WO2021230768A1 - Control of thermal cycle of butt joint laser welding - Google Patents

Control of thermal cycle of butt joint laser welding Download PDF

Info

Publication number
WO2021230768A1
WO2021230768A1 PCT/RU2021/050092 RU2021050092W WO2021230768A1 WO 2021230768 A1 WO2021230768 A1 WO 2021230768A1 RU 2021050092 W RU2021050092 W RU 2021050092W WO 2021230768 A1 WO2021230768 A1 WO 2021230768A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
welding
laser welding
laser
pass
laser beam
Prior art date
Application number
PCT/RU2021/050092
Other languages
French (fr)
Russian (ru)
Inventor
Ольга Павловна МОРОЗОВА
Original Assignee
Ольга Павловна МОРОЗОВА
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ольга Павловна МОРОЗОВА filed Critical Ольга Павловна МОРОЗОВА
Publication of WO2021230768A1 publication Critical patent/WO2021230768A1/en

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K33/00—Specially-profiled edge portions of workpieces for making soldering or welding connections; Filling the seams formed thereby

Definitions

  • the invention relates to the field of welding and, in particular, the control of the welding thermal cycle in multi-pass laser welding of non-rotatable butt ring joints in a narrow gap groove with a surfacing wire.
  • various points of the welded joint have welding thermal cycles that differ in the values of the maximum heating temperature, residence time in the high temperature region, heating and cooling rates.
  • Multi-pass arc welding is the most common method of manufacturing structures for the oil and gas industry, including pipes, fittings for non-rotatable butt ring joints of pipes and assembly joints made of high-strength steels.
  • the transformation of austenite the formation of the structure and properties of various zones of the welded joint occurs under conditions of high-cycle heating and cooling [Efimenko LA, Kapustin OE, Merkulova AO, Vyshemirsky D.Ye.
  • the metal of the root weld and each of the filling seams during multi-pass welding undergoes repeated heating and cooling during subsequent seams, which affects the change in the properties of hardening structures formed in the metal of welded joints.
  • Uneven distribution of energy over the cross section of the electric arc reduces the accuracy of control of the welding thermal cycle and the process of thermal cycling of the welded joint when filling the joints.
  • Laser welding in comparison with arc welding, has a number of significant technological advantages [Grigoryants, A.G. Technological processes of laser processing: textbook / A.G. Grigoryants, I.N. Shiganov, A.I. Misyurov; edited by A.G. Grigoryants. - M .: MGTU im. Bauman, 2006. - 664 p.].
  • High stability of the laser radiation power, accurate dosage of energy, high value of the concentration factor of the laser welding power source, the ability to oscillate the laser beam at a high frequency and speed (an order of magnitude or more higher than the frequency and speed of the electric arc oscillation) opens up great potential for more precise control of the welding thermal cycle and the process of thermal cycling of the welded joint in comparison with arc welding.
  • the metal of the seam being formed perceives the laser energy source as uniform with high-frequency oscillation of the laser beam [Sitnikov I.V. Application of electron beam oscillation in electron beam welding // Master's journal. –2015. –No1. P.87-92].
  • the geometry of the shape of the laser beam oscillation has a significant effect on the control of the distribution of energy input in order to obtain uniform penetration of the weld bead and the formation of an energy distribution over the cross section of the laser beam, excluding overheating in the center of the weld.
  • the edges of the connecting pipe ends for welding are prepared with the ratio of the total groove width to the thickness of the welded elements from 1.2 to 2.0, which corresponds to a wide slot groove characteristic of all types of electric arc welding and corresponding to the concentration coefficient of electric arc welding sources energy.
  • a wide gap groove is characterized by higher values of heat input into the welded joint in comparison with a narrow gap groove.
  • the welding thermal cycle and thermal cycling determine the mechanical properties of the welded joint and largely depend on the magnitude and accuracy of heat input into the metal (heat input).
  • High heat input reduces the strength characteristics of welded joints.
  • the main criterion for obtaining a high-quality welded joint from high-strength steels in multi-pass welding is minimizing the heat input into the welded joint and optimizing the parameters of the thermal welding cycle.
  • a method for controlling the thermal cycle of multi-pass laser welding of butt ring joints including feeding a welding wire and exposing it to continuous laser radiation, characterized in that multi-pass laser welding is performed in a narrow gap groove.
  • the problem to be solved by the invention is to obtain a welded joint of equal strength with the base metal.
  • the technical result that can be obtained with the implementation of the present invention consists in more accurate regulation of welding thermal cycles to obtain a favorable structural state of the weld and the heat-affected zone of the welded joint, reduce the number of hardening structures and obtain values of hardness and toughness corresponding to the requirements of regulatory documents PJSC Gazprom.
  • a method for controlling the thermal cycle of multi-pass laser welding of butt ring joints including feeding a welding wire and exposing it to continuous laser radiation, characterized in that multi-pass laser welding is performed in a narrow gap groove.
  • Multi-pass laser welding is performed in the mode of deep penetration of blunt edges with single-roll filling of the welded edges in the mode of thermal conductivity, which minimizes thermal investment in the welded joint.
  • Welding is carried out with oscillation of the laser beam with a frequency within the limits determined by the inequality
  • Multi-pass laser welding of filling, facing and annealing seams is performed with heat input ranging from before
  • Multi-pass laser welding is performed with the geometry of the laser beam scanning shape corresponding to the "infinity" sign.
  • Multi-pass laser welding is performed simultaneously with two welding heads along the entire perimeter of the girth seam.
  • the thermal cycle of repeated heating and cooling of the HAZ metal during welding is presented, obtained when performing: 1 - root weld; 2 - the first filling passage; 3 - the second filling passage; 4 - the third filling passage, made in a) lower spatial position, b) vertical spatial position, c) ceiling spatial position.
  • the solution to the problem in this method of multi-pass laser welding of pipe steels includes preliminary uniform heating of the welded edges to a temperature of at least 100-130 degrees Celsius, a width of at least 75 mm in each direction from the welded edges, laser welding of blunt edges in deep penetration mode, single-roll formation of filling seams, facing and annealing seams in the thermal conductivity mode with oscillation of the laser beam to form a uniform heat input in order to more accurately control the laser welding thermal cycle along the entire pipe perimeter with control of technological parameters that determine the thermal cycle of welding - heat input, while heat input , which determines the heat input into the welded assembly at each welding pass (root weld, filling seams, facing and annealing seams) is in the range from 0.45 kJ / mm to 0.84 kJ / mm, that is, much lower compared to electric arc welding ( RU patent 2563793 C1).
  • Standard values of hardness and impact toughness of the welded joint correspond to the optimal heat input of heat input in the range from 0.45 kJ / mm to 0.84 kJ / mm. It should be noted that the minimum and maximum values of the heat input limits depend on the thermophysical characteristics of the steels being welded, welding wire and a number of other factors.
  • Narrow-gap groove of butt-welded edges significantly reduces heat input into the welded joint and allows, in combination with oscillation of the laser beam, to more accurately control the welding thermal cycle in multi-pass laser butt welding of steels
  • the root weld and HAZ are subjected to repeated thermal cycling under the thermal effect of each subsequent filling and facing roller a B C). Thermal cycling helps to reduce hardening structures in the weld and near-weld portion of the HAZ.
  • Oscillation of the laser beam in a certain frequency range makes it possible to form a uniform thermal input during the formation of a weld and, accordingly, to more accurately control the cooling rate of the welded joint metal in the heat-affected zone in the temperature range of diffusive decomposition of austenite to speeds below critical and the formation of a predominantly bainite structure in the heat-affected zone of the heat-affected zone with a minimum content of the martensite phase, providing a given set of mechanical properties of the welded joint.
  • the claimed invention meets the criterion of industrial applicability, since it can be manufactured using known technical means.
  • Patent 2015 - RU 2563793 Patent 2015 - RU 2563793.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)
  • Welding Or Cutting Using Electron Beams (AREA)
  • Butt Welding And Welding Of Specific Article (AREA)

