gumrfВестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. МакароваVestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova2309-51802500-0551ФГБОУ ВО «Государственный университет морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова»10.21821/2309-5180-2023-15-4-633-645gumrf-347Research ArticleТЕХНОЛОГИЯ СУДОСТРОЕНИЯ, СУДОРЕМОНТА И ОРГАНИЗАЦИЯ СУДОСТРОИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВАTECHNOLOGY OF SHIPBUILDING, SHIP REPAIR AND ORGANIZATION OF SHIPBUILDING PRODUCTIONИсследование структурно-фазовых превращений металла шва и зоны термического влияния при лазерной сваркеInvestigation of structural-phase transformations of weld metal and in the heat-affected zone during laser weldingМакарчукН. В.MakarchukN. V.

кандидат технических наук198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

PhD

5/7 Dvinskaya Str., St. Petersburg, 198035,

mnv_guap@mail.ruМакарчукА. В.MakarchukA. V.

кандидат технических наук198035, Санкт-Петербург, ул. Двинская, 5/7

PhD

5/7 Dvinskaya Str., St. Petersburg, 198035

makarchukav@gumrf.ruСтарцевВ. Н.StartsevV. N.

кандидат технических наук191015, Санкт-Петербург, ул. Шпалерная, 49

PhD

49 Shpalernaya Str., St. Petersburg, 191015

star1v@mail.ruФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова»РоссияAdmiral Makarov State University of Maritime and Inland ShippingRussian FederationНИЦ «Курчатовский институт» — ЦНИИ КМ «Прометей»РоссияNRC “Kurchatov Institute” — CRISM “Prometey”Russian Federation202326092023154633645Copyright © Макарчук Н.В., Макарчук А.В., Старцев В.Н., 20232023Макарчук Н.В., Макарчук А.В., Старцев В.Н.Makarchuk N.V., Makarchuk A.V., Startsev V.N.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://journal.gumrf.ru/jour/article/view/347

Темой исследования являются вопросы формирования микроструктуры металла сварного шва и зоны термического влияния при лазерной сварке. Особое внимание уделяется термическим циклам сварки, проходящим в этих зонах, так как структурно-фазовые превращения металла шва определяются температурно-временными параметрами, которые происходят собственно в зоне шва и в зоне термического влияния. Поскольку термические циклы существенно отличаются по глубине и ширине шва, то и механические свойства соединения будут определяться локальными изменениями структуры металла шва и около-шовной зоны. Разработана математическая модель и исследованы вопросы формирования фазового состава зоны шва и зоны термического влияния при лазерной сварке. На основе численного моделирования тепловых процессов и структурно-фазовых превращений металла шва и зоны термического влияния, сопровождающих лазерную сварку, предлагается метод количественной оценки объемной доли структурно-фазовых составляющих металла шва и зоны термического влияния. Предложенный алгоритм расчета позволяет избежать решения уравнения для определения объемной доли структурно-фазовых составляющих металла на каждом шаге вычислений. Экспериментальные исследования подтвердили, что предлагаемый подход к проблеме количественной оценки объемной доли структурнофазовых составляющих металла шва и зоны термического влияния позволяет прогнозировать соотношение фаз в различных точках лазерного сварного соединения.

The use of laser equipment is one of the promising ways to create innovative and highly efficient technologies in the production of ship structures. The main advantages of using laser technologies in the production of marine equipment are increased productivity by increasing the speed and reducing the number of welding passes, improving the quality of welded joints due to the accuracy of the assembly of structures and the level of automation, reducing the level of residual stresses, warping and leash due to significant localization of the heating and penetration zone compared with arc welding technologies, a significant reduction in the consumption of welding materials or their complete exclusion due to the smaller dimensions of the geometry of the cutting edges and the width of the assembly gaps. The mechanical properties of the welded joint are determined by the composition of the steel and its structure. The structural-phase transformations of the weld metal are determined by the temperature-time parameters that occur in the seam zone itself and in the heat-affected zone. Laser welded joints are formed under conditions in which thermal cycles differ significantly in depth and width of the weld, so the mechanical properties of the joint are determined by local changes in the structure of the seam metal and heat-affected zone. The issues of formation of the phase composition of the seam zone and heat-affected zone during laser welding are examined in the paper. On the basis of numerical modeling of thermal processes and structural-phase transformations of weld metal and heat-affected zone accompanying laser welding, a method for quantifying the volume fraction of structural-phase components of weld metal and heat-affected zone is proposed. The proposed calculation algorithm avoids solving the equation for the amount of the volume fraction of the structural-phase components of the metal at each step of the calculations.

