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《北京交通大学》 2017年
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HG785D调质高强钢焊接特性及组织性能研究

张强  
【摘要】:调质高强钢HG785D由于具有低膨胀系数、高强度以及可焊接等优点,广泛应用于工程机械、压力容器、机车制造等行业中。由于该钢种母材金属中含碳量较高,若焊接工艺选用不当,易产生裂纹、过热区的脆化以及热影响区软化等缺陷。为此,开发适合调质高强钢的焊接技术尤为重要。本文以10 mm厚的调质高强钢HG785D为研究对象,分别采用熔化极活性气体保护焊(MAG焊)、电子束焊,激光-MAG复合焊三种典型焊接方法对HG785D进行焊接,研究了焊接过程中的熔滴过渡行为,对比分析了不同焊接工艺下的组织特征及力学行为。在弧焊研究方面,通过对弧焊的熔滴过渡过程进行分析,确定了焊接电流和焊速对HG785D钢弧焊的熔滴过渡影响规律。在优化焊接工艺参数的基础上,利用EBSD等测试手段分析了接头各区域的组织特征以及演变规律。随后,对接头各区域进行力学性能评价,并分析了接头的残余应力分布。结果表明:熔滴过渡的稳定性在于在熔滴未进入熔池之前实现滴状过渡。焊接速度对电弧稳定性影响较大,速度越快,熔滴过渡不稳定,容易发生爆断和飞溅。焊缝处细长的针状铁素体与小尺寸粒状贝氏体交错分布,其平均有效晶粒尺寸与细晶区相差较小,可以提高冲击韧性。此外,焊缝处大角度晶界所占比例明显偏高,可有效阻止裂纹的扩展。热影响区、焊缝区、母材在-20℃的冲击功平均值为83.6 J,110.2 J,113 J,母材及焊缝区冲击性能明显优于热影响区。通过比较三个区域的硬度得出热影响区硬度母材硬度焊缝区硬度。接头断裂于母材,焊丝与母材的匹配效果较好。残余应力分析发现,横向残余应力距焊缝中心约60 mm时应力值基本降至0 MPa,纵向残余应力距焊缝中心约40 mm处由拉应力变为压应力,压应力最大值可达60 MPa。为了分析高强钢在不开坡口零间隙时的焊接可行性,采用电子束焊接方法,考察厚板高强钢在快速加热冷却条件下,接头组织的演变过程及其对性能的影响。结果表明,热输入影响接头熔深的大小,过大的热输入(束流)虽能获得全熔透的焊缝,但由于不添加焊丝,易造成咬边缺陷。接头的组织形貌与弧焊明显不同:焊缝区组织主要为粗大的板条马氏体和少量的针状铁素体,热影响区组织为回火索氏体和马氏体。晶粒尺寸上,焊缝大于热影响区。大尺寸晶粒所占比重要高于热影响区。焊缝的硬度高于热影响区,而热影响区的抗拉强度和冲击韧性均好于焊缝金属。接头的最大强度达869 MPa,为母材98.8%。断口显示优化参数下的接头断口为均一的韧窝,非优化参数下的断口则呈现平整特征,主要为准解理断裂和较浅的韧窝。利用电子束在不开坡口零间隙条件下可以实现HG785D厚板的可靠焊接,这表明HG785D高强钢对于高能束焊接具有较好的工艺适应性和可行性。因此,随后开展了目前应用潜力较大的激光-电弧复合焊接技术。研究结果表明,在熔滴过渡特性方面,不同能量配比和光丝间距影响到熔滴过渡的稳定。当激光和电弧的能量接近1:1时,相互耦合较好,能形成稳定过渡。在不同的坡口设计中,利用合适的热输入获得外观成形无缺陷的接头,均能保证接头断在母材,不同钝边厚度对接头的性能影响较小。在大钝边少填充的理念下,获得优化工艺参数:8 mm钝边时,激光功率4500~5000 W,送丝量8~8.5 m/min,电压28 V,焊接速度1 m/min,间隙0.7 mm可获得较好的复合焊接头。电弧作用区和激光作用区,两者由于加热和冷却速度的不同造成组织差异很大。温度场的计算结果进一步揭示了上部电弧作用区和下部激光作用区的热循环差异,为合理解释组织的形成提供了理论依据。为揭示上述单电弧MAG焊和激光-电弧焊接的本质区别,运用等离子体光谱分析技术,对单电弧焊接和激光复合焊接中等离子体的热力学状态参数进行观测和比较,获取不同参数下光致等离子体的电子温度与电子密度的变化规律,从而揭示两种焊接方法的本质区别。结果显示,在谱线相对辐射强度方面,复合焊产生的光谱基本与单电弧的类似,无新特征谱线产生。复合焊过程中随着激光功率和电弧能量的减少,光强下降。在等离子体电子温度方面,当激光功率较高时,复合焊产生的电子温度高于MAG焊,且复合焊产生的电子温度与激光功率、电弧能量成正比。当激光功率较低时,复合焊会引起电子温度的降低,甚至产生的电子温度将低于电弧焊自身产生的电子温度。在等离子体的电子密度方面,电子密度随激光功率的减少而先下降后上升。
【学位授予单位】:北京交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:U466

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