Laser and hybrid laser-arc welding of cryogenic 9%Ni steel

Термообработанные конструкционные хладостойкие стали с содержанием никеля до 9% считаются наиболее подходящим по своим стоимостным показателям материалом для изготовления элементов криогенных систем в различных сегментах энергетического машиностроения. Данный тип сталей характеризуется высокими прочностными показателями в сочетании с высокими значениями ударной вязкости при температурах эксплуатации до -196 0C. Для сварки хладостойких никельсодержащих сталей рекомендованы, и в настоящее время широко используются присадочные материалы на основе никеля. Основной проблемой этого выбора является снижение предела текучести металла сварного шва, которое компенсируется за счет увеличения толщины стенки изделия. Присадочные материалы на никелевой основе относительно дороги и необходимы в большом количестве для заполнения разделок под многопроходную сварку. Эти факторы значительно увеличивают затраты при изготовлении крупногабаритных толстостенных изделий, как например резервуаров для хранения сжиженного природного газа. По этим причинам, освоение новых сварочных технологий представляет большой экономический интерес. Значительный потенциал предлагают методы сварки, основанные на применении современных высокомощных оптоволоконных лазеров. Лазерный луч приводит к возникновению гораздо меньшей зоны плавления по сравнению с традиционными, дуговыми процессами. При этом уменьшается тепловая нагрузка на основной металл. Металл шва по своему химическому составу и прочностным свойствам приближается к основному металлу. Форма разделки под лазерную сварку толстостенных изделий подразумевает наличие высокого притупления проплавляемого за один проход, что позволяет значительно сократить количество присадочного материала, необходимого для заполнения разделки. До настоящего времени подробные исследования относительно применения лазерных технологий для сварки хладостойкой никельсодержащей стали не были проведены. В настоящей работе рассмотрены особенности формирования сварного шва при лазерной и гибридной лазерно-дуговой сварке листов хладостойкой никельсодержащей стали толщиной 11,5 мм. Рекомендованы параметры процесса, обеспечивающие стабильное проплавление стыка и равномерное формирование корня шва. С помощью электроннозондового микроанализа определена глубина проникновения и исследован характер распределения присадочной проволоки в узком гибридном лазерно-дуговом шве. Испытания на разрыв не выявили снижения прочностных свойств как лазерных, так и гибридных лазерно-дуговых швов. Разрушение испытанных образцов происходит по основному металлу вдали от сварного шва.
Heat treated 9%Ni steel is considered the most suitable and economic material for construction of large-size liquefied natural gas (LNG) storage tanks which operate at cryogenic temperatures (-196°C). Strength above 700 MPa as well as a minimum impact value of 60 J are required to ensure reliable operation of the LNG tanks at operating temperature. Conventional arc welding processes, including shielded metal arc welding, gas metal arc welding, gas tungsten arc welding and submerged arc welding, are currently used in construction of LNG tanks. Ni based filler wire is the preferred filler metal of choice in LNG tank construction. The main problem with this choice is the lower mechanical properties, particularly tensile strength of the weld metal. To compensate, the wall thickness needs to be excessively thick to ensure the strength of the welded structures. Ni based filler material is expensive and a large quantity is needed to fill the multi-pass weld grooves. These factors significantly add to the cost in the fabrication of LNG storage tanks. For these reasons, exploration of new welding technologies is a priority. A big potential can be seen in laser based welding techniques. Laser beam welding results in much smaller fusion zone with chemical composition and mechanical properties similar to that of the base material. Laser welding is a much faster process and allows for a joint geometry which requires less filler material and fewer welding passes. The advantages of laser welding can help to overcome the problems pointed out above. Trials of autogenous laser welding, laser cold-wire welding and hybrid laser-arc welding conducted on the 9%Ni steel are presented in this paper. Chemical composition of the weld metal as well as effects of welding parameters on the weld formation, microstructure and tensile strength is discussed. Filler wire penetration depth as well as character of its distribution in the narrow laser welds was examined using EPMA electron probe microanalysis.