Студенты-сварщики разрабатывают технологию лазерно-гибридной сварки труб большого диаметра

Современный уровень технологии производства труб большого диаметра достаточно высокопроизводительный и стабильный. Однако в связи с тем, что появляется необходимость в новых трубопроводах, работающих во все более экстремальных условиях, требования к механическим свойствам труб постоянно повышаются, при этом обеспечить их применением стандартной технологией многодуговой сварки под слоем флюса все более и более затруднительно. 

Наиболее перспективным является разработка и техническая адаптация к производству труб большого диаметра инновационной и наиболее перспективной альтернативной технологии в области сварки – лазерно-гибридной. 

Сущность технологии (рис. 1)заключается в использовании синергетического эффекта от совмещения в одной сварочной ванне двух различных по физическим принципам источников плавления – лазерного луча и электрической дуги. При совмещении двух этих процессов в полном объеме сохраняются преимущества каждого процесса, при этом значительная часть недостатков устраняется. Удается получить узкий сварной шов с большой глубиной проплавления, небольшими размерами зоны термического влияния, при этом сохраняется возможность легирования металла шва за счет применения присадочной проволоки электродугового процесса. В результате механические свойства получаемого сварного соединения обеспечивают уровень свойств, требуемый существующими нормативными документами и стандартами, при этом они значительно выше свойств сварных соединений, получаемых по стандартной технологии многодуговой сварки под слоем флюса.

Рис.1 Схема лазерно-гибридной сварки

Внедрение такой технологии позволит производить продукцию со свойствами, недостижимыми стандартной технологией, и соответственно расширить горизонты добычи и транспорта углеводородов.

Проект стартовал в 2020 году. Из-за сложности поставленной задачи, он был разбит на 5 подзадач. Каждый студент активно реализовывал свой фронт работ. Один проводил моделирование в ESI SYSYWELD для оценки температурных полей при сварке, другой в ANSYS для расчета конструкционной прочности и создания классификатора дефектов. Кто-то разрабатывал план эксперимента для построения регрессионных моделей влияния режимов сварки на качества сварного соединения, а кто-то оценивал жидкотекучесть сварочных проволок. Главное в проекте было научиться регулировать величину грата в корне шва, чтобы она не выходила за пределы пластины (рис. 2).

Рис. 2. Грат, выходящий за поверхность пластины

Завод заключил с ЮУрГУ договор для финансирования работ, а также выполнил на своей площадке масштабный эксперимент (рис. 3).

Рис. 3 Проведение натурного эксперимента на ПАО ЧТПЗ

В результате проекты были построены регрессионные модели по основе четырехфакторного эксперимента (рис. 4)

Рис. 4 Зависимость величины проседания лазерного шва от положения фокуса от мощности лазера

Изучено влияние положения фокуса лазера на форму проплавления (рис .5)

Рис. 5. Температурное поле в поперечном сечении пластины 30,9 мм при лазерно-гибридной сварке с заглублением (а) и в расфокусе (б)

При участии ПАО ЧТПЗ сделаны макрошлифы, которые позволяют оценить положение дефекта сварки и сравнить его с результатами моделирования (рис. 6).

Рис. 6 Влияние температурного поля на расположение дефектов сварного шва ЛГС

Построены зависимости ширины сварочной ванны в корне шва ЛГС (рис. 7).

Рис. 7 Зависимость ширины сварочной ванны в корне шва ЛГС

Выполнены исследования жидкотекучести в лабораториях Политехнического института (рис. 8).

Рис. 8 Исследование жидкотекучести сварочных проволок

Проведена оценка прочности сварного соединения с учетом размера дефектов лазерно-гибридной сварки (рис.9).

Рис. 9 Эквивалентные напряжения по Мизесу в устье дефекта сварки

По результатам обширной работы подготовлены 3 научных статьи. Пожелаем ребятам успешной защиты.