Для выканання шматслойнасці і шматпраходнасці выкарыстоўваўся метад папярочна-артаганальнай кладкі лазерная ашалёўка правадоў на пласціне з нізкавугляродзістай сталі Q20B таўшчынёй 345 мм і вывучаны макраскапічная марфалогія, мікраструктура, фазавы склад, мікрацвёрдасць і каразійная стойкасць пласта плакіроўкі. Вынікі паказваюць, што пласт ашалёўкі, атрыманы ў працэсе шматслойнага і шматпраходнага лазернага запаўнення дроту, мае добрую макраскапічную форму і не мае відавочных дэфектаў, такіх як пары і расколіны; пласт ашалёўкі ў асноўным складаецца з зона ашалёўкі, зона перакрыцця, зона змены фазы, зона плаўлення і зона цеплавога ўздзеяння; Структура асноўнага матэрыялу ў асноўным складаецца з ферыту і перліту, а мікраструктура плакіруечага пласта ў асноўным складаецца з ферыту, відманштата і мартэнсіту; з-за ўплыву мікраструктуры і памеру зярністасці цвёрдасць ашалёўкі ў цэлым ступеністая, а сярэдняя цвёрдасць ашалёўкі складае 320.13 HV, што вышэй, чым у асноўнага матэрыялу; у 3.5% растворы NaCl палярызацыйная крывая плакіруючага пласта паказвае вобласць пасівацыі, і яго каразійная стойкасць лепш, чым у зыходнага матэрыялу. Шматслаёвы і шматпраходны працэс ашалёўкі лазернай дротам можа адпавядаць патрабаванням падрыхтоўкі слаёў ашалёўкі ў рэальным машынабудаванні.
Ключавыя словы: низкоуглеродистая сталь Q345B; лазерная ашалёўка правадоў; крыж артаганальнай кладкі; мікраструктуру і ўласцівасці

З развіццём эканомікі і грамадства попыт маёй краіны на марскія нафтавыя і газавыя рэсурсы працягвае расці. Засяроджванне ўвагі на разведцы і распрацоўцы марскіх рэсурсаў з'яўляецца практычнай неабходнасцю для развіцця нафтавай прамысловасці маёй краіны [1-2]. З-за складанага эксплуатацыйнага асяроддзя марскіх інжынерных збудаванняў яны больш успрымальныя да пашкоджанняў, чым традыцыйныя збудаванні. Такім чынам, штодзённае абслугоўванне марскога інжынернага абсталявання стала ключавым пытаннем, якое патрабуе тэрміновага вырашэння [3]. Сталь Q345B - гэта нізкалегаваная высокатрывалая сталь з добрымі комплекснымі ўласцівасцямі і выдатнай свариваемостью. Шырока выкарыстоўваецца ў марской тэхніцы і будаўніцтве мастоў [4] .

Будучы перадавой тэхналогіяй ахоўнага і рамонтнага пакрыцця, лазернае плакаванне забяспечвае эфектыўны працэс фарміравання амаль чыстай формы для высокадакладнага рамонту ключавых частак і падрыхтоўкі пакрыццяў з перадавымі ўласцівасцямі матэрыялу [5]. У працэсе шматслаёвай і шматпраходнай ашалёўкі зоны тэрмічнага ўздзеяння суседніх зварных швоў перакрываюцца, утвараючы ўчасткі, якія прайшлі два і больш тэрмічныя цыклы. Мікраструктура гэтых абласцей асабліва складаная [6], і фаза мікраструктурнага складу, хуткасць рэкрышталізацыі, маштаб асадка і марфалогія ўключэнняў пастаянна змяняюцца на працягу ўсяго працэсу [7]. Такім чынам, у працэсе шматслаёвай і шматпраходнай ашалёўкі ў вобласці ашалёўкі часта ўзнікаюць слабыя месцы, якія могуць выйсці з ладу падчас выкарыстання. Напрыклад, падчас выкарыстання каля зварных злучэнняў сасудаў пад ціскам часта назіраецца электралітычная карозія і карозія пад напругай [8].