Abstract

The invention relates to the field of welding and, more specifically, to control of a thermal welding cycle during multilayer laser welding of fixed annular butt joints in a narrow-gap preparation with a surfacing wire. A method for control of a thermal cycle of multiple-pass laser welding of annular butt joints, comprising feeding in a filler wire and subjecting the latter to continuous laser radiation, is characterized in that the multilayer laser welding is carried out in a narrow-gap preparation. The technical result which can be produced when carrying out the present invention consists in more accurately controlling thermal welding cycles for producing an advantageous structural state of a joint and of a heat-affected near-weld area of a weld joint, for reducing the quantity of solidification structures and for achieving the desired values of hardness and impact toughness.

Description

[Установлен ISA в соответствии с правилом 37.2]УПРАВЛЕНИЕ ТЕРМИЧЕСКИМ ЦИКЛОМ ЛАЗЕРНОЙ СВАРКИ СТЫКОВЫХ СОЕДИНЕНИЙ[Installed by ISA according to rule 37.2] LASER BUTT WELDING THERMAL CYCLE CONTROL
Изобретение относится к области сварки и, в частности, управления сварочным термическим циклом при многопроходной лазерной сварке неповоротных стыковых кольцевых соединений в узкощелевую разделку с наплавочной проволокой.The invention relates to the field of welding and, in particular, the control of the welding thermal cycle in multi-pass laser welding of non-rotatable butt ring joints in a narrow gap groove with a surfacing wire.
В условиях сварки плавлением различные точки сварного соединения имеют сварочные термические циклы, отличающиеся по значениям максимальной температуры нагрева, времени пребывания в области высоких температур, скорости нагрева и охлаждения.In fusion welding conditions, various points of the welded joint have welding thermal cycles that differ in the values of the maximum heating temperature, residence time in the high temperature region, heating and cooling rates.
Следствием различного термического воздействия является получение слоев металла сварного соединения значительно отличающихся друг от друга по фазовому составу, структурному состоянию и, следовательно, по механическим свойствам [Ефименко Л.А., Рамусь А.А., Меркулова А.О. Особенности распада аустенита в зоне термического влияния при сварке высокопрочных сталей. Физика металлов и металловедение. 2015. Т. 116, № 5. С. 520–529.] The consequence of different thermal effects is the production of layers of welded joint metal significantly different from each other in phase composition, structural state and, consequently, in mechanical properties [Efimenko LA, Ramus AA, Merkulova AO. Features of the decomposition of austenite in the heat-affected zone when welding high-strength steels. Physics of metals and metal science. 2015. T. 116, No. 5. S. 520-529.]
Дуговая многопроходная сварка является наиболее распространенным способом изготовления конструкций нефтегазового комплекса, в том числе труб, соединительных деталей неповоротных стыковых кольцевых соединений труб и монтажных стыков из высокопрочных сталей. В ходе многопроходной дуговой сварки превращение аустенита, формирование структуры и свойств различных зон сварного соединения происходит в условиях многоциклового нагрева и охлаждения [Ефименко Л.А., Капустин О.Е., Меркулова А.О., Вышемирский Д.Е. Особенности процессов распада аустенита высокопрочных сталей при многопроходной сварке // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 10. С. 104–109]. Известно, что многопроходная дуговая сварка позволяет регулировать сварочные термические циклы для получения более благоприятного структурного состояния околошовного участка (ОШУ) зоны термического влияния (ЗТВ) сварного соединения [Ефименко Л.А., Капустин О.Е., Меркулова А.О., Вышемирский Д.Е. Особенности процессов распада аустенита высокопрочных сталей при многопроходной сварке // Территория «НЕФТЕГАЗ». 2015. № 10. С. 104–109].Multi-pass arc welding is the most common method of manufacturing structures for the oil and gas industry, including pipes, fittings for non-rotatable butt ring joints of pipes and assembly joints made of high-strength steels. In the course of multi-pass arc welding, the transformation of austenite, the formation of the structure and properties of various zones of the welded joint occurs under conditions of high-cycle heating and cooling [Efimenko LA, Kapustin OE, Merkulova AO, Vyshemirsky D.Ye. Features of the processes of austenite decomposition of high-strength steels during multi-pass welding. Territory "NEFTEGAZ". 2015. No. 10. P. 104–109]. It is known that multipass arc welding allows you to regulate welding thermal cycles to obtain a more favorable structural state of the heat-affected zone (HAZ) of the heat-affected zone (HAZ) of the welded joint [Efimenko L.A., Kapustin O.E., Merkulova A.O., Vyshemirsky D.E. Features of the processes of austenite decomposition of high-strength steels during multi-pass welding. Territory "NEFTEGAZ". 2015. No. 10. P. 104–109].
При многопроходной сварке металл корневого шва и каждого из заполняющих швов при многопроходной сварке претерпевает воздействие многократного нагрева и охлаждения при выполнении последующих швов, что сказывается на изменении свойств закалочных структур, формирующихся в металле сварных соединений.In multi-pass welding, the metal of the root weld and each of the filling seams during multi-pass welding undergoes repeated heating and cooling during subsequent seams, which affects the change in the properties of hardening structures formed in the metal of welded joints.
