10Ni5CrMoV钢旋转电弧NG-GMAW稳定性与物理冶金研究

论文摘要

10Ni5CrMoV钢是一种舰船制造用低合金高强钢,在大厚度条件下的焊接性问题是材料加工学科研究的热点之一。旋转电弧NG-GMAW是解决大型结构件厚板焊接问题有效方法。论文构建了机器人+两轴焊接变位器+电弧旋转驱动的窄间隙GMAW试验平台,通过机器人控制器的协调控制,实现了空间曲线焊缝自动焊接。论文构建了基于PC+ DAQ PCI-6023E数据采集卡+LabVIEW虚拟仪器的焊接过程数据采集系统,对焊接过程电参数及电弧、熔滴图像等进行同步采集,用于研究旋转电弧NG-GMAW的电弧行为、焊缝成形特点。论文采用计算机模拟、物理模拟、实验研究和理论分析相结合的方法,研究了10Ni5CrMoV钢焊接接头组织分布特征及演变规律和微观组织与力学性能相关性。研究成果不仅具有重要的理论意义,同时可为提升舰船焊接制造技术水平,降低成本,缩短生产周期提供技术支撑。论文利用LabVIEW软件实时采集焊接过程中的焊接电流和电压波形,分别在U-I平面、时域和时频域上进行了分析,揭示了电弧旋转频率对焊接过程稳定性的影响。结果表明:在U-I图上,电压、电流变化的幅度越小,三角形面积越小,焊接过程越稳定;三角形线簇的宽度越窄,电弧电压、电流变化幅度趋于一致,焊接过程越稳定。在频谱图上,谱线幅值小、特征谱线数少,表示弧长变化不明显,熔滴过渡形式保持不变,焊接过程稳定。在时频谱上,谱线分布密度低,谱线连续平滑,表示焊接过程越稳定。由此得知,小滴或射流过渡条件下焊接过程的稳定性高于大滴过渡。论文构建了焊缝成形的量纲分析模型。提出了无量纲（?）用以表征旋转电弧NG-GMAW焊缝表面成形,建立了熔池形状特征计算方程:熔池宽度= 2.4828×10-3×（π6）0.0460×（π7）0.1017熔池深度=3.7641×10-22×（π6）-0.7139×（π7）1.9783熔池弯曲深度=2.66.9×10-8×（π6）0.0228×（π7）0.6088。利用JMatPro软件模拟计算了10Ni5CrMoV钢和焊材Js80的TTT曲线及CCT曲线,获得了10Ni5CrMoV钢材和焊材Js80铁素体和奥氏体平衡相变时的温度A3,珠光体转变温度A1,马氏体开始转变温度MS及马氏体转变结束温度Mf。通过模拟计算预测了焊接接头各区域组织分布特征及其在不同冷却速度下的演变规律,同时对其力学性能进行了预测。发现随冷却速率的增加,HAZ组织是按贝氏体+铁素体→马氏体+贝氏体+铁素体→马氏体+贝氏体+残余奥氏体的规律变化的。对CGHAZ、细晶区、两相区和回火区而言,峰值温度越高的区域马氏体的转变趋势大。模拟计算了10Ni5CrMoV钢材料旋转电弧NG-GMAW接头的力学性能。CGHAZ、两相区、细晶区在不同冷却速度下,屈服强度基本在708.1～875.6MPa之间。通过对HAZ的热模拟试验,获得了10Ni5CrMoV钢不同热输入下组织转变规律,热循环曲线峰值温度为1350℃,t8/5=10～80s的10Ni5CrMoV钢CGHAZ微观组织主要为板条马氏体组织;随着t8/5的时间增加,CGHAZ微观组织转变从板条型马氏体+极少量的针状马氏体→板条型马氏体→板条型马氏体+粒状贝氏体→板条型马氏体+粒状贝氏体+极少量的晶界铁素体;晶粒尺寸增大,从34.6～37.9um增大到80.5～119.7um,马氏体板条宽度从1.3～2.4um增大到2.4～3.3um,马氏体束群尺寸从7.6～18.9um增大到30.2～43.9um。热模拟试验HAZ组织分布规律与模拟计算预测相吻合。采用OM、SEM、TEM等手段,分析了10Ni5CrMoV钢不同初始温度下的多层焊接头的微观组织、析出相形貌及其分布。结果表明:工件的初始温度在25～250℃采用相同的焊接参数的焊缝,焊缝组织由针状铁素体+少量马氏体转变成针状铁素体+粒状贝氏体,针状铁素体长宽比降低,贝氏体组织有所增加;完全淬火区均为板条型马氏体,马氏体板条的宽度、束群尺寸大小随初始温度的增加而增加;不完全淬火区为马氏体+少量粒状贝氏体+回火马氏体的混合组织,随着初始温度的提高粒状贝氏体量略有增加。基于热力学计算探讨了焊缝金属中针状铁素体形成机制,在旋转电弧NG-GMAW条件下,熔池金属成分起伏较大,随着转变温度的降低,贫碳区碳原子活度减小,针状铁素体的长大驱动力增大,更加有利于针状铁素体的形成。论文对10Ni5CrMoV钢旋转电弧NG-GMAW多层焊焊接接头进行了力学性能试验,结果表明:熔合区是焊接接头拉伸性能的薄弱环节,不同的初始温度条件下焊接接头拉伸试件的断裂位置位于熔合区处或熔合区+少量焊缝。工件的初始温度显著影响接头的弯曲性能,初始温度150℃的焊接试板120°弯曲未发现裂纹,180°弯曲不断。而初始温度25℃和250℃的焊接试板弯曲试验时均不达标,前者发生断裂,后者弯曲时表面产生裂纹,同时初始250℃的焊接接头引起熔合区晶粒粗大和粒状贝氏体分解产生M-A组元,导致其-50℃Akv小于27J。旋转电弧NG-GMAW多层焊焊缝硬度数值从根部焊道往上是逐渐递增的,其与后一道焊缝对前道焊缝的热作用是有关的。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 课题研究的背景