Ву і інш. [9] выкарыстоўваецца тэхналогія лазернай ашалёўкі для падрыхтоўкі суцэльнага і шчыльнага пласта ашалёўкі Mo2NiB2 на сталёвай падкладцы. Пакрыццё валодае высокай цвёрдасцю, добрай зносаўстойлівасцю і каразійнай устойлівасцю, паляпшае характарыстыкі падкладкі, забяспечвае бяспечную і стабільную працу марскога інжынернага абсталявання. Лі і інш. [10] выкарыстоўвалі лазерную ашалёўку дроту для рамонту падвергнутых карозіі частак паверхні з нержавеючай сталі 316L і атрымалі шматслаёвы шматпраходны пласт ашалёўкі з нержавеючай сталі 308L. Пакрыццё ў асноўным складаецца з аўстэніту і невялікай колькасці ферыту, з трываласцю на расцяжэнне і падаўжэннем 548 МПа і 40% адпаведна, што складае каля 86% і 74% ад падкладкі.

У дадзенай працы тэхналогія лазернай ашалёўкі правадоў выкарыстоўваецца для падрыхтоўкі пласта ашалёўкі лазера Q345B шляхам папярочнага артаганальнага ўкладвання. Даследаваны макраскапічная марфалогія, мікраструктура, фазавы склад, мікрацвёрдасць і каразійная стойкасць шматслойнага шматпраходнага пласта ашалёўкі, што з'яўляецца асновай для рамонту суднавых інжынерных збудаванняў на месцы.

1 Эксперымент лазернай ашалёўкі дроту

1.1 Эксперыментальныя матэрыялы

Эксперыментальны матэрыял падкладкі - вугляродзістая сталь Q345B, а матэрыял ашалёўкі дроту - дрот з легаванай сталі AFEW6-86 дыяметрам 1.2 мм. Хімічны склад гэтых двух прыведзены ў табліцы 1.

1.2 Працэс шматслаёвай і шматпраходнай лазернай плакіроўкі правадоў
У рэальных інжынерных прымяненнях падчас працы на нарыхтоўку будуць уздзейнічаць сілы ў розных напрамках, таму неабходна ўлічваць уплыў анізатрапіі. Каб паменшыць уплыў анізатрапіі, траекторыя пласта ашалёўкі плануецца, дадатковы кірунак зварных швоў у адным пласце з'яўляецца паслядоўным, напрамкі зварных швоў у суседніх слаях кладкі перпендыкулярныя адзін аднаму, а слаі - артаганальны. Яго крос-артаганальны шлях стэкавання паказаны на малюнку 1.

Падчас эксперыменту з ашалёўкай ахоўным газам з'яўляецца чысты газ аргон з чысцінёй газу 99.99%. Па-першае, быў праведзены артаганальны эксперымент з выкарыстаннем аднаслаёвага метаду ашалёўкі за адзін праход для вывучэння аптымальных параметраў працэсу для ашалёўкі за адзін праход; затым для вывучэння ўплыву вышыні ўздыму паміж пластамі на якасць фармавання зварнога шва быў выкарыстаны метад шматслаёвай аднапраходнай зваркі, і быў атрыманы шматслаёвы аднапраходны зварны шво з прамым пластом ашалёўкі і добрым эфектам фармавання. На аснове вышэйсказанага быў вывучаны ўплыў розных паказчыкаў нахлеста на якасць фармавання пласта ашалёўкі, і было выяўлена, што, калі ўзровень перакрыцця складаў 40%, вышыня паміж кожным праходам пласта ашалёўкі была адносна аднастайнай, адукацыя паверхні была адносна роўнай, і металургічная сувязь паміж кожным праходам была самай моцнай. Вышыня ўздыму паміж эксперыментальнымі пластамі складае 0.8 мм для кожнага з першых двух слаёў і 0.7 мм для кожнага з наступных слаёў. Канкрэтныя эксперыментальныя параметры паказаны ў табліцы 2.