Необходимо отметить, что при дуговой сварке распределение энергии по сечению электрической дуги подчиняется закону нормального распределения, поэтому вклад энергии по сечению шва при формировании сварного соединения будет неравномерным [Коновалов А. В., Неровный В. М., Куркин А. С., Теория сварочных процессов: учебник для ВУЗов,под ред. В. М. Неровного- Москва : Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. - 748.]It should be noted that in arc welding, the distribution of energy over the cross section of the electric arc obeys the law of normal distribution, therefore, the contribution of energy over the cross section of the seam during the formation of the welded joint will be uneven [Konovalov A. V., Nerovny V. M., Kurkin A. S., Theory welding processes: textbook for universities, ed. V. M. Nerovny - Moscow: Publishing house of MSTU im. N. E. Bauman, 2007. - 748.]
Неравномерное распределение энергии по сечению электрической дуги снижает точность управления сварочным термическим циклом и процессом термоциклирования сварного соединения при наложении заполняющих швов.Uneven distribution of energy over the cross section of the electric arc reduces the accuracy of control of the welding thermal cycle and the process of thermal cycling of the welded joint when filling the joints.
Лазерная сварка, по сравнению с дуговой сваркой, имеет ряд значительных технологических преимуществ [Григорьянц, А.Г. Технологические процессы лазерной обработки: учебное пособие / А.Г. Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров; под редакцией А.Г. Григорьянца. — М.: МГТУ им. Баумана, 2006. — 664 с.].Laser welding, in comparison with arc welding, has a number of significant technological advantages [Grigoryants, A.G. Technological processes of laser processing: textbook / A.G. Grigoryants, I.N. Shiganov, A.I. Misyurov; edited by A.G. Grigoryants. - M .: MGTU im. Bauman, 2006. - 664 p.].
Высокая стабильность мощности лазерного излучения, точная дозировка энергии, высокое значение коэффициента сосредоточенности лазерного сварочного источника энергии, возможность проводить осцилляцию луча лазера с высокой частотой и скоростью (на порядок и более превышающей частоту и скорость осцилляции электрической дуги) открывает большие потенциальные возможности более точного управления сварочным термическим циклом и процессом термоциклирования сварного соединения по сравнению с дуговой сваркой.High stability of the laser radiation power, accurate dosage of energy, high value of the concentration factor of the laser welding power source, the ability to oscillate the laser beam at a high frequency and speed (an order of magnitude or more higher than the frequency and speed of the electric arc oscillation) opens up great potential for more precise control of the welding thermal cycle and the process of thermal cycling of the welded joint in comparison with arc welding.
Металл формируемого шва воспринимает лазерный источник энергии как равномерный при высокочастотной осцилляции луча лазера [Ситников И.В. Применение осцилляции электронного пучка при электронно-лучевой сварке // Master's journal. –2015. –№1. С.87-92]. The metal of the seam being formed perceives the laser energy source as uniform with high-frequency oscillation of the laser beam [Sitnikov I.V. Application of electron beam oscillation in electron beam welding // Master's journal. –2015. –№1. P.87-92].
Геометрия формы осцилляции луча лазера оказывает значительное влияние на управление распределением энерговклада с целью получения равномерного проплавления наплавляемого валика и формирования распределения энергии по сечению лазерного пучка, исключающего перегрев в центре сварного шва. The geometry of the shape of the laser beam oscillation has a significant effect on the control of the distribution of energy input in order to obtain uniform penetration of the weld bead and the formation of an energy distribution over the cross section of the laser beam, excluding overheating in the center of the weld.
Известен способ дуговой сварки плавящимся электродом трубопроводов из высокопрочных труб с контролируемым тепловложением RU 2563793 С1. Согласно этому способу кромки соединяющих торцов труб под сварку подготавливают с соотношением суммарной ширины разделки кромок к толщине свариваемых элементов от 1,2 до 2,0, что соответствует широкой щелевой разделке кромок, характерной для всех видов электродуговой сварки и, соответствующей коэффициенту сосредоточенности электродуговых сварочных источников энергии.The known method of consumable electrode arc welding of pipelines from high-strength pipes with controlled heat input RU 2563793 C1. According to this method, the edges of the connecting pipe ends for welding are prepared with the ratio of the total groove width to the thickness of the welded elements from 1.2 to 2.0, which corresponds to a wide slot groove characteristic of all types of electric arc welding and corresponding to the concentration coefficient of electric arc welding sources energy.
Широкая щелевая разделка кромок характеризуется более высокими значениями тепловложений в сварное соединение по сравнению с узкощелевой разделкой.A wide gap groove is characterized by higher values of heat input into the welded joint in comparison with a narrow gap groove.
При многопроходной сварке высокопрочных сталей сварочный термический цикл и термоциклирование определяют механические свойства сварного соединения и в значительной степени зависят от величины и точности тепловложения в металл (погонной энергии). Высокое тепловложение снижает прочностные характеристики сварных соединений. Чтобы обеспечить нормативные значения механических свойств сварного соединения необходимо ограничить величину максимального тепловложения и исключить образование закалочных мартенситных структур.In multi-pass welding of high-strength steels, the welding thermal cycle and thermal cycling determine the mechanical properties of the welded joint and largely depend on the magnitude and accuracy of heat input into the metal (heat input). High heat input reduces the strength characteristics of welded joints. To ensure the standard values of the mechanical properties of the welded joint, it is necessary to limit the value of the maximum heat input and to exclude the formation of hardening martensitic structures.
