической дугой, после чего воздействуют лазерным лучом, после которого воздействуют электрической дугой, при этом лазерный луч направляют с помощью оптической системы, состоящей из последовательно расположенных: источника лазерного излучения, коллимирующего зеркала с фокусным расстоянием 130-240 мм и фокусирующей линзы с фокусным расстоянием 500-1000 мм.The claimed technical result is achieved due to the fact that in the method of hybrid laser-arc welding of thick-walled large-diameter pipes of high-strength steel grades, the working seam is performed by hybrid laser-arc welding, in which the edges are exposed to an electric arc, after which they are exposed to a laser beam, after which they are exposed an electric arc, while the laser beam is directed using an optical system consisting of sequentially located: a laser radiation source, a collimating mirror with a focal length of 130-240 mm and a focusing lens with a focal length of 500-1000 mm.

Перед рабочим швом могут выполнять сборочный шов, а после рабочего шва – наружный и внутренний облицовочные швы.Before the working seam, an assembly seam can be made, and after the working seam, the outer and inner facing seams.

Разделка кромок может быть выполнена в виде двусторонней симметричной X-образной разделки.Edging of edges can be made in the form of bilateral symmetrical X-shaped cutting.

Источник лазерного излучения может быть выполнен с мощностью 35 кВт.The laser source can be made with a power of 35 kW.

Заявляемый способ поясняется с помощью фиг. 1-8, на которых изображены:The inventive method is illustrated using FIG. 1-8, which depict:

Фиг. 1 – схема оптической системы;FIG. 1 is a diagram of an optical system;

Фиг. 2 – схематическое изображение процесса гибридной лазерно-лучевой сварки по заявляемому способу;FIG. 2 is a schematic illustration of a hybrid laser beam welding process according to the claimed method;

Фиг. 3-4 – вид на свариваемые поверхности по первому примеру;FIG. 3-4 - view of the welded surface according to the first example;

Фиг. 5-6– вид на свариваемые поверхности по второму примеру;FIG. 5-6 - view of the welded surface according to the second example;

Фиг. 7-8 – вид на свариваемые поверхности по третьему примеру.FIG. 7-8 - view of the welded surface according to the third example.

На фиг. 1-8 позициями 1-13 показаны:In FIG. 1-8 positions 1-13 show:

1 – оптическое волокно;1 - optical fiber;

2 – коллимирующее зеркало;2 - collimating mirror;

3 – фокусирующая линза;3 - focusing lens;

4 – фокусное расстояние коллимирующего зеркала;4 - focal length of a collimating mirror;

5 – фокусное расстояние фокусирующей линзы;5 - focal length of the focusing lens;

6 – глубина фокуса (перетяжка);6 - depth of focus (hauling);

7 – лазерный луч;7 - a laser beam;

8 – первая дуговая сварочная горелка;8 - the first arc welding torch;

9 – вторая дуговая сварочная горелка;9 - second arc welding torch;

10 – трубная заготовка;10 - pipe billet;

11 – диаметр фокального пятна;11 - diameter of the focal spot;

12 – толщина стенки трубной заготовки;12 - wall thickness of the pipe billet;

13 – минимальная ширина сварного шва.13 - the minimum width of the weld.

Способ осуществляют следующим образом.The method is as follows.