1.3 Аналіз і метад выпрабаванняў абліцавальнага пласта
Для выразання металаграфічных узораў з падрыхтаванага пласта шматслойнай і шматпраходнай ашалёўкі выкарыстоўвалася рэзка дроту. Паверхня ўзору была адшліфавана пасля залівання эпаксіднай смалой пры пакаёвай тэмпературы. Наждачнай паперай рознай шурпатасці паліравалася да таго часу, пакуль не засталося драпін. Затым узор быў паліраваны паліравальнай машынай для атрымання металаграфічнага сячэння ўзору з люстраным эфектам. Узор быў падвергнуты карозіі 4% спіртавым растворам азотнай кіслаты, каб вытраўлівацца бачная мяжа падзелу пласта ашалёўкі, прамыты спіртам і высушаны, і мікраструктура ўзору назіралася з дапамогай металаграфічнага мікраскопа; фазавы склад і эвалюцыя пласта ашалёўкі былі адсканаваныя і прааналізаваны ў дыяпазоне 30°~100° з дапамогай тэхналогіі рэнтгенаўскай дыфракцыі; хіміка-элементны аналіз пласта ашалёўкі праведзены з дапамогай энергетычнага спектрометра; праведзена праверка мікрацвёрдасці розных участкаў папярочнага сячэння пласта ашалёўкі на цвёрдамеры па Віккерсу HVS-1000Z; Палярызацыйныя крывыя і спектры імпедансу пласта ашалёўкі і асноўнага матэрыялу былі правераны ў 3.5% растворы NaCl з выкарыстаннем электрахімічнай працоўнай станцыі VersaSTAT 3F з насычаным каломельным электродам у якасці электрода параўнання і плацінавым электродам у якасці дапаможнага электрода, а таксама іх каразійную ўстойлівасць параўноўвалі і аналізавалі.

2 Эксперыментальныя вынікі і аналіз
2.1 Макрамарфалагічны аналіз пласта ашалёўкі
Пласт ашалёўкі, напоўнены лазерным дротам, быў падрыхтаваны з дапамогай эксперыменту па артаганальнай кладцы 29 (даўжыня) × 15 (шырыня) × 12 слаёў (вышыня). Пласт ашалёўкі мае добры эфект фармавання, гладкую паверхню, адсутнасць макрадэфектаў, такіх як расколіны і незаплаўленыя, і відавочную вертыкальную вышыню. Макраскапічная марфалогія пласта ашалёўкі паказана на малюнку 2. Падчас эксперыменту па шматслойнай шматпраходнай лазернай ашалёўцы дроту працэс ашалёўкі апошняга пласта прывядзе да рэакцыі пераплаўлення папярэдняга пласта ашалёўкі, што прывядзе да патоку ўніз пры край пласта ашалёўкі. У той жа час, у працэсе ашалёўкі, з-за пэўнай затрымкі ў інструкцыях пачатку і заканчэння выхаду лазернага святла, вышыня краю пласта ашалёўкі будзе крыху ніжэй, чым сярэдняя частка.

На малюнку 3 паказана марфалогія папярочнага разрэзу шматслойнага шматпраходнага пласта лазернай ашалёўкі. Ніякіх дэфектаў, такіх як пары, расколіны і ўключэнні, не выяўлена. Паміж металам ашалёўкі і асноўным матэрыялам утварылася шчыльная металургічная сувязь. Была відавочная вертыкальная вышыня, а таўшчыня пласта ашалёўкі складала 11.5 мм.

2.2 Аналіз мікраструктуры ашалёўкі
Астуджэнне зварачнай ванны - гэта працэс змены фазы, і мікраструктура змены фазы залежыць ад хімічнага складу і ўмоў астуджэння металу шва [11]. Мікраструктуру кожнай вобласці пласта плакіроўкі назіралі з дапамогай металаграфічнага мікраскопа, як паказана на малюнку 4. Пласт плакіроўкі ўключае ў сябе зону плакіроўкі (зона плакіроўкі, CZ), зону накладання (зона пакрыцця, OZ), фазу зона тэрмічнага ўздзеяння (зона ўздзеяння фазавага пераходу, PAZ), зона плаўлення (зона плаўлення, FZ), зона тэрмічнага ўздзеяння (зона тэрмічнага ўздзеяння, HAZ) і асноўнага металу (base metal, BM) [12]. Мікраструктура асноўнага металу ў асноўным складаецца з ферыту і невялікай колькасці перліту. Асноўны элемент Mn, які дадаецца ў сталь Q345B, не толькі аказвае істотны ўмацавальны эфект на ферыт, але таксама зніжае тэмпературу пераходу глейкасць-ломкасць, павялічвае колькасць перліту і паляпшае трываласць перліту.