Поэтому главным критерием, определяющим получение качественного сварного соединения из высокопрочных сталей при многопроходной сварке, является минимизация тепловложения в сварное соединение и оптимизация параметров термического цикла сварки. Therefore, the main criterion for obtaining a high-quality welded joint from high-strength steels in multi-pass welding is minimizing the heat input into the welded joint and optimizing the parameters of the thermal welding cycle.
Способ управления термическим циклом многопроходной лазерной сварки стыковых кольцевых соединений, включающий подачу сварочной проволоки и воздействие на неё непрерывным лазерным излучением, отличающееся тем, что многопроходная лазерная сварка выполняется в узкощелевую разделку.A method for controlling the thermal cycle of multi-pass laser welding of butt ring joints, including feeding a welding wire and exposing it to continuous laser radiation, characterized in that multi-pass laser welding is performed in a narrow gap groove.
Задача, на решение которой направлено изобретение, заключается в получение сварного соединения равнопрочного с основным металлом.The problem to be solved by the invention is to obtain a welded joint of equal strength with the base metal.
Технический результат, который может быть получен при осуществлении настоящего изобретения, заключается в более точном регулировании сварочных термических циклов для получения благоприятного структурного состояния шва и околошовной зоны термического влияния сварного соединения, уменьшения количества закалочных структур и получения значений твердости и ударной вязкости, соответствующей требованиям нормативных документов ПАО «Газпром».The technical result that can be obtained with the implementation of the present invention consists in more accurate regulation of welding thermal cycles to obtain a favorable structural state of the weld and the heat-affected zone of the welded joint, reduce the number of hardening structures and obtain values of hardness and toughness corresponding to the requirements of regulatory documents PJSC Gazprom.
Способ управления термическим циклом многопроходной лазерной сварки стыковых кольцевых соединений, включающий подачу сварочной проволоки и воздействие на неё непрерывным лазерным излучением, отличающееся тем, что многопроходная лазерная сварка выполняется в узкощелевую разделку.A method for controlling the thermal cycle of multi-pass laser welding of butt ring joints, including feeding a welding wire and exposing it to continuous laser radiation, characterized in that multi-pass laser welding is performed in a narrow gap groove.
Многопроходная лазерная сварка выполняется в режиме глубокого проплавления кромок притупления с одновалковым заполнением свариваемых кромок в режиме теплопроводности что позволяет минимизировать тепловые вложения в сварное соединение.Multi-pass laser welding is performed in the mode of deep penetration of blunt edges with single-roll filling of the welded edges in the mode of thermal conductivity, which minimizes thermal investment in the welded joint.
Сварка производится с осцилляцией лазерного луча с частотой, находящейся в пределах, определяемой неравенствомWelding is carried out with oscillation of the laser beam with a frequency within the limits determined by the inequality
Figure pctxmlib-appb-M000001
,
Figure pctxmlib-appb-M000001
 ,
где
Figure pctxmlib-appb-M000002
 – частота сканирования луча лазера, Гц;where
Figure pctxmlib-appb-M000002
 - laser beam scanning frequency, Hz;
Figure pctxmlib-appb-M000003
 – пороговое значение частоты сканирования луча лазера, при котором металл воспринимает поток энергии лазерного излучения как равномерный, Гц;
Figure pctxmlib-appb-M000003
 - the threshold value of the laser beam scanning frequency, at which the metal perceives the laser radiation energy flux as uniform, Hz;
Figure pctxmlib-appb-M000004
 – критическое значение частоты сканирования луча лазера, при котором происходит сплавление наплавочных валиков с минимальным значением коэффициента перемешивания, Гц.
Figure pctxmlib-appb-M000004
 - the critical value of the scanning frequency of the laser beam, at which fusion of the surfacing beads occurs with the minimum value of the mixing coefficient, Hz.
Многопроходная лазерная сварка заполняющих, облицовочного и отжигающего швов выполняется с погонной энергией находящейся в диапазоне от
Figure pctxmlib-appb-M000005
до
Figure pctxmlib-appb-M000006
 Multi-pass laser welding of filling, facing and annealing seams is performed with heat input ranging from
Figure pctxmlib-appb-M000005
 before
Figure pctxmlib-appb-M000006
Figure pctxmlib-appb-M000007
,
Figure pctxmlib-appb-M000007
 ,
где
Figure pctxmlib-appb-M000008
 – погонная энергия процесса лазерной сварки, Дж/мм;where
Figure pctxmlib-appb-M000008
 - heat input of the laser welding process, J / mm;
Figure pctxmlib-appb-M000009
– минимальное значение погонной энергии лазерной сварки при которой происходит сплавление наплавочных валиков с минимальным значением коэффициента перемешивания, Дж/мм;
Figure pctxmlib-appb-M000009
 - the minimum value of the input energy of laser welding at which the fusion of the surfacing beads occurs with the minimum value of the mixing coefficient, J / mm;
Figure pctxmlib-appb-M000010
 – наибольшее значение погонной энергии лазерной сварки при которой реализуется проплавление наплавочного валика в режиме теплопроводности, Дж/мм.
Figure pctxmlib-appb-M000010
 - the highest value of the input energy of laser welding at which penetration of the surfacing bead is realized in the thermal conductivity mode, J / mm.
Многопроходная лазерная сварка выполняется с геометрией формы сканирования луча лазера, соответствующего знаку «бесконечность».Multi-pass laser welding is performed with the geometry of the laser beam scanning shape corresponding to the "infinity" sign.
