Structure and Mechanical Properties of Weld Metal Formed by Hybrid Laser-Arc Welding of 13Mn6 Steel

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Hybrid laser-arc welding (HLAW) is an advanced technique of permanent joint formation. A distinctive feature of this process is the interaction of two heat sources in one melt welding bath. With the help of this type of welding it is possible to weld thick-walled metal workpieces in one pass without cutting edges at high speed. Due to the fact that this welding process involves two heat sources that influence each other in the welding process and form molten pools with different characteristics and different structure after solidification, the study of the relationship between the formation of the weld structure and its mechanical properties is still relevant. Research of welds on the example of structural steel 13Mn6 is an important study in welding engineering. The aim of the work is to investigate the structure and mechanical properties of weld metal formed by hybrid laser-arc welding. Results and discussion. On the basis of the obtained data it is possible to draw a conclusion that the weld metal formed by hybrid laser-arc welding is heterogeneous. The heterogeneity is shown in different directions both in the microstructure and in the results of the microhardness study. Measurements of microhardness inside the weld clearly demonstrate the thermal history of the hybrid laser-arc welding process. The boundary area of the two molten pools has a reduced hardness in comparison to the arc or laser melting zones only. Static tensile tests on the weld metal have shown differences between the arc and laser melt pools. Mechanical test results also demonstrated seam metal anisotropy in mutually perpendicular directions.

About the authors

A. V. Vorontsov

Email: vav@ispms.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, vav@ispms.ru

K. S. Osipovich

Email: osipovich_k@ispms.tsc.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, osipovich_k@ispms.tsc.ru

A. V. Chumaevskii

Email: tch7av@gmail.com
Ph.D. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, tch7av@gmail.com

V. R. Utyaganova

Email: filaret_2012@mail.ru
Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, filaret_2012@mail.ru

A. P. Malyuk

Email: antohindenis@mail.ru
National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, antohindenis@mail.ru

A. N. Stupakov

Email: ans52@tpu.ru
National Research Tomsk Polytechnic University, 30 Lenin Avenue, Tomsk, 634050, Russian Federation, ans52@tpu.ru

E. A. Kolubaev

Email: eak@ispms.ru
D.Sc. (Engineering), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, eak@ispms.ru

V. E. Rubtsov

Email: rvy@ispms.ru
Ph.D. (Physics and Mathematics), Institute of Strength Physics and Materials Science of the Siberian Branch of the RAS, 2/4, pr. Akademicheskii, Tomsk, 634055, Russian Federation, rvy@ispms.ru