На малюнку 4 (a) паказана мікраструктура вобласці ашалёўкі ўнутры пласта ашалёўкі, якая складаецца з пласціннага і ігольчастага ферыту, відманштата і невялікай колькасці планкавага мартэнсіту. З-за розных слаёў кожны пласт ашалёўкі будзе вырабляць тэмпературны эфект на папярэдні пласт, што прыводзіць да раўнамернай драбнення збожжа і выразных межаў збожжа; Малюнкі 4 (b) і (b-1) паказваюць мікраструктуру вобласці расплаўлення, якая складаецца з ферыту і відманштата з нераўнамерным размеркаваннем збожжа; На малюнку 4 (d) паказана мікраструктура вобласці перакрыцця двух зварных швоў унутры пласта ашалёўкі. Светлая вобласць на малюнку - гэта лінія зваркі паміж двума зварнымі швамі. У працэсе астуджэння расплаўленая лужына будзе ўтвараць слупковы ферыт уздоўж напрамку рассейвання цяпла. Такім чынам, гэтая вобласць у асноўным складаецца з слупковага ферыту і невялікай колькасці перліту, як паказана на малюнку 4 (d-1). За кошт падвойнага тэрмічнага ўздзеяння вобласць нахлеста мае раўнамернае здрабненне; Малюнак Малюнак 4 (d-2) - вобласць, закранутая фазавым пераўтварэннем, якая ў асноўным складаецца з ферыту і відманштатэна. З-за ўздзеяння цяпла фазавага пераўтварэння памер зерня ў гэтай вобласці крыху большы, чым у вобласці перакрыцця; Малюнак 4 (e-1) - мікраструктура зоны цеплавога ўздзеяння. У працэсе зваркі ніжні ўчастак ашалёўкі падвяргаецца загартоўцы, што робіць структуру гэтага ўчастка вытанчанай, а размеркаванне збожжа раўнамерным. Ён у асноўным складаецца з дробназярністага ферыту і невялікай колькасці перліту. Дробназярністы ферыт - гэта прадукт пераўтварэння паміж ферытам і бейнітам. Гэта карысная мікраструктура ў металургічным працэсе зваркі [11].

Малюнак 5 - мікраструктура апошняга пласта ашалёўкі. Гэты пласт не падвяргаецца другаснаму лазернаму нагрэву. У параўнанні з іншымі пластамі, ён можа захаваць арыгінальную марфалогію структуры. Яго зярністасць аднастайная, а структура шчыльная. Ён у асноўным складаецца з ферыту, відманштатта і планкавага мартэнсіту.

2.3 XRD і EDS аналіз пласта ашалёўкі
Каб прааналізаваць фазавы склад пласта лазернай ашалёўкі, узор памерам 10 мм × 10 мм × 8 мм быў разрэзаны дротам, а пасля шліфоўкі і паліроўкі быў праведзены рэнтгенаграфічны аналіз. На малюнку 6 паказаны XRD-спектр шматслойнага шматпраходнага пласта лазернай абалонкі і асноўнага матэрыялу. Сумясціўшы вынікі мікраструктуры і спектру XRD, можна заўважыць, што пласт абалонкі ў асноўным складаецца з вялікай колькасці ферыту, часткова мартэнсіту і відманштатэніта, і ніякіх іншых шкодных фаз не з'яўляецца. Паколькі слупковы ферыт будзе ўтварацца ў працэсе астуджэння расплаўленай ванны лазернай ашалёўкі, пласт ашалёўкі змяшчае вялікую колькасць ферыту. Калі цеплаўкладанне лазера ў працэсе зваркі вялікае, мікраструктура пласта ашалёўкі ў некаторай ступені агрубее, а памер зерня павялічыцца. У гэты час структура будзе выглядаць перагрэтай відманштатэнітам і планкавым мартэнсітам, і дзве структуры размешчаны ў шахматным парадку.

Хімічны склад аналізавалі кропкавым сканаваннем у розных месцах папярочнага сячэння ўзору. Палажэнні кропкавага сканавання паказаны на малюнку 7, а вынікі аналізу EDS розных абласцей паказаны ў табліцы 3. З-за высокага ўтрымання элементаў Cr і Ni у зварачным дроце ўтрыманне Cr і Ni у пласце плакіроўкі значна значна вышэй, чым у зыходнага матэрыялу, што робіць каразійную стойкасць ашалёўкі лепш, чым у зыходнага матэрыялу.