Многопроходная лазерная сварка выполняется одновременно двумя сварочными головками по всему периметру кольцевого шва. Multi-pass laser welding is performed simultaneously with two welding heads along the entire perimeter of the girth seam.
Проведенные исследования показали, что глубина проплавления при наложении валиков и соответственно коэффициент перемешивания существенно зависят от формы геометрии сканирования луча лазера. Равномерная глубина проплавления и минимальное значение коэффициента перемешивания реализуется при форме геометрии сканирования луча лазера «бесконечность».The studies carried out have shown that the penetration depth when applying beads and, accordingly, the mixing coefficient significantly depend on the shape of the laser beam scanning geometry. The uniform penetration depth and the minimum value of the mixing coefficient are realized with the shape of the scanning geometry of the laser beam "infinity".
Фигура.1Figure 1
представлено распределение твердости металла по центру шва от облицовочного к корневому шву сварного соединения, выполненного в а) нижнем пространственном положении, б) вертикальном пространственном положении, в) потолочном пространственном положении. shows the distribution of metal hardness in the center of the weld from the facing to the root weld of the welded joint made in a) lower spatial position, b) vertical spatial position, c) ceiling spatial position.
Фигура.2Figure 2
представлено распределение твердости разных участков сварного соединения, выполненного в а) нижнем пространственном положении, б) вертикальном пространственном положении, в) потолочном пространственном положении. shows the distribution of hardness of different sections of the welded joint made in a) lower spatial position, b) vertical spatial position, c) overhead spatial position.
Фигура.3Figure 3
представлен термический цикл многократного нагрева и охлаждения металла ЗТВ при сварке, полученный при выполнении: 1 - корневого шва; 2 - первого заполняющего прохода; 3 - второго заполняющего прохода; 4 - третьего заполняющего прохода, выполненных в а) нижнем пространственном положении, б) вертикальном пространственном положении, в) потолочном пространственном положении. the thermal cycle of repeated heating and cooling of the HAZ metal during welding is presented, obtained when performing: 1 - root weld; 2 - the first filling passage; 3 - the second filling passage; 4 - the third filling passage, made in a) lower spatial position, b) vertical spatial position, c) ceiling spatial position.
Решение поставленной задачи в данном способе многопроходной лазерной сварки трубных сталей включает в себя предварительный равномерный подогрев свариваемых кромок до температуры не менее 100–130 градусов по Цельсию ширину не менее 75мм в каждую сторону от свариваемых кромок, лазерную сварку кромок притупления в режиме глубокого проплавления, одновалковое формирование заполняющих швов, облицовочного и отжигающего швов в режиме теплопроводности с осцилляцией луча лазера для формирования равномерного тепловложения с целью более точного управления сварочным термическим циклом лазерной сварки по всему периметру трубы с контролем технологических параметров, определяющих термический цикл сварки – погонной энергии, при этом погонная энергия, определяющая тепловложения в сварной узел при каждом сварочном проходе (корневой шов, заполняющие швы, облицовочный и отжигающий швы) находится в пределах от 0,45 кДж/мм до 0,84 кДж/мм, то есть намного ниже по сравнению с электродуговой сваркой (патент RU 2563793 С1). Нормативные значения твердости и ударной вязкости сварного соединения соответствуют оптимальному тепловложению погонной энергии в диапазоне от 0,45 кДж/мм до 0,84кДж/мм. Необходимо отметить, что минимальное и максимальное значения пределов погонной энергии зависят от теплофизических характеристик свариваемых сталей, сварочной проволоки и ряда других факторов.The solution to the problem in this method of multi-pass laser welding of pipe steels includes preliminary uniform heating of the welded edges to a temperature of at least 100-130 degrees Celsius, a width of at least 75 mm in each direction from the welded edges, laser welding of blunt edges in deep penetration mode, single-roll formation of filling seams, facing and annealing seams in the thermal conductivity mode with oscillation of the laser beam to form a uniform heat input in order to more accurately control the laser welding thermal cycle along the entire pipe perimeter with control of technological parameters that determine the thermal cycle of welding - heat input, while heat input , which determines the heat input into the welded assembly at each welding pass (root weld, filling seams, facing and annealing seams) is in the range from 0.45 kJ / mm to 0.84 kJ / mm, that is, much lower compared to electric arc welding ( RU patent 2563793 C1). Standard values of hardness and impact toughness of the welded joint correspond to the optimal heat input of heat input in the range from 0.45 kJ / mm to 0.84 kJ / mm. It should be noted that the minimum and maximum values of the heat input limits depend on the thermophysical characteristics of the steels being welded, welding wire and a number of other factors.
Исследования проводились на образцах-свидетелях труб диаметром 1420 мм изготовленных из трубной стали марки 08ГФБАА группы прочности К60 с толщиной стенки 25,8мм с предварительным подогревом свариваемых кромок до температуры 100-130 градусов по Цельсию ширину не менее 75 мм в каждую сторону от свариваемых кромок .Автоматическая лазерная сварка проводилась на установке “УДСТ-1” с использованием лазерного источника энергии модели ЛС-10,сварочной проволоки сплошного сечения марки ESAB Pipeweld 70S-6 диаметром 1.0мм в среде смеси защитных газов 80%Ar и 20%CO2.The studies were carried out on witness samples of pipes with a diameter of 1420 mm made of pipe steel of 08GFBAA grade of strength group K60 with a wall thickness of 25.8 mm with preheating of the welded edges to a temperature of 100-130 degrees Celsius, at least 75 mm wide in each direction from the edges to be welded. Automatic laser welding was carried out on an UDST-1 installation using an LS-10 laser energy source, ESAB Pipeweld 70S-6 solid-section welding wire 1.0 mm in diameter in a mixture of protective gases 80% Ar and 20% CO2.
