Лазерне зварювання тонкостінних виробів з віссю обертання типу труба-штуцер виготовлених з корозійностійких високолегованих сталей
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2025-287-1-12-20Ключові слова:
лазерне зварювання, тонкостінні вироби, різнорідні сталі, деталі з віссю обертання, проблеми, дефектиАнотація
Тонкостінні вироби з віссю обертання, виготовлені з різнорідних корозійностійких сталей, зокрема аустенітного та мартенситно-феритного класу, знаходять широке застосування в промисловості. Аустенітні сталі відзначаються високою корозійною стійкістю та механічними характеристиками при підвищених температурах, тоді як мартенситно- феритні сталі демонструють кращу стійкість до корозійного розтріскування та є більш економічною альтернативою для використання у водних середовищах. Зварювання таких різнорідних матеріалів супроводжується складнощами, пов’язаними з відмінностями у фізичних, механічних і металургійних властивостях, що призводить до утворення зон з підвищеними напруженнями та можливими структурними дефектами. Лазерне зварювання забезпечує мінімізацію теплового впливу та дає змогу контролювати структуру зварного з’єднання, однак його застосування для зварювання тонкостінних виробів із різнорідних сталей потребує подальших досліджень. Визначення впливу термічного циклу на властивості зварних з’єднань залишається актуальною проблемою, оскільки невідповідність геометричних параметрів зварного з’єднання може призвести до зниження втомної міцності деталей. У межах дослідження проведено зварювання стикових з’єднань тонкостінних виробів із віссю обертання, виготовлених із сталі 12Х18Н10Т (труба) та сталі 14Х17Н2 (штуцер), із застосуванням Nd:YAG-лазера «DY044» (потужність 4,4 кВт, довжина хвилі 1,06 мкм). Був обраний наступний оптимальний режим зварювання: потужність лазерного випромінювання P = 1 кВт, швидкість зварювання Vзв = 600 мм/хв, величина розфокусування лазерного випромінювання ∆F = +2 мм. Для захисту зварного з’єднання були використані два захисні гази: аргон подавався знизу зварюваних деталей із витратою 14 л/хв, а гелій – зверху із витратою 30 л/хв. Визначено, що всі зразки демонструють руйнування в зоні зварного з’єднання під дією вібраційних навантажень у діапазоні напружень 14–28 кгс/мм². Аналіз мікроструктури зламів підтвердив розвиток втомного руйнування, яке починається в зоні зварного з’єднання, а в окремих випадках переходить у тіло труби. Виявлено дефекти геометрії зварного з’єднання, зокрема увігнутість кореня на глибину до 0,2 мм, що перевищує допустимі значення. Також зафіксовано перевищення ширини зварного з’єднання на окремих зразках (до 1,5 мм за нормативу 1–1,1 мм). Металографічні дослідження не виявили дефектів у вигляді пор, раковин чи шлакових включень, а мікроструктура матеріалу деталей оцінена як задовільна. Твердість матеріалу штуцерів становить HRC31, що відповідає технічним вимогам. Перегрів зони зварювання та високі внутрішні напруження під час зварювання визначено як ключові фактори, що сприяють виникненню тріщин. Для усунення виявлених дефектів рекомендовано оптимізацію параметрів лазерного зварювання, зокрема потужності випромінювання та швидкості зварювання. Крім того, запропоновано заходи для зменшення ймовірності утворення гарячих тріщин, зокрема подрібнення зерна шляхом введення мікролегуючих елементів (Ti, B), використання додаткового сканування лазерного випромінювання або ультразвукової вібрації під час зварювання.