• 1.2 熔化极窄间隙焊接（NG-GMAW）
• 1.2.1 窄间隙焊接（NGW）的特点
• 1.2.2 NG-GMAW 方法
• 1.2.3 NGW 工艺稳定性研究
• 1.2.4 NGW 参数及其对焊缝成形影响研究
• 1.2.5 NGW 接头形貌的研究
• 1.2.6 NGW 接头力学性能的研究
• 1.3 10Ni5CrMoV 的焊接性研究
• 1.4 研究内容和研究意义
• 1.4.1 10Ni5CrMoV 高强钢NG-GMAW 工艺性的研究
• 1.4.2 研究10Ni5CrMoV 钢非平衡态下焊接接头微观组织分布及其演变规律
• 第二章 实验材料、方法及设备
• 2.1 旋转电弧NG-GMAW 实验系统
• 2.1.1 NB-500 直流弧机
• 2.1.2 窄间隙电弧焊焊枪
• 2.1.3 机器人焊接平台
• 2.1.4 系统控制
• 2.2 实验材料及测试设备
• 2.2.1 试验材料及微观组织
• 2.2.2 焊接过程信息采集
• 2.3 焊接热模拟试验及设备
• 2.3.1 试样制备
• 2.3.2 热模拟试验参数选择
• 2.4 旋转电弧NG-GMAW 试验
• 2.5 焊接接头性能检测
• 2.5.1 光学显微镜观查
• 2.5.2 SEM （JSM-6460）
• 2.5.3 TEM（JEM-2100）
• 2.5.4 焊接接头力学性能试验
• 2.6 本章小结
• 第三章 10Ni5CrMoV 旋转电弧 NG-GMAW 过程稳定性分析
• 3.1 旋转电弧电参数特征
• 3.1.1 数字滤波
• 3.1.2 U-I 图分析
• 3.1.3 频域分析
• 3.1.4 时频分析
• 3.2 本章小结
• 第四章 旋转电弧NG-GMAW焊缝表面成形量纲分析
• 4.1 焊接熔池形状与工艺参数的影响
• 4.1.1 焊接熔池形状
• 4.1.2 工艺参数的影响
• 4.1.3 熔池液体金属流动的影响
• 4.2 焊缝表面成形的量纲分析
• 4.2.1 量纲分析布汉金原理
• 4.2.2 焊接熔池流动模拟分析无量纲
• 4.2.3 焊缝成形评级
• 4.2.4 焊缝表面成形的变量选择
• 4.3 本章小结
• 第五章 10Ni5CrMoV 钢焊接接头组织模拟计算
• 5.1 TTT 及CCT 的计算机模拟
• 5.1.1 计算机模拟
• 5.1.2 粗晶区（CGHAZ）
• 5.1.3 细晶区
• 5.1.4 两相区
• 5.1.5 回火区
• 5.2 本章小结
• 第六章 10Ni5CrMoV 钢焊接HAZ 组织热模拟
• 6.1 焊接热模拟程序设计
• 6.2 不同焊接热输入的CGHAZ 和HAZ 的微观组织分析
• 6.2.1 不同焊接热输入对10Ni5CrMoV 钢CGHAZ 微观组织影响研究
• 6.2.2 不同焊接峰值温度对10Ni5CrMoV 钢HAZ 微观组织影响研究
• 6.2.3 热模拟试样TEM 分析
• 6.3 HAZ 的性能研究
• 6.3.1 拉伸性能
• 6.3.2 冲击韧性
• 6.4 本章小结
• 第七章 旋转电弧NG-GMAW接头微观组织特征
• 7.1 接头特征区划分
• 7.1.1 焊缝区
• 7.1.2 焊接HAZ
• 7.2 焊缝TEM
• 7.2.1 焊缝TEM 形貌
• 7.2.2 焊缝析出物TEM 分析
• 7.2.3 焊缝位错分析
• 7.3 焊缝区热力学计算
• 7.3.1 Fe-C 合金相中元素活度计算
• 7.3.2 焊缝针状铁素体相变驱动力计算
• 7.4 本章小结
• 第八章 10Ni5CrMoV 旋转电弧NG-GMAW接头力学性能分析
• 8.1 多层焊焊接工艺
• 8.2 强度
• 8.3 弯曲性能
• 8.4 韧性
• 8.5 硬度
• 8.6 本章小结
• 第九章 结论及创新点
• 参考文献
• 攻读博士学位期间已发表或录用的论文
• 致谢
• 上海交通大学学位论文答辩决议书