На стык свариваемой трубной заготовки 10 (фиг. 2) воздействуют электрической дугой, направляя первую дуговую сварочную горелку 8 с присадочной проволокой. Проволока плавится за счёт электродугового процесса и тем самым расплавляет поверхностный металл, вносит легирующие элементы, выполняя функцию предварительного подогрева. Кроме того, благодаря применению электрической дуги перед лазерным лучом 7 удаётся увеличить глубину проплавления, т.к. лазерный луч 7 светит не в твёрдый металл, а в расплавленный металл углубления, образованного электрической дугой. За электрической дугой на расстоянии 3-7 мм следует лазерный луч 7, обеспечивающий сквозное проплавление и перемешивание основного металла и присадочного материала. После чего осуществляют воздействие электрической дугой: за лазерным лучом 7 на расстоянии 10-15 мм следует вторая дуговая сварочная горелка 9, которая снижает скорость охлаждения металла сварного шва.The joint of the welded pipe billet 10 (Fig. 2) is affected by an electric arc, directing the first arc welding torch 8 with filler wire. The wire melts due to the electric arc process and thereby melts the surface metal, introduces alloying elements, performing the function of preheating. In addition, due to the use of an electric arc in front of the laser beam 7, it is possible to increase the penetration depth, since the laser beam 7 does not shine into the solid metal, but into the molten metal of the recess formed by the electric arc. Behind the electric arc at a distance of 3-7 mm is a laser beam 7, providing through penetration and mixing of the base metal and filler material. After that, an electric arc is applied: the laser beam 7 at a distance of 10-15 mm is followed by a second arc welding torch 9, which reduces the cooling rate of the weld metal.

Лазерный луч 7 подают по оптическому волокну 1 диаметром 200 мкм в оптическую систему фокусировки (фиг. 1), состоящую из коллимирующего зеркала 2 и фокусирующей линзы 3. При этом фокусное расстояние 4 коллимирующего зеркала 2 снижено до 130-240 мм, а фокусное расстояние 5 фокусирующей линзы 3 увеличено до 500-600 мм. Такая система фокусировки позволяет получать на выходе лазерный луч 7 с диаметром фокального пятна порядка 800 мкм (0,8 мм) и глубиной фокуса – перетяжкой около 30 мм. Способ можно использовать и при большем фокусном расстоянии 5 фокусирующей линзы 3 – до 600-1000 мм. В этом случае диаметр фокального пятна будет 0,9-1,0 мм. В свою очередь длинная перетяжка от 20 мм и выше также является отличительной чертой способа. Она позволяет разместить практически на всей толщине металла максимальную плотность мощности лазерного луча, что позволяет скомпенсировать потери в плотности мощности из-за использования увеличенного фокального пятна. The laser beam 7 is fed through an optical fiber 1 with a diameter of 200 μm into the optical focusing system (Fig. 1), consisting of a collimating mirror 2 and a focusing lens 3. In this case, the focal length 4 of the collimating mirror 2 is reduced to 130-240 mm, and the focal length 5 focusing lens 3 increased to 500-600 mm. Such a focusing system makes it possible to obtain at the output a laser beam 7 with a focal spot diameter of about 800 μm (0.8 mm) and a focus depth of about 30 mm by constriction. The method can be used with a larger focal length 5 of the focusing lens 3 - up to 600-1000 mm In this case, the diameter of the focal spot will be 0.9-1.0 mm. In turn, a long haul from 20 mm and above is also a hallmark of the method. It allows you to place the maximum power density of the laser beam on almost the entire thickness of the metal, which allows you to compensate for the loss in power density due to the use of an increased focal spot.

Диаметр фокального пятна на свариваемой поверхности можно также увеличить расфокусировкой лазерного луча путём поднятия (положительный расфокус), либо опусканием оптической головки (отрицательный расфокус). Однако в этом случае минимальный диаметр лазерного луча все равно сохранится в перетяжке, которая будет либо частично, либо полностью располагаться в толщине свариваемого материала, поэтому в любом случае узкое фокальное пятно, даже если его расфокусировать, будет формировать сварной шов очень малой ширины. Расфокусировка луча не поможет решить техническую проблему, указанную в заявляемом способе. Сварной шов по всей высоте можно расширить, только расширив диаметр фокального пятна в зоне перетяжки. The diameter of the focal spot on the surface to be welded can also be increased by defocusing the laser beam by raising it (positive defocus) or by lowering the optical head (negative defocus). However, in this case, the minimum diameter of the laser beam will still remain in the constriction, which will either be partially or completely located in the thickness of the material being welded, so in any case, a narrow focal spot, even if it is defocused, will form a weld of very small width. Defocusing the beam will not help solve the technical problem indicated in the claimed method. The weld along the entire height can be expanded only by expanding the diameter of the focal spot in the waist zone.