Проведённые исследования показали, что наиболее оптимальной является геометрия формы осцилляции луча лазера соответствующей знаку ∞ (бесконечность). The studies carried out have shown that the most optimal is the geometry of the oscillation shape of the laser beam corresponding to the sign ∞ (infinity).
Узкощелевая разделка свариваемых встык кромок значительно снижает тепловые вложения в сварное соединение и позволяет, в сочетании с осцилляцией луча лазера, более точно управлять сварочным термическим циклом при многопроходной лазерной сварке встык сталей Narrow-gap groove of butt-welded edges significantly reduces heat input into the welded joint and allows, in combination with oscillation of the laser beam, to more accurately control the welding thermal cycle in multi-pass laser butt welding of steels
Проведенные исследования показали, что многопроходная лазерная сварка в узкощелевую разделку с одновалковым заполнением разделки свариваемых кромок в сочетании с высокочастотной осцилляцией луча лазера повышает эффективность управления точностью сварочного термического цикла и формирует твердость шва и околошовного участка (ОШУ) зоны термического влияния (ЗТВ) соответствующего нормативному значению 325 HV и нормативному значению ударной вязкости KCU-40 ≥37 Дж/см2 [СТО Газпром 2-4.1-713-2013. Технические требования к трубам и соединительным деталям: стандарт организации Открытое Акционерное Общество "Газпром". - Москва: ОАО "Газпром", 2014. - V, 146 с.], , а), б), в), , а), б), в).The studies have shown that multi-pass laser welding in a narrow-gap groove with single-roll filling of the groove of the welded edges in combination with high-frequency oscillation of the laser beam increases the efficiency of controlling the accuracy of the welding thermal cycle and forms the hardness of the seam and near-weld portion (HAZ) of the heat-affected zone (HAZ) corresponding to the standard value 325 HV and standard value of impact strength KCU-40 ≥37 J / cm2 [STO Gazprom 2-4.1-713-2013. Technical requirements for pipes and fittings: the standard of the organization of the Open Joint Stock Company "Gazprom". - Moscow: JSC "Gazprom", 2014. - V, 146 p.], , a B C), , a B C).
В условиях многопроходной лазерной сварки корневой шов и ЗТВ подвергаются многократному термоциклированию при термическом воздействии каждого последующего из заполняющих и облицовочного валиков а), б), в). Термоциклирование способствует уменьшению закалочных структур в шве и околошовном участке ЗТВ.Under conditions of multipass laser welding, the root weld and HAZ are subjected to repeated thermal cycling under the thermal effect of each subsequent filling and facing roller a B C). Thermal cycling helps to reduce hardening structures in the weld and near-weld portion of the HAZ.
Исследования термоциклирования при одновалковом наложении слоев в процессе лазерной сварки для всех пространственных положений показало, что каждый последующий слой не приводит перегреву металла шва и ЗТВ предыдущего . В результате, в отличие от дуговой сварки, многослойность лазерной сварки с подогревом оказывает несущественное влияние на структурные изменение в шве и ЗТВ предыдущих слоев и формирует в шве ЗТВ в различных пространственных положениях бейнитную структуру с незначительным количеством феррита, в отличие от дуговой сварки, формирующей в структуре феррит и ферритно-карбидную смесь.Investigations of thermal cycling with a single-roll overlay of layers in the process of laser welding for all spatial positions showed that each subsequent layer does not lead to overheating of the weld metal and HAZ of the previous one. ... As a result, in contrast to arc welding, multilayer laser welding with heating has an insignificant effect on the structural changes in the weld and HAZ of the previous layers and forms a bainite structure with a small amount of ferrite in the HAZ seam in different spatial positions, in contrast to arc welding, which forms in structure of ferrite and ferrite-carbide mixture.
Осцилляция луча лазера в определенном диапазоне частот позволяет сформировать равномерное тепловое вложение при формировании шва и соответственно более точно управлять скоростью охлаждения металла сварного соединения в зоне термического влияния в интервале температур диффузионного распада аустенита до скоростей ниже критических и формировании в околошовном участке зоны термического влияния преимущественно бейнитной структуры с минимальным содержанием мартенситной фазы, обеспечив заданный комплекс механических свойств сварного соединения. Oscillation of the laser beam in a certain frequency range makes it possible to form a uniform thermal input during the formation of a weld and, accordingly, to more accurately control the cooling rate of the welded joint metal in the heat-affected zone in the temperature range of diffusive decomposition of austenite to speeds below critical and the formation of a predominantly bainite structure in the heat-affected zone of the heat-affected zone with a minimum content of the martensite phase, providing a given set of mechanical properties of the welded joint.
Заявленное изобретение отвечает критерию промышленной применимости, поскольку может быть изготовлено с использованием известных технических средств. The claimed invention meets the criterion of industrial applicability, since it can be manufactured using known technical means.
Патент 2015 – RU 2563793.Patent 2015 - RU 2563793.

