10Ni5CrMoV鋼旋轉(zhuǎn)電弧NG-GMAW穩(wěn)定性與物理冶金研究.pdf

1、10Ni5CrMoV鋼是一種艦船制造用低合金高強(qiáng)鋼，其在大厚度條件下的焊接性問(wèn)題是材料加工學(xué)科研究的熱點(diǎn)之一。旋轉(zhuǎn)電弧NG-GMAW是解決大型結(jié)構(gòu)件厚板焊接問(wèn)題有效方法。論文構(gòu)建了機(jī)器人+兩軸焊接變位器+電弧旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)的窄間隙GMAW試驗(yàn)平臺(tái)，通過(guò)機(jī)器人控制器的協(xié)調(diào)控制，實(shí)現(xiàn)了空間曲線焊縫自動(dòng)跟蹤焊接。論文構(gòu)建了基于PC+DAQ PCI-6023E數(shù)據(jù)采集卡+LabVIEW虛擬儀器的焊接過(guò)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，對(duì)焊接過(guò)程電參數(shù)及電弧、熔滴圖像等

2、進(jìn)行同步采集，用于研究旋轉(zhuǎn)電弧NG-GMAW的電弧行為、焊縫成形特點(diǎn)，本文采用計(jì)算機(jī)模擬、物理模擬、實(shí)驗(yàn)研究和理論分析等相結(jié)合的方法，研究了10Ni5CrMoV鋼焊接接頭組織分布特征及演變規(guī)律和微觀組織與力學(xué)性能相關(guān)性。研究成果不僅具有重要的理論意義，同時(shí)為提升艦船焊接技術(shù)水平，降低成本，縮短生產(chǎn)周期提供了技術(shù)支撐。
　　 論文利用LabVIEW軟件實(shí)時(shí)采集焊接過(guò)程中的焊接電流和電壓波形，分別在U-I平面、時(shí)域和時(shí)頻域上進(jìn)行了分

3、析，揭示了電弧旋轉(zhuǎn)頻率對(duì)焊接過(guò)程穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明：在U-I圖上，電壓、電流變化的幅度越小，三角形面積越小，焊接過(guò)程越穩(wěn)定；三角形線簇的寬度越窄，電弧電壓、電流變化幅度趨于一致，焊接過(guò)程越穩(wěn)定。在頻譜圖上，譜線幅值小、特征譜線數(shù)少，表示弧長(zhǎng)變化不明顯，熔滴過(guò)渡形式保持不變，焊接過(guò)程穩(wěn)定。在時(shí)頻譜上，譜線分布密度低，譜線連續(xù)平滑，表示焊接過(guò)程越穩(wěn)定。由此得知，小滴或射流過(guò)渡條件下焊接過(guò)程的穩(wěn)定性高于大滴過(guò)渡。
　　 構(gòu)建了焊縫

4、成形的量綱分析模型。提出了無(wú)量綱π6=ωγR/V△TCpρH、π7=PCp1.5ρCTWD/△T0.5K2r用以表征旋轉(zhuǎn)電弧NG-GMAW焊縫表面成形，建立了熔池形狀特征方程：熔池寬度=2.4828×10-3×(π6)0.0460×(π7)0.1017
　　 熔池深度=3.7641×10-22×(π6)-0.7139×(π7)1.9783
　　 熔池彎曲深度=2.26609×10-8×(π6)0.0228×(π7)0.6

5、088
　　 利用JMatPro軟件模擬計(jì)算了10Ni5CrMoV鋼和焊材Js80的TTT曲線及CCT曲線，獲得了10Ni5CrMoV鋼材和焊材Js80鐵素體和奧氏體平衡相變時(shí)的溫度A3，珠光體轉(zhuǎn)變溫度A1，馬氏體開始轉(zhuǎn)變溫度Ms及馬氏體轉(zhuǎn)變結(jié)束溫度Mf。通過(guò)模擬計(jì)算預(yù)測(cè)了焊接接頭各區(qū)域組織分布特征及其在不同冷卻速度下的演變規(guī)律，同時(shí)對(duì)其力學(xué)性能進(jìn)行了預(yù)測(cè)。發(fā)現(xiàn)隨冷卻速率的增加HAZ組織轉(zhuǎn)變是按貝氏體+鐵素體→馬氏體+貝氏體+鐵