На первой дуговой горелке 8, расположенной перед лазерным лучом 7, в качестве присадки используют сварочную проволоку с повышенным содержанием легирующих элементов, обеспечивающих высокие показатели ударной вязкости, таких как Ni, Mn, Si и др.On the first arc torch 8, located in front of the laser beam 7, a welding wire with a high content of alloying elements, providing high impact toughness such as Ni, Mn, Si, etc., is used as an additive.

Примеры.Examples.

Для оценки работы способа проводили эксперименты на лазерном источнике мощностью 35 КВт с диаметром оптического волокна 200 мкм. Сваривались встык без зазора пластины класса прочности Х100 толщиной 20 мм без разделки кромок. В работе использовались несколько вариантов исполнения оптических систем фокусировки лазерного луча.To evaluate the operation of the method, experiments were conducted on a 35 kW laser source with an optical fiber diameter of 200 μm. Butt-welded without gap plates of strength class X100 with a thickness of 20 mm without cutting edges. In the work, several versions of optical systems for focusing a laser beam were used.

Первая система – короткофокусная оптическая система, в которой фокусное расстояние 4 коллимирующего зеркала 2 составляло 150 мм, фокусное расстояние 5 фокусирующего зеркала 3 – 350 мм, диаметр 11 фокального пятна – 0,4 мм, перетяжка 6 – 10 мм. The first system is a short-focus optical system in which the focal length 4 of the collimating mirror 2 was 150 mm, the focal length 5 of the focusing mirror 3 was 350 mm, the diameter of the 11 focal spot was 0.4 mm, and the constriction was 6-10 mm.

Вторая система – длиннофокусная оптическая система, в которой фокусное расстояние 4 коллимирующего зеркала 2 составляло 250 мм, фокусное расстояние 5 фокусирующего зеркала 3 – 600 мм, диаметр 11 фокального пятна – 0,5 мм, перетяжка 6 – 11 мм. The second system is a telephoto optical system in which the focal length 4 of the collimating mirror 2 was 250 mm, the focal length 5 of the focusing mirror 3 was 600 mm, the diameter of the focal spot 11 was 0.5 mm, and the waist 6 was 11 mm.

Третья система – длиннофокусная оптическая система, в которой фокусное расстояние 4 коллимирующего зеркала 2 составляло 150 мм, фокусное расстояние 5 фокусирующего зеркала 3 – 600 мм, диаметр 11 фокального пятна – 0,8 мм, перетяжка 6 – 30 мм.The third system is a telephoto optical system in which the focal length 4 of the collimating mirror 2 was 150 mm, the focal length 5 of the focusing mirror 3 was 600 mm, the diameter of the 11 focal spot was 0.8 mm, and the constriction was 6 - 30 mm.

Четвертая система – короткофокусная оптическая система, в которой фокусное расстояние 4 коллимирующего зеркала 2 составляло 120 мм, фокусное расстояние 5 фокусирующего зеркала 3 – 400 мм, диаметр 11 фокального пятна – 0,6 мм, перетяжка 6 – 21 мм.The fourth system is a short-focus optical system in which the focal length 4 of the collimating mirror 2 was 120 mm, the focal length 5 of the focusing mirror 3 was 400 mm, the diameter of the 11 focal spot was 0.6 mm, and the waist 6 was 21 mm.

Пятая система – длиннофокусная оптическая система, в которой фокусное расстояние 4 коллимирующего зеркала 2 составляло 120 мм, фокусное расстояние 5 фокусирующего зеркала 3 – 1100 мм, диаметр 11 фокального пятна – 1,8 мм, перетяжка 6 – 160 мм.The fifth system is a telephoto optical system in which the focal length 4 of the collimating mirror 2 was 120 mm, the focal length 5 of the focusing mirror 3 was 1100 mm, the diameter of the 11 focal spot was 1.8 mm, and the waist 6 was 160 mm.