Claims (6)

  1. Способ управления термическим циклом многопроходной лазерной сварки стыковых кольцевых соединений, включающий подачу сварочной проволоки и воздействие на неё непрерывным лазерным излучением, отличающееся тем, что многопроходная лазерная сварка выполняется в узкощелевую разделку.A method for controlling the thermal cycle of multi-pass laser welding of butt ring joints, including feeding a welding wire and exposing it to continuous laser radiation, characterized in that multi-pass laser welding is performed in a narrow gap groove.
  2. Способ по п.1., отличается тем, что многопроходная лазерная сварка выполняется в режиме глубокого проплавления кромок притупления с одновалковым заполнением свариваемых кромок в режиме теплопроводности что позволяет минимизировать тепловые вложения в сварное соединение.The method according to claim 1, differs in that multi-pass laser welding is performed in the mode of deep penetration of blunt edges with single-roll filling of the welded edges in the mode of thermal conductivity, which minimizes heat input into the welded joint.
  3. Способ по п.1., отличается тем, что сварка производится с осцилляцией лазерного луча с частотой, находящейся в пределах, определяемой неравенством
    Figure pctxmlib-appb-M000011
    ,
    где
    Figure pctxmlib-appb-M000012
     – частота сканирования луча лазера, Гц;
    Figure pctxmlib-appb-M000013
     – пороговое значение частоты сканирования луча лазера, при котором металл воспринимает поток энергии лазерного излучения как равномерный, Гц;
    Figure pctxmlib-appb-M000014
     – критическое значение частоты сканирования луча лазера, при котором происходит сплавление наплавочных валиков с минимальным значением коэффициента перемешивания, Гц.    The method according to claim 1., Characterized in that welding is performed with oscillation of the laser beam with a frequency within the range determined by the inequality
    Figure pctxmlib-appb-M000011
     ,
    where
    Figure pctxmlib-appb-M000012
     - laser beam scanning frequency, Hz;
    Figure pctxmlib-appb-M000013
     - the threshold value of the laser beam scanning frequency, at which the metal perceives the laser radiation energy flux as uniform, Hz;
    Figure pctxmlib-appb-M000014
     - the critical value of the scanning frequency of the laser beam, at which fusion of the surfacing beads occurs with the minimum value of the mixing coefficient, Hz.
  4. Способ по п.1., отличается тем, что многопроходная лазерная сварка заполняющих, облицовочного и отжигающего швов выполняется с погонной энергией находящейся в диапазоне от
    Figure pctxmlib-appb-M000015
    до
    Figure pctxmlib-appb-M000016
    Figure pctxmlib-appb-M000017
    ,
    где
    Figure pctxmlib-appb-M000018
     – погонная энергия процесса лазерной сварки, Дж/мм;
    Figure pctxmlib-appb-M000019
    – минимальное значение погонной энергии лазерной сварки при которой происходит сплавление наплавочных валиков с минимальным значением коэффициента перемешивания, Дж/мм;
    Figure pctxmlib-appb-M000020
     – наибольшее значение погонной энергии лазерной сварки при которой реализуется проплавление наплавочного валика в режиме теплопроводности, Дж/мм.    The method according to claim 1., Characterized in that multi-pass laser welding of filling, facing and annealing seams is performed with a heat input ranging from
    Figure pctxmlib-appb-M000015
     before
    Figure pctxmlib-appb-M000016
    Figure pctxmlib-appb-M000017
     ,
    where
    Figure pctxmlib-appb-M000018
     - heat input of the laser welding process, J / mm;
    Figure pctxmlib-appb-M000019
     - the minimum value of the input energy of laser welding at which the fusion of the surfacing beads occurs with the minimum value of the mixing coefficient, J / mm;
    Figure pctxmlib-appb-M000020
     - the highest value of the input energy of laser welding at which penetration of the surfacing bead is realized in the thermal conductivity mode, J / mm.
  5. Способ по п.1., отличается тем, что многопроходная лазерная сварка выполняется с геометрией формы сканирования луча лазера, соответствующего знаку «бесконечность».The method according to claim 1., Characterized in that the multi-pass laser welding is performed with the geometry of the scan shape of the laser beam corresponding to the "infinity" sign.
  6. Способ по п.1., отличается тем, что многопроходная лазерная сварка выполняется одновременно двумя сварочными головками по всему периметру кольцевого шва.The method according to claim 1., Characterized in that multi-pass laser welding is performed simultaneously with two welding heads along the entire perimeter of the circumferential seam.
PCT/RU2021/050092 2020-05-15 2021-04-08 Control of thermal cycle of butt joint laser welding WO2021230768A1 (en)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2020117639 2020-05-15
RU2020117639A RU2754216C1 (en) 2020-05-15 2020-05-15 Method for controlling the thermal cycle of multiple-pass laser welding of non-rotary annular connections in a narrow-gap preparation with filler wire

