厚板高強(qiáng)鋼雙面雙弧高效焊冷裂機(jī)理及預(yù)測控制研究結(jié)題摘要

通過建立雙面雙弧焊(DSAW)新方法，獲得了DSAW的電弧形態(tài)、熔池流動、氫擴(kuò)散、溫度場、應(yīng)力場及組織等規(guī)律；創(chuàng)新設(shè)計了大厚板單雙弧焊冷裂紋拘束試驗方法，探究DSAW的氫擴(kuò)散行為及冷裂紋形成機(jī)制；建立雙弧多道焊熱力耦合分析模型，研究弧間距、焊接參數(shù)、預(yù)熱和層間溫度等參數(shù)對熱循環(huán)和應(yīng)力的影響規(guī)律；構(gòu)建了雙面雙弧焊臨界開裂預(yù)熱/層間溫度的知識建模方法和預(yù)測模型，實現(xiàn)厚板高強(qiáng)鋼雙弧焊的低預(yù)熱溫度甚至不預(yù)熱焊接。 2100433B

控制焊接冷裂紋和提高焊接效率是厚板高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)制造最為關(guān)注的指標(biāo)之一。本項目試圖探索一種雙面雙弧焊（DSAW）的厚板高強(qiáng)鋼高效、不預(yù)熱焊接新方法。主要研究內(nèi)容：建立雙面雙手工電弧焊（DSD-SMAW）、雙面雙藥芯焊絲氣體保護(hù)焊（DSD-FCAW）和雙面雙氣體保護(hù)焊(DSD-GMAW)新方法，探究其熱物理特性（電弧形態(tài)、熔池流動、氫擴(kuò)散、溫度場、應(yīng)力場及組織等）；建立適合單雙弧焊冷裂紋拘束試驗方法，探究DSAW的氫擴(kuò)散行為及冷裂紋形成機(jī)制；建立雙弧多道焊熱力耦合分析模型，研究弧間距、焊接參數(shù)、預(yù)熱和層間溫度等參數(shù)對熱循環(huán)和應(yīng)力的影響規(guī)律；結(jié)合Frick氫擴(kuò)散理論建立擴(kuò)散氫含量及分布模型；運(yùn)用粗糙集理論給出基于擴(kuò)散氫含量、硬度和殘余應(yīng)力等多信息關(guān)聯(lián)的雙面雙弧焊臨界開裂預(yù)熱/層間溫度的知識建模方法和預(yù)測模型。為解決厚板高強(qiáng)鋼焊接效率和冷裂紋預(yù)測控制等難題提供有價值的科學(xué)方法和技術(shù)實現(xiàn)途徑。

冷龜裂

在較低溫度下形成的裂紋。

冷裂的形狀特征是

裂紋細(xì)小、呈連續(xù)直線狀，有時縫內(nèi)呈輕微氧化色。

冷裂是由于鑄件中應(yīng)力超出合金的強(qiáng)度極限而產(chǎn)生的。冷裂往往出現(xiàn)在鑄件受拉伸的部位，特別是有應(yīng)力集中的部位和有鑄造缺陷的部位。影響冷裂的因素與影響鑄造應(yīng)力的因素基本是一致的。

合金的成分和熔煉質(zhì)量對冷裂有重要影響。例如，鋼中的碳、鉻和錳等元素，雖能提高鋼的強(qiáng)度，卻降低了鋼的導(dǎo)熱性能，因而當(dāng)這些元素較多時，就會增大鋼的冷裂傾向。增加磷會導(dǎo)致鋼的冷脆性增強(qiáng)，磷的質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0．1%時，其沖擊韌性急劇下降，冷裂傾向明顯增大。鋼液脫氧不足時，氧化夾雜物聚集在晶界上，會降低鋼的沖擊韌性和強(qiáng)度，促使冷裂的形成。鑄件中非金屬夾雜物增多時，冷裂的傾向性也增大。

鑄件的組織和塑性對冷裂也有很大影響。如低碳鎳鉻耐酸不銹鋼和高錳鋼都是奧氏體鋼，且都容易產(chǎn)生很大的熱應(yīng)力，但是鎳鉻耐酸鋼不易產(chǎn)生冷裂，而高錳鋼卻極易產(chǎn)生冷裂，這是因為低碳奧氏體鋼具有低的屈服極限和高的塑性，鑄造應(yīng)力往往很快就超過屈服極限，使鑄件發(fā)生塑性變形；高錳鋼的含碳量偏高，鑄件冷卻時，在奧氏體晶界上析出脆性碳化物，嚴(yán)重降低了塑性，易形成冷裂。

斷弧焊法是通過控制電弧的不斷燃燒和滅弧的時間以及運(yùn)條動作來控制熔池形狀、熔池溫度以及熔池中液態(tài)金屬厚度的一種單面焊雙面成形技術(shù)。斷弧焊法的背面成形機(jī)理主要是靠電弧的穿透力和熔池的表面張力及電磁收縮力。當(dāng)電弧穿透坡口間隙后熔化坡口兩側(cè)和前一個熔池，從而形成一個新的熔池，通過熄弧和熔池的表面張力來控制熔池溫度、形狀和位置。由于這種方法使熔池前方出現(xiàn)一個大于坡口間隙的熔孔，渣氣均能有效地保證正、背面焊縫熔池。

斷弧焊的操作方法有一點法和兩點法兩種，現(xiàn)簡述如下。

單面焊雙面成形操作技術(shù)兩點法

兩點法的操作要點：先在焊件端前方約10～15mm處的坡口面上引弧，然后將電弧拉回至始焊處稍加擺動，對焊件進(jìn)行1～2s的預(yù)熱。當(dāng)坡口根部產(chǎn)生“汗珠”時，立即將電弧壓低約1～1.5s后，可聽到電弧穿透坡口而發(fā)出的“噗”聲，看到定位焊縫以及相接的兩側(cè)坡口面的金屬開始熔化，并形成第一個熔池。當(dāng)金屬尚未完全凝固，熔化中心還處于半熔化狀態(tài)，護(hù)目鏡下呈黃亮顏色時，重新引燃電弧，并在該熔池前方接近鈍邊的坡口面上，以一定的焊條傾角擊穿焊件根部，擊穿時先以短弧對焊件根部加熱1～1.5s，然后再迅速將焊條朝焊接方向挑劃。當(dāng)聽到焊件被焊條擊穿的“噗”聲時（說明已形成第一個熔孔），應(yīng)快速使一定長的弧柱帶著熔滴穿過熔孔，使其與熔化金屬分別形成背面與正面焊道熔池，此時要迅速抬起滅弧，動作如稍有遲緩，可能會造成根部燒穿。約1s后，當(dāng)上述熔池還未完全凝固，尚有比所用焊條直徑稍大的黃亮光電時，快速引燃電弧并在第一個熔池右前方進(jìn)行擊穿焊。然后繼續(xù)按上述方法施焊，便可完成兩點法單面焊雙面成形的焊縫。

單面焊雙面成形操作技術(shù)一點法

一點法的操作要點：一點法建立與第一個熔池的方法相同。施焊時應(yīng)使電弧同時熔化焊件坡口聽兩側(cè)鈍邊，聽到“噗”聲后，果斷滅弧。為防止一點擊穿焊接過程中產(chǎn)生縮孔，應(yīng)使滅弧頻率保持在50～60次/min。