Шестая система – короткофокусная оптическая система, в которой фокусное расстояние 4 коллимирующего зеркала 2 составляло 250 мм, фокусное расстояние 5 фокусирующего зеркала 3 – 400 мм, диаметр 11 фокального пятна – 0,3 мм, перетяжка 6 – 4,8 мм.The sixth system is a short-focus optical system in which the focal length 4 of the collimating mirror 2 was 250 mm, the focal length 5 of the focusing mirror 3 was 400 mm, the diameter of the 11 focal spot was 0.3 mm, and the constriction 6 was 4.8 mm.

Седьмая система – длиннофокусная оптическая система, в которой фокусное расстояние 4 коллимирующего зеркала 2 составляло 250 мм, фокусное расстояние 5 фокусирующего зеркала 3 – 1100 мм, диаметр 11 фокального пятна – 0,9 мм, перетяжка 6 – 37 мм.The seventh system is a telephoto optical system in which the focal length 4 of the collimating mirror 2 was 250 mm, the focal length 5 of the focusing mirror 3 was 1100 mm, the diameter of the 11 focal spot was 0.9 mm, and the waist 6 was 37 mm.

По итогам экспериментов установлено, что при использовании первой системы (фиг. 3-4) наблюдалась максимальная глубина проплавления. При этом перетяжка 6 была незначительна по длине, но плотности мощности было достаточно для проплавления всей толщины металла. Сварной шов имел выраженную форму «рюмки»: наблюдались значительное расширение шва в верхней части и чуть меньшее – в нижней части, а в середине толщины 13 стенки сварной шов имел вид узкой полоски шириной 1-1,2 мм. Данная схема является типовой схемой фокусировки, которая применяется при лазерной и лазерно-гибридной сварке металла большой толщины. Такую форму шва нельзя назвать удачной при сварке металла высокого класса прочности, т.к. узкий шов остывает максимально быстро, твёрдость сварного шва вследствие этого становится очень высокой, и происходит снижение вязкопластических характеристик. При фокусном расстоянии 350 мм защитное стекло загрязняется от брызг сварки. Сварочная головка при такой схеме находится очень близко к свариваемой поверхности, и до неё долетают брызги металла несмотря на подачу сжатого воздуха, который должен удалять сварочные аэрозоли и брызги. According to the results of experiments, it was found that when using the first system (Fig. 3-4), the maximum penetration depth was observed. In this case, the constriction 6 was insignificant in length, but the power density was sufficient to penetrate the entire thickness of the metal. The weld had a pronounced “shot glass” shape: there was a significant expansion of the seam in the upper part and a slightly smaller one in the lower part, and in the middle of the wall thickness 13 the weld had the form of a narrow strip 1-1.2 mm wide. This scheme is a typical focusing scheme, which is used in laser and laser-hybrid welding of thick metal. This weld shape cannot be called successful when welding high-strength metal, because the narrow seam cools down as quickly as possible, the hardness of the weld therefore becomes very high, and there is a decrease in viscoplastic characteristics. At a focal length of 350 mm, the protective glass becomes dirty from welding spatter. The welding head in this scheme is very close to the surface being welded, and metal sprays reach it despite the supply of compressed air, which should remove welding sprays and sprays.