2.4 Аналіз мікрацвёрдасці плакаванага пласта
Вымяралася мікрацвёрдасць ўзору. Падчас выпрабаванняў нагрузка складала 1000 г, час вытрымкі - 10 с, шлях вымярэння ішоў па кірунку ад асноўнага матэрыялу да вобласці ашалёўкі, інтэрвал паміж двума суседнімі кропкамі адбору пробаў - 1 мм. Размеркаванне мікрацвёрдасці ад асноўнага матэрыялу да вобласці ашалёўкі паказана на малюнку 8. Сярэдняя мікрацвёрдасць асноўнага матэрыялу складае 172.02 HV, а сярэдняя мікрацвёрдасць пласта ашалёўкі - 320.13 HV. Мікраструктура апошняга пласта ашалёўкі ўтрымлівае вялікую колькасць ферыту, відманштатэніта і невялікую колькасць планкавага мартэнсіту і перліту. Значэнне цвёрдасці гэтай вобласці мікраструктуры самае высокае, якое складае 325.92HV. Сярэдняя цвёрдасць ашалёўкі значна вышэй, чым у асноўнага матэрыялу, што адпавядае патрабаванням рамонтнай трываласці. Як паказана на малюнку 8, цвёрдасць вобласці ашалёўкі звычайна размяркоўваецца ступеніста. Гэта тлумачыцца тым, што ў працэсе шматслойнага і шматпраходнага лазернага запаўнення дроту кожны пласт ашалёўкі будзе аказваць эфект загартоўкі пасля нагрэву на папярэдні пласт у працэсе фарміравання і эфект папярэдняга нагрэву на наступны пласт. Апошні пласт ашалёўкі мае эфект папярэдняга нагрэву без догрева, што спрыяе раўнамернаму драбненню зярністасці і значнаму павышэнню цвёрдасці.

2.5. Аналіз каразійнай стойкасці плакату
Большая частка карозіі металаў ажыццяўляецца ў выглядзе электрахімічнай карозіі, і працэс карозіі суправаджаецца генерацыяй току, як і першасная батарэя [13-14]. Каб праверыць электрахімічную карозію шматслойнага і шматпраходнага пласта ашалёўкі, узор быў змешчаны ў 3.5% раствор NaCl для праверкі яго палярызацыйнай крывой Тафеля і спектру імпедансу.

Палярызацыйныя крывыя ашалёўкі і асноўнага матэрыялу паказаны на малюнку 9. Відаць, што палярызацыйная крывая ашалёўкі мае вобласць пасівацыі, што паказвае на тое, што шчыльная аксідная плёнка ўтвараецца на паверхні ашалёўкі падчас працэс карозіі. Такія элементы, як Cr, Ni і Si у аксіднай плёнцы, паляпшаюць пасівацыйную стабільнасць, перашкаджаюць дыфузіі іёнаў і паляпшаюць каразійную ўстойлівасць. Патэнцыял самакарозіі Ecorr і шчыльнасць току самакарозіі Icorr пласта ашалёўкі і асноўнага матэрыялу атрыманы шляхам падганяння даных, як паказана ў табліцы 4. Патэнцыял самакарозіі Ecorr металу ў растворы электраліта адлюстроўвае яго адчувальнасць да карозіі і з'яўляецца паказчыкам устойлівасці матэрыялу да электрахімічнай карозіі. Чым меншы патэнцыял самакарозіі, тым лягчэй метал губляе электроны і тым слабейшая яго каразійная стойкасць; чым большы патэнцыял самакарозіі, тым цяжэй металу губляць электроны і тым мацней яго каразійная стойкасць[14]. Як відаць з табліцы 4, патэнцыял самакаразіі пласта ашалёўкі вышэй, чым у асноўнага матэрыялу, што паказвае на тое, што пласт ашалёўкі мае высокую каразійную ўстойлівасць. Шчыльнасць току самакарозіі Icorr прапарцыйная хуткасці карозіі. Чым больш ток карозіі, тым хутчэй хуткасць карозіі матэрыялу і тым горш устойлівасць да карозіі. Як відаць з даных у табліцы 4, ток самакарозіі асноўнага матэрыялу вышэйшы, чым у ашалёўкі, што сведчыць аб нізкай каразійнай устойлівасці асноўнага матэрыялу. Такім чынам, параўноўваючы велічыню патэнцыялу самакарозіі і току самакарозіі, можна зрабіць выснову, што каразійная стойкасць пласта ашалёўкі лепш, чым у асноўнага матэрыялу.