математическая модельлазерная сваркатермический циклзона термического влияниямикроструктураmathematical modellaser weldingthermal cycleheat-affected zoneweld microstructureReferencesShipbuilding companies see the future in lasers [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://www.inngulaser.net/a/NEWS_CENTER/Industry_News/131.html (дата обращения: 05.06.2023).Shipbuilding companies see the future in lasers. Web. 5 Jun. 2023 <http://www.inngulaser.net/a/NEWS_ CENTER/Industry_News/131.html>.Oliveira A. Implementation of new production processes in panel’s line / A. Oliveira, J. M. Gordo // Maritime Transportation and Harvesting of Sea Resources. — 2018. — Pp. 763–773.Oliveira, A., and J. M. Gordo. “Implementation of new production processes in panel’s line.” Maritime Transportation and Harvesting of Sea Resources (2018): 763–773.Steshenkova N. A. Laser technologies in modern shipbuilding / N. A. Steshenkova, N. A. Nosyrev // Laser in Manufacturing Conference. — Munich, 2017.Steshenkova, Natalia A., and Nikolay A. Nosyrev. “Laser technologies in modern shipbuilding.” Lasers in Manufacturing Conference. Munich, 2017.Wei H. L. Fusion zone microstructure and geometry in completejoint-penetration laser-arc hybrid welding of low-alloy steel / H. L. Wei, J. J. Blecher, T. A. Palmer, T. Debroy // Welding Journal. — 2015. — Vol. 94. — Is. 4. — Pp. 135–144.Wei, H. L., J. J. Blecher, T. A. Palmer, and T. Debroy. “Fusion zone microstructure and geometry in completejoint-penetration laser-arc hybrid welding of low-alloy steel.” Welding Journal 94.4 (2015): 135–144.Chen L. Numerical and experimental investigation on microstructure and residual stress of multi-pass hybrid laser-arc welded 316L steel / L. Chen, G. Mi, X. Zhang, C. Wang // Materials & Design. — 2019. — Vol. 168. — Pp. 107653. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107653.Chen, Lin, Gaoyang Mi, Xiong Zhang, and Chunming Wang. “Numerical and experimental investigation on microstructure and residual stress of multi-pass hybrid laser-arc welded 316L steel.” Materials & Design 168 (2019): 107653. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107653.Касаткин О. Г. Расчетные модели для определения критических точек стали / О. Г. Касаткин, Б. Б. Винокур // Металловедение и термическая обработка металлов. — 1984. — № 1. — С. 20–22.Kasatkin, O.G., and B. B. Vinokur. “Raschetnye modeli dlya opredeleniya kriticheskikh tochek stali.” Metallovedenie i termicheskaya obrabotka metallov 1 (1984): 20–22.Lehto P. EBSD datasets for low-alloy steel weld metals — Arc, Laser, and Laser-hybrid welding / P. Lehto // Zenodo. — 2021. DOI: 10.5281/zenodo.5054204.Lehto, Pauli. “EBSD datasets for low-alloy steel weld metals — Arc, Laser, and Laser-hybrid welding.” Zenodo (2021). DOI: 10.5281/zenodo.5054204.Григоренко Г. М. Прогнозирование температур фазовых превращений аустенита в высокопрочных низколегированных сталях / Г. М. Григоренко, В. А. Костин // Современная электрометаллургия. — 2013. — № 1. — С. 33–39.Grigorenko, G. M., and V. A. Kostin. “Prognozirovanie temperatur fazovykh prevrashchenii austenita v vysokoprochnykh nizkolegirovannykh stalyakh.” Sovremennaya elektrometallurgiya 1 (2013): 33–39.Ольшанская Т. В. Выбор основных критериев термического цикла для методов прогнозирования структуры сварных швов при электроннолучевой сварке / Т. В. Ольшанская, Е. М. Федосеева // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Машиностроение, материаловедение. — 2019. — Т. 21. — № 2. — С. 73–81. DOI: 10.15593/2224-9877/2019.2.09.Olshanskaya, T.V., and E. M. Fedoseeva. “Selection of the main criteria of the thermal cycle for the predicting methods of the structure of welds at electron-beam welding.” Bulletin PNRPU. Mechanical engineering, materials science 21.2 (2019): 73–81. DOI: 10.15593/2224-9877/2019.2.09.