При использовании второй системы (фиг. 5-6) фокусное расстояние составляло 600 мм, достаточное для защиты оптической головки от брызг металла при сварке. Глубина проплавления при такой схеме фокусировки незначительно снижалась, а шов имел форму «рюмки»: сверху шов заметно расширялся, переходил в форму узкой полоски и в нижней части снова незначительно расширялся. В середине толщины стенки трубной заготовки ширина 13 сварного шва не превышает 1,5 мм. Такая геометрия сварного шва способствует повышению твёрдости и снижению пластических свойств, если речь идет о сварке высокопрочных сталей. Так при определении твердости по методу HV, было установлено, что в верхней расширенной части шва твердость составляла 270-280 HV/10, в центре лазерно-гибридного шва в самой узкой части твердость выросла до 320 HV/10 и в корне шва твердость составляла 300-315 HV/10. Полученные значения твердости свидетельствуют о том, что чем уже сварной шов, тем выше в нем показатели твердости, а пластические характеристики наоборот снижены. Таким образом узкий лазерный луч в зоне перетяжки, полученный при такой схеме фокусировки, обуславливает заметное сужение сварного шва в центральной части и провоцирует образование закалочных структур, имеющих высокую твердость и низкую пластичность. Эта особенность была подтверждена испытаниями на ударный изгиб при пониженной температуре. Ударная вязкость сварного шва, выполненного по данному варианту, составила в среднем 60-70 Дж/см² при испытании KCV -40^°C. When using the second system (Fig. 5-6), the focal length was 600 mm, sufficient to protect the optical head from metal spatter during welding. The penetration depth with this focusing scheme decreased slightly, and the seam had the shape of a “glass”: on top the seam expanded noticeably, passed into the shape of a narrow strip and in the lower part again slightly expanded. In the middle of the wall thickness of the tube billet, the width 13 of the weld does not exceed 1.5 mm. This geometry of the weld helps to increase hardness and reduce plastic properties when it comes to welding high-strength steels. Thus, when determining the hardness by the HV method, it was found that in the upper expanded part of the seam, the hardness was 270-280 HV / 10, in the center of the laser-hybrid seam in the narrowest part, the hardness increased to 320 HV / 10 and the hardness at the root of the seam was 300 -315 HV / 10. The obtained values of hardness indicate that the narrower the weld, the higher the hardness indicators in it, and the plastic characteristics, on the contrary, are reduced. Thus, the narrow laser beam in the waist zone obtained with such a focusing scheme causes a noticeable narrowing of the weld in the central part and provokes the formation of quenching structures having high hardness and low ductility. This feature has been confirmed by impact bending tests at low temperatures. The impact strength of the weld, made according to this option, averaged 60-70 J / cm ² when testing KCV -40 ^° C.

При использовании третьей системы (фиг. 7-8) наблюдалось максимальное отличие от стандартного метода фокусировки лазерного луча в форме лазерного луча и в геометрических параметрах сварного шва. Использование коллимирующего зеркала с фокусным расстоянием 150 мм в связке с фокусирующей линзой, у которой фокусное расстояние – 600 мм, обеспечивало диаметр 11 фокального пятна 0,8 мм, перетяжка при этом фактически была равна толщине свариваемых пластин и составляла 30 мм. При данном способе сварке наблюдалось снижение глубины проплавления металла на несколько миллиметров, что вызвано широким фокальным пятном и снижением в нём плотности мощности лазерного излучения. Однако эти потери в глубине проплавления можно компенсировать за счёт использования более мощного лазерного источника — 35 КВт и выше. Сварной шов при данной схеме фокусировки вытягивался и расширялся. Форма «рюмки» не наблюдалась, а сам сварной шов имел ширину 13 в самой узкой зоне 2 мм. Твёрдость сварного шва заметно ниже, чем при первом и втором вариантах сварки из-за того, что широкий фронт сварного шва медленнее отводит тепло в толщу металла, скорость охлаждения снижается. Также при данной схеме сварки были получены самые высокие значения ударной вязкости. Проведенные испытания показали, что твердость сварного шва во всех его зонах варьировалась от 260 до 280 HV/10, а уровень ударной вязкости составил 150 Дж/см² (при испытании KCV -40^°C). When using the third system (Fig. 7-8), the maximum difference was observed from the standard method of focusing a laser beam in the form of a laser beam and in the geometric parameters of the weld. The use of a collimating mirror with a focal length of 150 mm in conjunction with a focusing lens, with a focal length of 600 mm, provided a diameter of 11 focal spots of 0.8 mm, while the constriction was actually equal to the thickness of the plates being welded and was 30 mm. With this welding method, a decrease in the depth of penetration of the metal by several millimeters was observed, which is caused by a wide focal spot and a decrease in the laser power density in it. However, these losses in the depth of penetration can be compensated for by using a more powerful laser source - 35 kW and above. The weld seam with this focusing scheme extended and expanded. The shape of the shot glass was not observed, and the weld itself had a width of 13 in the narrowest zone of 2 mm. The weld hardness is noticeably lower than in the first and second welding options due to the fact that a wide front of the weld more slowly removes heat into the metal, and the cooling rate decreases. Also, with this welding scheme, the highest values of impact strength were obtained. The tests showed that the hardness of the weld in all its zones ranged from 260 to 280 HV / 10, and the level of impact strength was 150 J / cm ² (when testing KCV -40 ^° C).