6、素體→馬氏體+貝氏體+殘余奧氏體規(guī)律而變化的。對(duì)CGHAZ、細(xì)晶區(qū)、兩相區(qū)和回火區(qū)而言，峰值溫度越高的區(qū)域馬氏體的轉(zhuǎn)變趨勢(shì)大。模擬計(jì)算了10Ni5CrMoV鋼材料旋轉(zhuǎn)電弧NG-GMAW接頭的力學(xué)性能。CGHAZ、兩相區(qū)、細(xì)晶區(qū)在不同冷卻速度下，屈服強(qiáng)度基本在708.1～875.6MPa之間。
　　 通過(guò)對(duì)HAZ的熱模擬試驗(yàn)，獲得了10Ni5CrMoV鋼不同熱輸入下組織轉(zhuǎn)變規(guī)律，熱循環(huán)曲線峰值溫度為1350℃，t8/5=10～80

7、s的10Ni5CrMoV鋼CGHAZ微觀組織主要為板條馬氏體組織；隨著t8/5的時(shí)間增加，CGHAZ微觀組織從板條型馬氏體+極少量的針狀馬氏體→板條型馬氏體→板條型馬氏體+粒狀貝氏體→板條型馬氏體+粒狀貝氏體+極少量的晶界鐵素體演變；晶粒尺寸增大，從34.6～37.9um增大到80.5～119.7um，馬氏體板條寬度從1.3～2.4um增大到2.4～3.3um，馬氏體束群尺寸從7.6～18.9um增大到30.2～43.9um。熱模擬試驗(yàn)

8、HAZ組織分布規(guī)律與模擬計(jì)算預(yù)測(cè)相吻合。
　　 采用OM、SEM、TEM等手段，分析了10Ni5CrMoV鋼不同初始溫度下的多層焊接頭的微觀組織、析出相形貌及其分布。結(jié)果表明：工件的初始溫度在25～250℃采用相同的焊接參數(shù)的焊縫，焊縫組織由針狀鐵素體+少量馬氏體轉(zhuǎn)變成針狀鐵素體+粒狀貝氏體，針狀鐵素體長(zhǎng)寬比降低，貝氏體組織有所增加；完全淬火區(qū)均為板條型馬氏體，馬氏體板條的寬度、束群尺寸大小隨初始溫度的增加而增加；不完全淬火區(qū)為

9、馬氏體+少量粒狀貝氏體+回火馬氏體的混合組織，隨著初始溫度的提高粒狀貝氏體量略有增加?；跓崃W(xué)計(jì)算探討了焊縫金屬中針狀鐵素體形成機(jī)制，在旋轉(zhuǎn)電弧NG-GMAW條件下，熔池金屬成分起伏較大，隨著轉(zhuǎn)變溫度的降低，貧碳區(qū)碳原子活度減小，針狀鐵素體的長(zhǎng)大驅(qū)動(dòng)力增大，更加有利于針狀鐵素體的形成。
　　 論文對(duì)10Ni5CrMoV鋼旋轉(zhuǎn)電弧NG-GMAW多層焊焊接接頭進(jìn)行了力學(xué)性能試驗(yàn)，結(jié)果表明：熔合區(qū)是焊接接頭拉伸性能的薄弱環(huán)節(jié)，不同的

10、初始溫度條件下焊接接頭拉伸試件的斷裂位置位于熔合區(qū)處或熔合區(qū)+少量焊縫。工件的初始溫度顯著影響接頭的彎曲性能，初始溫度150℃的焊接試板120°彎曲未發(fā)現(xiàn)裂紋，180°彎曲不斷。而室溫和初始溫度250℃的焊接試板彎曲試驗(yàn)時(shí)均不達(dá)標(biāo)，前者發(fā)生斷裂，后者彎曲時(shí)表面產(chǎn)生裂紋，同時(shí)初始溫度250℃的焊接接頭引起熔合區(qū)晶粒粗大和粒狀貝氏體分解產(chǎn)生M-A組元，導(dǎo)致其.50℃Akv小于27J。旋轉(zhuǎn)電弧NG-GMAW多層焊焊縫硬度數(shù)值從根部焊道往上是逐