Макарчук Н. В. Моделирование формирования первичной макроструктуры сварного шва при лазерной сварке / Н. В. Макарчук, А. В. Макарчук, В. Н. Старцев // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2022. — Т. 14. — № 2. — С. 281–295. DOI: 10.21821/2309-5180-2022-14-2-281-295.Makarchuk, Natalia V., Alexandra V. Makarchuk, and Vasiliy N. Startsev “Modeling of the weld primary macrostructure formation at laser welding.” Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S. O. Makarova 14.2 (2022): 281–295. DOI: 10.21821/2309-5180-2022-14-2-281-295.Kirkaldy J. S. Prediction of microstructure and hardenability in low alloy steels / J. S. Kirkaldy // Proceedings of the International Conference on Phase Transformation in Ferrous Alloys, 1983. — AIME: New York, 1984. — Рp. 125–148.Kirkaldy, J. S. “Prediction of microstructure and hardenability in low alloy steels.” Proceedings of the International Conference on Phase Transformation in Ferrous Alloys. AIME: New York, 1984. 125–148.Kirkaldy J. S. Diffusioncontrolled phase transformations in steels. Theory and applications / J. S. Kirkaldy // Scandinavian Journal of Metallurgy. — 1991. — Vol. 20. — Pp. 50.Kirkaldy, J. S. “Diffusioncontrolled phase transformations in steels. Theory and applications.” Scandinavian Journal of Metallurgy 20 (1991): 50.Li M. V. A computational model for the prediction of steel hardenability / M. V. Li, D. V. Niebuhr, L. L. Meekisho, D. G. Atteridge // Metallurgical and Materials transactions B. — 1998. — Vol. 29. — Pp. 661–672. DOI: 10.1007/s11663-998-0101-3.Li, M. Victor, David V. Niebuhr, Lemmy L. Meekisho, and David G. Atteridge. “A computational model for the prediction of steel hardenability.” Metallurgical and Materials transactions B 29 (1998): 661–672. DOI: 10.1007/s11663-998-0101-3Liu S. Correlation of high power laser welding parameters with real weld geometry and microstructure / S. Liu, G. Mi, F. Yan, C. Wang, P. Jiang // Optics & Laser Technology. — 2017. — Vol. 94. — Pp. 59–67. DOI: 10.1016/j.optlastec.2017.03.004.Liu, Sang, Gaoyang Mi, Fei Yan, Chunming Wang, and Ping Jiang. “Correlation of high power laser welding parameters with real weld geometry and microstructure.” Optics & Laser Technology 94 (2017): 59–67. DOI: 10.1016/j.optlastec.2017.03.004. 15. Gorni, Antonio. Steel forming and heat treating handbook. 2015. DOI: 10.13140/RG.2.1.1695.9764.Gorni A. A. Steel forming and heat treating handbook / A. A. Gorni. — 2015. DOI: 10.13140/RG.2.1.1695.9764.CeladaCasero, Carola, Jilt Sietsma, and Maria Jesus Santofimia. “The role of the austenite grain size in the martensitic transformation in low carbon steels.” Materials & Design 167 (2019): 107625. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107625.Celada-Casero C. The role of the austenite grain size in the martensitic transformation in low carbon steels / C. CeladaCasero, J. Sietsma, M. J. Santofimia // Materials & Design. — 2019. — Vol. 167. — Pp. 107625. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107625.Celada-Casero C. The role of the austenite grain size in the martensitic transformation in low carbon steels / C. CeladaCasero, J. Sietsma, M. J. Santofimia // Materials & Design. — 2019. — Vol. 167. — Pp. 107625. DOI: 10.1016/j.matdes.2019.107625.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.