發(fā)布時間：2018-11-10 20:17

【摘要】：調(diào)質(zhì)高強鋼HG785D由于具有低膨脹系數(shù)、高強度以及可焊接等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于工程機械、壓力容器、機車制造等行業(yè)中。由于該鋼種母材金屬中含碳量較高,若焊接工藝選用不當,易產(chǎn)生裂紋、過熱區(qū)的脆化以及熱影響區(qū)軟化等缺陷。為此,開發(fā)適合調(diào)質(zhì)高強鋼的焊接技術(shù)尤為重要。本文以10 mm厚的調(diào)質(zhì)高強鋼HG785D為研究對象,分別采用熔化極活性氣體保護焊(MAG焊)、電子束焊,激光-MAG復(fù)合焊三種典型焊接方法對HG785D進行焊接,研究了焊接過程中的熔滴過渡行為,對比分析了不同焊接工藝下的組織特征及力學(xué)行為。在弧焊研究方面,通過對弧焊的熔滴過渡過程進行分析,確定了焊接電流和焊速對HG785D鋼弧焊的熔滴過渡影響規(guī)律。在優(yōu)化焊接工藝參數(shù)的基礎(chǔ)上,利用EBSD等測試手段分析了接頭各區(qū)域的組織特征以及演變規(guī)律。隨后,對接頭各區(qū)域進行力學(xué)性能評價,并分析了接頭的殘余應(yīng)力分布。結(jié)果表明:熔滴過渡的穩(wěn)定性在于在熔滴未進入熔池之前實現(xiàn)滴狀過渡。焊接速度對電弧穩(wěn)定性影響較大,速度越快,熔滴過渡不穩(wěn)定,容易發(fā)生爆斷和飛濺。焊縫處細長的針狀鐵素體與小尺寸粒狀貝氏體交錯分布,其平均有效晶粒尺寸與細晶區(qū)相差較小,可以提高沖擊韌性。此外,焊縫處大角度晶界所占比例明顯偏高,可有效阻止裂紋的擴展。熱影響區(qū)、焊縫區(qū)、母材在-20℃的沖擊功平均值為83.6 J,110.2 J,113 J,母材及焊縫區(qū)沖擊性能明顯優(yōu)于熱影響區(qū)。通過比較三個區(qū)域的硬度得出熱影響區(qū)硬度母材硬度焊縫區(qū)硬度。接頭斷裂于母材,焊絲與母材的匹配效果較好。殘余應(yīng)力分析發(fā)現(xiàn),橫向殘余應(yīng)力距焊縫中心約60 mm時應(yīng)力值基本降至0 MPa,縱向殘余應(yīng)力距焊縫中心約40 mm處由拉應(yīng)力變?yōu)閴簯?yīng)力,壓應(yīng)力最大值可達60 MPa。為了分析高強鋼在不開坡口零間隙時的焊接可行性,采用電子束焊接方法,考察厚板高強鋼在快速加熱冷卻條件下,接頭組織的演變過程及其對性能的影響。結(jié)果表明,熱輸入影響接頭熔深的大小,過大的熱輸入(束流)雖能獲得全熔透的焊縫,但由于不添加焊絲,易造成咬邊缺陷。接頭的組織形貌與弧焊明顯不同:焊縫區(qū)組織主要為粗大的板條馬氏體和少量的針狀鐵素體,熱影響區(qū)組織為回火索氏體和馬氏體。晶粒尺寸上,焊縫大于熱影響區(qū)。大尺寸晶粒所占比重要高于熱影響區(qū)。焊縫的硬度高于熱影響區(qū),而熱影響區(qū)的抗拉強度和沖擊韌性均好于焊縫金屬。接頭的最大強度達869 MPa,為母材98.8%。斷口顯示優(yōu)化參數(shù)下的接頭斷口為均一的韌窩,非優(yōu)化參數(shù)下的斷口則呈現(xiàn)平整特征,主要為準解理斷裂和較淺的韌窩。利用電子束在不開坡口零間隙條件下可以實現(xiàn)HG785D厚板的可靠焊接,這表明HG785D高強鋼對于高能束焊接具有較好的工藝適應(yīng)性和可行性。因此,隨后開展了目前應(yīng)用潛力較大的激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)。研究結(jié)果表明,在熔滴過渡特性方面,不同能量配比和光絲間距影響到熔滴過渡的穩(wěn)定。當激光和電弧的能量接近1:1時,相互耦合較好,能形成穩(wěn)定過渡。在不同的坡口設(shè)計中,利用合適的熱輸入獲得外觀成形無缺陷的接頭,均能保證接頭斷在母材,不同鈍邊厚度對接頭的性能影響較小。在大鈍邊少填充的理念下,獲得優(yōu)化工藝參數(shù):8 mm鈍邊時,激光功率4500～5000 W,送絲量8～8.5 m/min,電壓28 V,焊接速度1 m/min,間隙0.7 mm可獲得較好的復(fù)合焊接頭。電弧作用區(qū)和激光作用區(qū),兩者由于加熱和冷卻速度的不同造成組織差異很大。溫度場的計算結(jié)果進一步揭示了上部電弧作用區(qū)和下部激光作用區(qū)的熱循環(huán)差異,為合理解釋組織的形成提供了理論依據(jù)。為揭示上述單電弧MAG焊和激光-電弧焊接的本質(zhì)區(qū)別,運用等離子體光譜分析技術(shù),對單電弧焊接和激光復(fù)合焊接中等離子體的熱力學(xué)狀態(tài)參數(shù)進行觀測和比較,獲取不同參數(shù)下光致等離子體的電子溫度與電子密度的變化規(guī)律,從而揭示兩種焊接方法的本質(zhì)區(qū)別。結(jié)果顯示,在譜線相對輻射強度方面,復(fù)合焊產(chǎn)生的光譜基本與單電弧的類似,無新特征譜線產(chǎn)生。復(fù)合焊過程中隨著激光功率和電弧能量的減少,光強下降。在等離子體電子溫度方面,當激光功率較高時,復(fù)合焊產(chǎn)生的電子溫度高于MAG焊,且復(fù)合焊產(chǎn)生的電子溫度與激光功率、電弧能量成正比。當激光功率較低時,復(fù)合焊會引起電子溫度的降低,甚至產(chǎn)生的電子溫度將低于電弧焊自身產(chǎn)生的電子溫度。在等離子體的電子密度方面,電子密度隨激光功率的減少而先下降后上升。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：北京交通大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：U466

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本文編號：2323510