鋼_鋁合金結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭焊接工藝參數(shù)的計(jì)算確定

1、 文章編號(hào) :167127953(2004) 05219203收稿日期 :2004208227作者簡(jiǎn)介 :王承權(quán)(1937 - ) ,男 ,大學(xué) ,教授鋼 - 鋁合金結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭 焊接工藝參數(shù)的計(jì)算確定王承權(quán)1 代海波2 廖銀波21. 武漢理工大學(xué) 武漢 430063 2. 武漢南華高速船舶工程股份有限公司 武漢 430064摘要 以結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭界面溫度低于臨界溫度為準(zhǔn)則 ,用焊接熱過(guò)程理論確定臨界焊接

2、熱輸入 ,為結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭與上層建筑及主船體焊接工藝參數(shù)的計(jì)算確定提供依據(jù) ;計(jì)算確定的焊接工藝參數(shù) ,保證結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭焊后具有爆炸復(fù)合的原有性能。關(guān)鍵詞 結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭 臨界溫度 臨界焊接熱輸入 焊接工藝參數(shù) 計(jì)算確定中圖分類號(hào) U671. 83 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 AAbstract According to the criterion that the interface temperature sho

3、uld be lower than the critical temperature , thecritical heat of welding input could be determined by the theory of heat process. It provides theoretical basis for calculativedetermination of the conditional parameters o

4、f welding for structural transition joints (ST J) between superstructure and marinestructure. The research shows that the calculated parameters assure ST J to process the primordial explosion clad behaviors af 2ter weldi

5、ng.K ey words structural transition joint ; critical temperature ; critical heat of welding input ; conditional parameter ; cal 2culative determination1 引言1. 1 結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭界面的臨界溫度爆炸復(fù)合制成的結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭 ST J (StructuralTransition

6、Joint) 可以把鋁合金上層建筑與鋼主船體直接焊接起來(lái)。現(xiàn)在應(yīng)用的過(guò)渡接頭有法國(guó)、日本等國(guó)家制造的 ,我國(guó)亦對(duì)爆炸焊原理進(jìn)行了研究 ,并成功爆炸合成多種類型的結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭 ,而且在實(shí)船上獲得了廣范應(yīng)用。目前 ,正在研究中的新型結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭對(duì)焊接工藝參數(shù)的選擇比較寬松[1] 。研究表明 ,經(jīng)爆炸合成的結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭在實(shí)際應(yīng)用中都具備一個(gè)最基本的要求 ,即結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭應(yīng)用于鋁合金上層建筑及鋼主船體的焊接時(shí) ,結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭復(fù)合界面的溫度升高不

7、能超過(guò)臨界溫度。法國(guó)制造的鋁 - 鋁 - 鋼類型結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭的臨界溫度是 300 ℃ [2] ,鋁 - 鈦 - 鋼類型則為 350 ℃ [3] 。這種特殊要求使得結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭與相鄰結(jié)構(gòu)焊接時(shí) ,焊接工藝參數(shù)的選取與普通的焊接工藝參數(shù)的確定方式顯著不同 ,也就不能將一般的 MIG焊、 TIG焊的工藝參數(shù)用于過(guò)渡接頭自身對(duì)接及其與相鄰結(jié)構(gòu) ,而需要專門制定工藝參數(shù)。過(guò)渡接頭與相鄰結(jié)構(gòu)的焊接見(jiàn)圖 1。圖 1 結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭與鋁合金上層建筑及

8、鋼主船體的焊接節(jié)點(diǎn)圖 1 中所用結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭為法國(guó)制造的 Tri- clad(R) ,該 ST J 材料有兩個(gè)界面 :鋁合金 - 純鋁界面及純鋁 - 鋼界面。文獻(xiàn)[2 ]要求焊接過(guò)程中應(yīng)當(dāng)控制鋁 - 鋼界面溫度不超過(guò) 300 ℃。因?yàn)楫?dāng)界面溫度超過(guò) 300 ℃ 時(shí) ,由于 Al 和 Fe 原子內(nèi)擴(kuò)散可能在復(fù)合區(qū)形成晶間脆化相 ,使復(fù)合區(qū)的強(qiáng)度及耐腐蝕能力下降。結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭與相鄰結(jié)構(gòu)要焊接的接縫有 :與上層建筑的鋁合金角接縫 Wa及與主船

9、體的鋼質(zhì)角接縫 Ws。顯然 ,不論是 Wa還是 Ws ,在焊接過(guò)程中都應(yīng)滿足鋁 - 鋼界面溫度小于臨界溫度 (300 ℃ ) 這個(gè)準(zhǔn)則。這是制定結(jié)構(gòu)9 1船海工程 2004 年第 5 期 (總第 162 期)© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.netTm

10、ax rx = 0. 386 qπ 2 C γ ·v ·r2x= 0. 386 qn π 2 C γ ·r2x(4)式中 : C γ — — —比熱與密度的乘積 ,J · (cm 3 ·℃ ) - 1;rx — — —最高溫度的等溫面 (柱面) 半徑 ,cm。表達(dá)式 (4) 建立在給定材料 (即熱物理性能C γ )距熱源 rx 的最高溫度與焊接熱輸入之間的函數(shù)關(guān)系。在結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭中 rx