Слой ашалёўкі і асноўны матэрыял былі правераны з дапамогай імпеданснай спектраскапіі (EIS), а спектры найквіста імпедансу двух узораў паказаны на малюнку 10. Z' і Z” з'яўляюцца рэальнай і ўяўнай часткамі вымеранага імпедансу Z адпаведна . І пласт ашалёўкі, і асноўны матэрыял маюць адзіную ёмістную дугавую характарыстыку. Чым большы радыус ёмістай дугі, тым больш агульны імпеданс узору і тым мацней каразійная стойкасць. Як паказана на малюнку 10, радыус ёмістай дугі пласта ашалёўкі значна большы, чым у асноўнага матэрыялу. Такім чынам, супраціўленне палярызацыі пласта ашалёўкі больш, што паказвае на тое, што хуткасць карозіі пласта ашалёўкі ніжэй, а ўстойлівасць да карозіі мацней, што адпавядае вынікам крывой палярызацыі дынамічнага патэнцыялу.

Такім чынам, устойлівасць да карозіі пласта ашалёўкі лепш, чым у асноўнага матэрыялу. Па-першае, матэрыял ашалёўкі выкарыстоўвае зварачны дрот AFEW6-86, які мае больш высокае ўтрыманне Cr і Ni, чым асноўны матэрыял, так што пласт ашалёўкі мае больш высокую ўстойлівасць да акіслення і карозіі. У каразійным асяроддзі, калі Cr рэагуе з O-элементамі, на паверхні ўтворыцца пласт каразійна-ўстойлівай аксіднай плёнкі, якая аддзяліць паверхню металу ад каразійнага асяроддзя, паменшыць працэс растварэння анода і паменшыць растварэнне хуткасць ашалёўкі, тым самым паляпшаючы каразійную ўстойлівасць ашалёўкі. Устойлівасць да карозіі паляпшаецца [15-16]. Другая прычына заключаецца ў больш раўнамерным размеркаванні зерняў у пласце ашалёўкі з-за павелічэння падводу цяпла.

3 Заключэнне
(1) Пласт ашалёўкі, атрыманы шматслойным і шматпраходным працэс лазернай зваркі дроту мае добрае макраскапічнае фарміраванне, адсутнасць відавочных дэфектаў, такіх як пары і расколіны, і добрая металургічная сувязь утвараецца паміж пластом ашалёўкі і асноўным матэрыялам. Прысутнічае значны вертыкальны нагрувашчванне, а таўшчыня пласта ашалёўкі складае 11.5 мм.
(2) Пласт ашалёўкі ў асноўным складаецца з ферыту, відманштатта і пласціннага мартэнсіту. Змест Cr і Ni ў ашалёўцы вышэй, чым у асноўным матэрыяле. Элементы Cr і Ni паляпшаюць стабільнасць пасівацыйнай плёнкі, перашкаджаюць дыфузіі іёнаў і паляпшаюць устойлівасць да акіслення і каразійную стойкасць пласта ашалёўкі. Акрамя таго, з-за павелічэння падводу цяпла размеркаванне зерняў па памерах у пласце ашалёўкі больш аднастайнае, таму каразійная стойкасць ашалёўкі лепшая, чым у асноўнага матэрыялу.
(3) Сярэдняя цвёрдасць асноўнага матэрыялу складае 172.02HV, а сярэдняя цвёрдасць ашалёўкі складае 320.13HV, цвёрдасць ашалёўкі значна вышэй, чым у асноўнага матэрыялу. З-за ўплыву мікраструктуры і памеру збожжа цвёрдасць вобласці ашалёўкі паказвае ступенчатую тэндэнцыю размеркавання ў цэлым.