厚板高強鋼雙面雙弧高效焊冷裂機(jī)理及預(yù)測控制研究項目摘要

控制焊接冷裂紋和提高焊接效率是厚板高強鋼結(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。

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)厚板高強鋼雙弧焊的低預(yù)熱溫度甚至不預(yù)熱焊接。 2100433B

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，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。