References

  1. Methods and apparatus for cutting, welding, drilling and surface treating: patent 1547172, Great Britain / W.M. Steen. – Publ. date: 06.06.1979.
  2. A comparative study on the microstructure and properties of copper joint between MIG welding and laser-MIG hybrid welding / L.-J. Zhang, Q.-L. Bai, J. Ning, A. Wang, J.-N. Yang, X.-Q. Yin, J.-X. Zhang // Materials and Design. – 2016. – Vol. 110. – P. 35–50. – doi: 10.1016/j.matdes.2016.07.117.
  3. Wu S., Xiao R. Effect of high power CO2 and Yb?: YAG laser radiation on the characteristics of TIG arc in atmospherical pressure argon and helium // Optics and Laser Technology. – 2015. – Vol. 67. – P. 169–175. – doi: 10.1016/j.optlastec.2014.10.018.
  4. Oyyaravelu R., Kuppan P., Arivazhagan N. Comparative study on metallurgical and mechanical properties of laser and laser-arc-hybrid welding of HSLA steel // Materials Today: Proceedings. – 2018. – Vol. 5. – P. 12693–12705. – doi: 10.1016/j.matpr.2018.02.253.
  5. Comparison between hybrid laser-MIG welding and MIG welding for the invar36 alloy / X. Zhan, Y. Li, W. Ou, F. Yu, J. Chen, Y. Wei // Optics and Laser Technology. – 2016. – Vol. 85. – P. 75–84. – doi: 10.1016/j.optlastec.2016.06.001.
  6. Effects of coupling between the laser plasma and two arcs on metal transfer in CO2 laser double-wire MIG hybrid welding / L. Hu, J. Huang, Ch. Liu, X. Liu, D. Hou, Ch. Xu, Y. Zhao // Optics and Laser Technology. – 2018. – Vol. 105. – P. 152–161. – doi: 10.1016/j.optlastec.2018.02.044.
  7. Yan J., Gao M., Zeng X. Study on microstructure and mechanical properties of 304 stainless steel joints by TIG, laser and laser-TIG hybrid welding // Optics and Lasers in Engineering. – 2010. – Vol. 48. – P. 512–517. – doi: 10.1016/j.optlaseng.2009.08.009.
  8. Process stability during fiber laser-arc hybrid welding of thick steel plates / I. Bunaziv, J. Frostevarg, O.M. Akselsen, A.F.H. Kaplan // Optics and Lasers in Engineering. – 2018. – Vol. 102. – P. 34–44. – doi: 10.1016/j.optlaseng.2017.10.020.
  9. Deep penetration fiber laser-arc hybrid welding of thick HSLA steel / I. Bunaziv, O.M. Akselsen, J. Frostevarg, A.F.H. Kaplan // Journal of Materials Processing Technology. – 2018. – Vol. 256. – P. 216–228. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2018.02.026.
  10. Laser-arc hybrid welding of thick HSLA steel / I. Bunaziv, O.M. Akselsen, J. Frostevarg, A.F.H. Kaplan. Journal of Materials Processing Technology. – 2018. – Vol. 259. – P. 75–87. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2018.04.019.
  11. Casalino G., Campanelli S., Ludovico A.D. Hybrid welding of AA5754-H111 alloy using a fiber laser // Advanced Materials Research. – 2012. – Vol. 628. – P. 193–198. – doi: 10.4028/ href='www.scientific.net/amr.628.193' target='_blank'>www.scientific.net/amr.628.193.
  12. Weld microstructure and shape of laser-arc hybrid welding / M. Gao, X.Y. Zeng, Q.W. Hu, J. Yan // Science and Technology of Welding and Joining. – 2008. – Vol. 13. – P. 106–113. – doi: 10.1179/174329307x249388.
  13. Zhang C., Gao M., Zeng X. Effect of microstructural characteristics on high cycle fatigue properties of laser-arc hybrid welded AA6082 aluminum alloy // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 231. – P. 479–487. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.01.019.
  14. Frostevarg J., Kaplan A.F.H. Undercuts in laser arc hybrid welding // Physics Procedia. – 2014. – Vol. 56. – P. 663–672. – doi: 10.1016/j.phpro.2014.08.071.
  15. Microstructure and mechanical properties of laser-arc hybrid welding joint of GH909 alloy / T. Liu, F. Yan, S. Liu, R. Li, Ch. Wang, X. Hu // Optics and Laser Technology. – 2016. – Vol. 80. – P. 56–66. – doi: 10.1016/j.optlastec.2015.12.020.
  16. Hybrid laser arc welding of X80 steel: influence of welding speed and preheating on the microstructure and mechanical properties / G.Turichin, M. Kuznetsov, M. Sokolov, A. Salminen // Physics Procedia. – 2015. – Vol. 78. – P. 35–44. – doi: 10.1016/j.phpro.2015.11.015.
  17. Technology fiber laser-MIG hybrid welding of 5 mm 5083 aluminum alloy / I. Bunaziv, O.M. Akselsen, A. Salminen, A. Unt // Journal of Materials Processing Technology. – 2016. – Vol. 233. – P. 107–114.
  18. Alzahrani F.S., Abbas I.A. Fractional order theory in a semiconductor medium photogenerated by a focused laser beam // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 21. – P. 117–123. – doi: 10.1134/S1029959918020042.
  19. Investigation of arc behaviour and metal transfer in cross arc welding / L. Zhang, S. Su, J. Wang, S.J. Chen // Journal of Manufacturing Processes. – 2019. – Vol. 37. – P. 124–129. – doi: 10.1016/J.JMAPRO.2018.11.018.
  20. Wu C.S., Zhang H.T., Chen J. Numerical simulation of keyhole behaviors and fluid dynamics in laser–gas metal arc hybrid welding of ferrite stainless steel plates // Journal of Manufacturing Processes. – 2017. – Vol. 25. – P. 235–245. – doi: 10.1016/j.jmapro.2016.11.009.
  21. Modelling of fluid flow phenomenon in laser + GMAW hybrid welding of aluminum alloy considering three phase coupling and arc plasma shear stress / G. Xu, P. Li, Q. Cao, Q. Hu, X. Gu, B. Du // Optics and Laser Technology. – 2018. – Vol. 100. – P. 244–255. – doi: 10.1016/j.optlastec.2017.10.009.
  22. Numerical simulation of droplet shapes in laser-MIG hybrid welding / Z. Lei, L. Ni, B. Li, K. Zhang // Optics and Laser Technology. – 2017. – Vol. 88. – P. 1–10. – doi: 10.1016/j.optlastec.2016.08.011.
  23. Technology numerical simulation of temperature field fluid flow and weld bead formation in oscillating single mode laser-GMA hybrid welding / X.S. Gao, C.S. Wu, S.F. Goecke, H. Kügler // Journal of Materials Processing Technology. – 2017. – Vol. 242. – P. 147–159. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2016.11.028.
  24. Rana A.K., Paul S.K., Dey P.P. Effect of martensite volume fraction on strain partitioning behavior of dual phase steel // Physical Mesomechanics. – 2018. – Vol. 21. – P. 333–340. – doi: 10.1134/s1029959917040070.
  25. Correlation of high power laser welding parameters with real weld geometry and microstructure / S. Liu, G. Mi, F. Yan, C. Wang, P. Jiang // Optics and Laser Technology. – 2017. – Vol. 94. – p. 59–67. – doi: 10.1016/j.optlastec.2017.03.004.
  26. Study on microstructures and mechanical properties of laser-arc hybrid welded S355J2W+N steel / S. Zhen, Z. Duan, D. Sun, Y. Li, D. Gao, H. Li // Optics and Laser Technology. – 2014. – Vol. 59. – P. 11–18. – doi: 10.1016/j.optlastec.2013.11.021.
  27. Laser welding of fusion relevant steels for the European DEMO / S. Kirk, W. Suder, K. Keogh, T. Tremethick, A. Loving // Fusion Engineering and Design. – 2018. – Vol. 136. – P. 612–616. – doi: 10.1016/j.fusengdes.2018.03.039.
  28. Laser beam welding of dual-phase DP1000 steel / P.H.O.M. Alves, M.S.F. Lima, D. Raabe, H.R.Z. Sandim // Journal of Materials Processing Technology. – 2018. – Vol. 252. – P. 498–510. – doi: 10.1016/j.jmatprotec.2017.10.008.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».