При использовании четвертой, пятой и шестой систем заявленный технический результат достичь не удалось по следующим причинам.When using the fourth, fifth and sixth systems, the claimed technical result was not achieved for the following reasons.

При использовании четвёртой и шестой систем фокальное пятно слишком мало, поэтому сварной получался узким, вследствие чего наблюдались высокие показатели твёрдости и снижение пластических свойств. Также ввиду небольшого фокусного расстояния наблюдалось постоянное загрязнение защитного стекла от сварочных брызг и требовалась его замена.When using the fourth and sixth systems, the focal spot is too small, so the welded one was narrow, as a result of which high hardness indices and a decrease in plastic properties were observed. Also, due to the small focal length, constant contamination of the protective glass from welding spatter was observed and its replacement was required.

При использовании пятой системы фокальное пятно имело слишком большой диаметр, что не позволяло достичь требуемой величины проплавления даже при увеличении мощности до 35 КВт. Также большое фокусное расстояние вызывало трудности с позиционированием сварочной головки ввиду его очень большого расстояния от свариваемой поверхности.When using the fifth system, the focal spot had too large a diameter, which did not allow achieving the required penetration even with an increase in power up to 35 kW. Also, a large focal length caused difficulties with the positioning of the welding head due to its very large distance from the surface being welded.

При использовании седьмой системы заявленный технический результат достигался, однако очень большое фокусное расстояние вызывало большие трудности в позиционировании сварочной головки относительно свариваемой поверхности. Данное ограничение особенно в условиях серийного производства труб на действующих трубосварочных станах вызовет серьезные технические ограничения в способе, снизит его технологичность и гибкость процесса сварки. When using the seventh system, the claimed technical result was achieved, however, a very large focal length caused great difficulties in positioning the welding head relative to the surface being welded. This restriction, especially in conditions of serial production of pipes on existing pipe-welding mills, will cause serious technical limitations in the method, reduce its manufacturability and flexibility of the welding process.

Claims

1. A method of hybrid laser-arc welding of thick-walled large-diameter pipes of high strength steel, including the implementation of the working seam, characterized in that the working seam is performed by hybrid laser-arc welding, in which the edges are affected by an electric arc, then by a laser beam, and then - an electric arc, wherein the laser beam is guided using an optical system consisting of a sequentially located laser radiation source, a collimating mirror with a focal length of 130-240 mm and a focusing lenses with a focal length of 500-1000 mm.

2. The method according to p. 1, characterized in that in front of the working seam perform an assembly seam.

3. The method according to p. 1, characterized in that after the working seam, the outer and inner facing seams are made.

4. The method according to p. 1, characterized in that the cutting of the edges is performed in the form of a bilateral symmetrical X-shaped cutting.

5. The method according to p. 1, characterized in that they use a source of laser radiation with a power of 35 kW.