11、 相當(dāng)于鋁層厚度(對(duì)應(yīng)于角焊縫 Wa) ,或鋼層厚度 (對(duì)應(yīng)于角焊縫 Ws) , Tmax rx 為界面溫度 ,在實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)則條件下即為臨界溫度 Tcr 。于是由表達(dá)式(4) 可對(duì) Wa 及 Ws分別求得滿足界面溫度小于臨界溫度這一準(zhǔn)則的焊接熱輸入。有了這個(gè)熱輸入 ,按式(3) 可以組成滿足準(zhǔn)則的一系列焊接工藝參數(shù) :焊接電流、 電弧電壓及焊接速度。2. 4 實(shí)驗(yàn)校核為了確定表達(dá)式(4) 的正確性 ,進(jìn)行了模擬的T 型試件在焊接過(guò)程中對(duì)

12、給定點(diǎn)在預(yù)定的焊接工藝參數(shù)下焊接時(shí)的最高溫度測(cè)量。例如距角焊縫軸線為 40 mm 及 80 mm 的距離上 ,最高溫度的理論計(jì)算值分別是 123 ℃ 和 52 ℃,對(duì)應(yīng)的實(shí)測(cè)值是130 ℃ 和 54 ℃。說(shuō)明表達(dá)式(4) 比較真實(shí)地反映了焊接熱過(guò)程中給定點(diǎn)、 熱輸入與最高溫度之間的數(shù)量關(guān)系。3 結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭的臨界焊接熱輸入 及焊接工藝參數(shù)匹配3. 1 子臨界焊接熱輸入將界面的臨界溫度 Tcr 、 給定點(diǎn)的半徑 rx 及過(guò)渡接頭厚

13、度代入表達(dá)式 (4) ,求得焊接 Wa 、 Ws時(shí)滿足界面溫度低于臨界溫度的臨界焊接熱輸入q 3ncr 。q 3ncr = 4. 27 C γ ·r2x ·Tcr (5)式中 : q 3ncr — — — 焊接 Wa 及 Ws 時(shí)被分配到鋁層及鋼層的熱輸入 ,稱為子臨界焊接熱輸入 ,可表示 qna 或 qns 的臨界值。但還不能由它們直接確定焊接工藝參數(shù)。3. 2 臨界焊接熱輸入將按式 (5) 求得的子臨界焊接熱

14、輸入代入(1) 、 (2) 式 ,可求出焊接角焊縫 Wa 及 Ws 的臨界線能量 quncr 及 qhncr 。再根據(jù)它們確定焊接 Wa 及Ws 的焊接工藝參數(shù)。3. 3 焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化匹配有了臨界焊接熱輸入 ,可根據(jù)式 (3) 并考慮MIG焊接及 MIG 2P 焊接中焊接電流 (送絲速度) 、電弧電壓及焊接速度的相互關(guān)系 ,以及角焊縫 Wa及 Ws 的焊腳尺寸 ,可初選出滿足臨界焊接熱輸入(即界面溫度小于臨界溫度準(zhǔn)則) 的 2

15、～3 組焊接工藝參數(shù)。這 2～3 組焊接工藝參數(shù)與文獻(xiàn)[1 ]用溫度監(jiān)視器測(cè)定界面溫度時(shí)的焊接工藝參數(shù)本質(zhì)上的區(qū)別在于 ,前者保證界面溫度小于臨界溫度準(zhǔn)則 ,而后者尚不知道 ,需經(jīng)過(guò)試驗(yàn)后才能明確。3. 4 焊接工藝參數(shù)的最終確定臨界焊接熱輸入是利用焊接熱過(guò)程理論在運(yùn)動(dòng)點(diǎn)熱源加熱半無(wú)限大物體時(shí)的最高溫度表達(dá)式求得的 ,這個(gè)理論的正確性在這里已經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)校核。 初選的滿足臨界焊接熱輸入的 2～3 組焊接工藝參數(shù) ,經(jīng)焊接試驗(yàn)最終可確定出

16、最優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)。4 結(jié)論1) 對(duì)于結(jié)構(gòu)過(guò)渡接頭與上層建筑及鋼主船體焊接中所用的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)熱源最高溫度表達(dá)式的正確性被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。2) 界面溫度小于臨界溫度準(zhǔn)則可以通過(guò)計(jì)算臨界焊接熱輸入得到實(shí)現(xiàn)。3) 在滿足臨界焊接熱輸入條件下 ,優(yōu)化匹配焊接工藝參數(shù)。參 考 文 獻(xiàn)1 王承權(quán) ,夏炳仁. 鋁合金上層建筑與鋼主船體的新型焊接過(guò)渡接頭. 船舶工程 ,1999 ,(4)2 Merrem andre′ de la porte . ST

17、RUCT URAL TRANSITIONJ IONTS GENERAL G UIDE LINGES FOR WE LDING. B. V. ,19983 陳國(guó)虞 ,李標(biāo)峰 ,李敬勇. 鋁合金上層建筑與鋼結(jié)構(gòu)的電焊連接. 96′ 中國(guó)國(guó)際船艇及船用技術(shù)設(shè)備展覽會(huì)技術(shù)交流報(bào)告會(huì) ,上海 :1996. 44 Н . О . О κ е р б л о м , Ρ а с ч е тД е ф о р м а ц и ǚМ е т а л