Посилання
1. George, G., & Shaikh, H. Introduction to Austenitic stainless steels. In Elsevier eBooks 2002. Pp. 1–36. https://doi.org/10.1533/9780857094018.37
2. Sridhar, N., Thodla, R., Gui, F., Cao, L., & Anderko, A. Corrosion-resistant alloy testing and selection for oil and gas production. Corrosion Engineering Science and Technology the International Journal of Corrosion Processes and Corrosion Control, 53(sup1), 2017. 75–89. https://doi.org/10.1080/1478422x.2017.1384609
3. Cashell, K., & Baddoo, N. (2014). Ferritic stainless steels in structural applications. Thin-Walled Structures, 83, 169–181. https://doi.org/10.1016/j.tws.2014.03.014
4. Faes, W., Lecompte, S., Ahmed, Z. Y., Van Bael, J., Salenbien, R., Verbeken, K., & De Paepe, M. Corrosion and corrosion prevention in heat exchangers. Corrosion Reviews, 2019. 37(2), 131–155. https://doi.org/10.1515/corrrev-2018-0054
5. Giudice, F., Missori, S., Scolaro, C., & Sili, A. A review on fusion welding of dissimilar Ferritic/Austenitic Steels: Processing and weld zone Metallurgy. Journal of Manufacturing and Materials Processing, 2024. 8(3), 96. https://doi.org/10.3390/jmmp8030096
6. Shen, Z., Zhang, J., Wu, S., Luo, X., Jenkins, B. M., Moody, M. P., Lozano-Perez, S., & Zeng, X. Microstructure understanding of high Cr-Ni austenitic steel corrosion in high-temperature steam. Acta Materialia, 2022. 226, 117634. https://doi.org/10.1016/j.actamat.2022.117634
7. Li, S., Li, J., Sun, G., & Deng, D. Modeling of welding residual stress in a dissimilar metal butt-welded joint between P92 ferritic steel and SUS304 austenitic stainless steel. Journal of Materials Research and Technology, 2023. 23, 4938–4954. https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2023.02.123
8. Kurc-Lisiecka, A., & Lisiecki, A. Laser welding of stainless steel. Journal of Achievements of Materials and Manufacturing Engineering, 2020. 1(98), 2–40. https://doi.org/10.5604/01.3001.0014.0815
9. Sokkalingam, R., Mastanaiah, P., Muthupandi, V., Sivaprasad, K., & Prashanth, K. G. Electron-beam welding of high-entropy alloy and stainless steel: microstructure and mechanical properties. Materials and Manufacturing Processes, 2020. 35(16), 1885–1894. https://doi.org/10.1080/10426914.2020.1802045
10. Guo, N., Hu, H., Tang, X., Ma, X., & Wang, X. The effect of TIG welding heat input on the deformation of a thin bending plate and its weld zone. Coatings, 2023. 13(12), 2008. https://doi.org/10.3390/coatings13122008
11. Haldar, V., Biswal, S. K., & Pal, S. Formability study of micro- plasma arc-welded AISI 316L stainless steel thin sheet joint. Journal of the Brazilian Society of Mechanical Sciences and Engineering, 2022. 44(11). https://doi.org/10.1007/s40430-022-03871-7
12. Khattak, M. A., Zaman, S., Tamin, M. N., Badshah, S., Mushtaq, S., & Omran, A. A. B. Effect of welding phenomenon on the microstructure and mechanical properties of ferritic stainless steel-A review. Journal of Advanced Research in Materials Science, 2017. 32(1), 13-31.
13. Reddy, G. M., Mohandas, T., Rao, A. S., & Satyanarayana, V. V. Influence of welding processes on microstructure and mechanical properties of dissimilar austenitic-ferritic stainless steel welds. Materials and Manufacturing Processes, 2005. 20(2), 147–173. https://doi.org/10.1081/amp-200041844
14. Wang, C., Yu, Y., Yu, J., Zhang, Y., Zhao, Y., & Yuan, Q. Microstructure evolution and corrosion behavior of dissimilar 304/430 stainless steel welded joints. Journal of Manufacturing Processes, 2019. 50, 183–191. https://doi.org/10.1016/j.jmapro.2019.12.015
15. Schaefer, M., Kessler, S., Scheible, P., Speker, N., & Harrer, T. Hot cracking during laser welding of steel: influence of the welding parameters and prevention of cracks. Proceedings of SPIE, the International Society for Optical Engineering/Proceedings of SPIE, 2017. 10097, 100970E. https://doi.org/10.1117/12.2254424
16. Geng, Y., Akbari, M., Karimipour, A., Karimi, A., Soleimani, A., & Afrand, M. Effects of the laser parameters on the mechanical properties and microstructure of weld joint in dissimilar pulsed laser welding of AISI 304 and AISI 420. Infrared Physics & Technology, 2019b. 103, 103081. https://doi.org/10.1016/j.infrared.2019.103081
17. De Oliveira, M. J. C., Conceição, J. G. L., Diniz, M. N., Da Cruz, D. L., Da Silva Moreira, C. E., De Souza Nascimento, M. V., De Mattos, F. N., & Ramos, R. Effect of welding parameters on the microstructure and mechanical behavior of dissimilar AISI 304/AISI 430 thin plates welded by gas Tungsten arc welding. Observatório de la economía latinoamericana, 2023. 21(9), 10640–10656. https://doi.org/10.55905/oelv21n9-010
18. Jayanthi, A., Venkatramanan, K., & Kumar, K. S. An investigation on laser induced downward expanded vapour region in laser weld butt joint of AISI 316L stainless steel. IOP Conference Series Materials Science and Engineering, 574(1), 2019. 012020. https://doi.org/10.1088/1757-899x/574/1/012020
19. Liu, S., Mi, G., Yan, F., Wang, C., & Jiang, P. Correlation of high power laser welding parameters with real weld geometry and microstructure. Optics & Laser Technology, 2017. 94, 59–67. https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2017.03.004
20. Norouzian, M., Elahi, M. A., & Plapper, P. A review: Suppression of the solidification cracks in the laser welding process by controlling the grain structure and chemical compositions. Journal of Advanced Joining Processes, 2023. 7, 100139. https://doi.org/10.1016/j.jajp.2023.100139