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2021230768A1 true WO2021230768A1 (en) 2021-11-18

Family

ID=77669858

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/RU2021/050092 WO2021230768A1 (en) 2020-05-15 2021-04-08 Control of thermal cycle of butt joint laser welding

Country Status (2)

Country Link
RU (1) RU2754216C1 (en)
WO (1) WO2021230768A1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010005796A (en) * 1997-03-28 2001-01-15 아사무라 타카싯 Method of butt-welding hot-rolled steel materials by laser beam and apparatus therefor
RU2185214C2 (en) * 1999-11-05 2002-07-20 Российский научно-исследовательский нейрохирургический институт им. проф.А.Л.Поленова Method for treating nerve injuries
DE10334446A1 (en) * 2003-07-29 2005-02-17 Orbitalservice Gmbh Orbital welding device for welding processes comprises welding heads which move along a workpiece by means of a drive and guiding unit
RU2355539C2 (en) * 2003-12-10 2009-05-20 Фиц Гмбх Orbital welding device for pipeline construction
RU2679858C1 (en) * 2018-02-19 2019-02-13 Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") Method of hybrid laser-arc welding of steel thick-walled structures

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20010005796A (en) * 1997-03-28 2001-01-15 아사무라 타카싯 Method of butt-welding hot-rolled steel materials by laser beam and apparatus therefor
RU2185214C2 (en) * 1999-11-05 2002-07-20 Российский научно-исследовательский нейрохирургический институт им. проф.А.Л.Поленова Method for treating nerve injuries
DE10334446A1 (en) * 2003-07-29 2005-02-17 Orbitalservice Gmbh Orbital welding device for welding processes comprises welding heads which move along a workpiece by means of a drive and guiding unit
RU2355539C2 (en) * 2003-12-10 2009-05-20 Фиц Гмбх Orbital welding device for pipeline construction
RU2679858C1 (en) * 2018-02-19 2019-02-13 Публичное акционерное общество "Челябинский трубопрокатный завод" (ПАО "ЧТПЗ") Method of hybrid laser-arc welding of steel thick-walled structures

Also Published As

Publication number Publication date
RU2754216C1 (en) 2021-08-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Leunda et al. Laser cladding of vanadium-carbide tool steels for die repair
AU2009330665B2 (en) Butt weld and method of making using fusion and friction stir welding
US7540402B2 (en) Method for controlling weld metal microstructure using localized controlled cooling of seam-welded joints
MX2013000376A (en) Hybrid arc/laser-welding method for aluminized steel parts using gammagenic elements and a gas containing less than 10 % of nitrogen or oxygen.
Shukla et al. Analysis of shielded metal arc welding parameter on depth of penetration on AISI 1020 plates using response surface methodology
WO2008107660A1 (en) Method of relieving residual stress in a welded structure
WO2013140798A2 (en) Method of welding structural steel and welded steel structure
RU2323265C1 (en) Method for laser-light thermal treatment of metallic materials at controlled heating
WO2021230768A1 (en) Control of thermal cycle of butt joint laser welding
Moi et al. Design optimization of TIG welding process for AISI 316L stainless steel
Rathod et al. Effect of multiple passes on Lüders/yield plateaus, microstructure and tensile behaviour of narrow-gap thick-section weld plates
WO2021154120A1 (en) Method of preparing edges for orbital laser welding
KR20190064815A (en) Method for manufacturing the pipe fitting having excellent low-temperature toughness in heat affected zone
Garcia et al. Evaluation of double-layer weld deposition technique on ASTM A182 F22 steel without post-weld heat treatment
Poznyakov et al. Laser-arc welding of high-strength steels with yield strength of more than 700 MPa
CN109530894B (en) Method for plasma spray welding stellite alloy on valve seat sealing surface
CA2711795A1 (en) Method for controlling weld metal microstructure using localized controlled cooling of seam-welded joints
Kuzmikova et al. Investigation into feasibility of hybrid laser-GMAW process for welding high strength quenched and tempered steel
Ogbonna et al. Multi-response optimization of TIG dissimilar welding of AISI 1008 mild steel and AISI 316 stainless steel using grey-based Taguchi method
Saha et al. Parametric optimization of Tig welding for M1020 using Taguchi-grey relation based design method
WO2021167498A1 (en) Method for laser welding of pipeline connections
RU2323264C1 (en) Method for laser-light thermal treatment of metallic materials at controlled cooling
RU2757447C1 (en) Method for welding large diameter straight-seam pipes
EP3750666B1 (en) Methods of welding of gas tanks of railway tank wagons
Miranda et al. Welding with high power fiber laser API5L-X100 pipeline steel

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application

Ref document number: 21805329

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1

NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 21805329

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1