Ce合金化下FAB法埋弧焊縫組織與性能研究.pdf

1、FAB(flux aided backing)法埋弧焊是一種利用背面陶質(zhì)襯墊獲得雙面成形的單面焊接方法，具有生產(chǎn)效率高、裝配簡單、焊縫成形質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于船舶建造、海洋平臺、大型儲罐等領(lǐng)域鋼結(jié)構(gòu)的焊接制造中。在焊接過程中，F(xiàn)AB法埋弧焊的焊接熱輸入通常在50 kJ/cm以上，使得焊接熔池高溫停留時間較長，焊縫中生成大量先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體，從而降低焊縫金屬強(qiáng)韌性，導(dǎo)致焊縫金屬性能無法滿足使用要求。由此，如何降低大熱輸入下F

2、AB法埋弧焊縫中先共析鐵素體和側(cè)板條鐵素體生成量，提高焊縫金屬的強(qiáng)韌性成為亟需解決的問題。針對這一問題本文研究了Ce合金化下FAB焊縫金屬的組織及性能，取得的研究成果如下：
　　使用田口法設(shè)計(jì)正交試驗(yàn)，分析討論了DH36低合金高強(qiáng)鋼FAB法埋弧焊中焊接電流、焊接電壓、焊接速度及焊絲干伸長四個工藝參數(shù)對焊縫成形質(zhì)量的影響，建立了FAB法埋弧焊接工藝參數(shù)與焊縫成形質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型，優(yōu)化得出了最優(yōu)工藝參數(shù)組合。通過信噪比(S/N)分析和方

3、差分析(ANOVA)得出，各因素對FAB焊縫成形質(zhì)量影響程度排序?yàn)椋汉附与娏鱅>干伸長L>焊接速度v>焊接電壓U。FAB法焊接20mm厚DH36低合金高強(qiáng)鋼時，最佳工藝參數(shù)組合為：焊接電流I=1010A，焊接電壓U=32V，焊接速度v=23cm/min，干伸長L=35mm。
　　對不同厚度DH36鋼板進(jìn)行FAB焊接工藝試驗(yàn)，分析了純Fe粉條件下不同焊接熱輸入量對FAB法埋弧焊接接頭微觀組織及力學(xué)性能的影響。8mm、12mm、15m

4、m和20mm厚的FAB焊接接頭焊縫組織都主要由先共析鐵素體(GBF)、側(cè)板條鐵素體(FSP)和針狀鐵素體(AF)構(gòu)成。隨著焊接熱輸入量增加，晶粒尺寸變大，焊縫中AF含量減少，GBF和FSP含量增加。粗晶熱影響區(qū)組織是粗大的奧氏體晶粒，晶內(nèi)有大量細(xì)小板條狀的貝氏體鐵素體，細(xì)晶熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體，并有少量細(xì)小貝氏體鐵素體。FAB法埋弧焊接20mm厚DH36鋼板時，熱輸入量最大，焊接接頭的室溫拉伸性能、-20℃沖擊功、彎曲性能均無法

5、滿足使用要求。試驗(yàn)測定的焊接熱影響區(qū)不同區(qū)域的熱循環(huán)曲線表明，隨著熱輸入增大，高溫停留時間和冷卻速率均有較大幅度增加。
　　研究了稀土Ce元素對FAB法埋弧焊縫金屬的組織與性能的影響。在FAB埋弧焊劑中加入不同含量CeO2粉，稀土Ce能夠過渡到焊縫金屬中對夾雜物進(jìn)行改性，使夾雜物由Al2O3、SiO2、Ti2O3和MnS的復(fù)合物轉(zhuǎn)變?yōu)锳l2O3、SiO2、Ti2O3、MnS、Ce2O2S及CeS的復(fù)合物。稀土Ce的加入使焊縫金屬中

6、直徑小于1.0μm的夾雜物比例明顯增加，細(xì)小的夾雜物增加了焊縫中誘導(dǎo)AF的形核質(zhì)點(diǎn)。含Ce夾雜物表層的Ce2O2S和CeS與α-Fe的錯配度小是誘導(dǎo)AF形核的主要機(jī)理。Ce元素提高了焊縫中AF比例，降低了GBF和FSP比例，顯著提高了FAB焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度、延伸率和低溫沖擊性能。當(dāng)焊劑中CeO2含量為3.0wt.％時，夾雜物密度最大，AF比例高達(dá)76%，F(xiàn)AB焊縫金屬的抗拉強(qiáng)度高達(dá)582MPa，延伸率為24%，-20℃的V型缺口沖擊功

7、高達(dá)142J。
　　對FAB焊接熔池中含Ce夾雜物的析出條件及存在形式進(jìn)行熱力學(xué)計(jì)算。在焊接熔池中，O、S元素同時存在時，Ce總是先進(jìn)行脫氧反應(yīng)，Ce的脫氧產(chǎn)物僅有Ce2O3。Ce與S元素生成CeS還是Ce2S3取決于S元素的活度大小。當(dāng)a[O]>0.13，a[S]/a2[O]<97.72時，生成夾雜物是CeO2。a[O]<0.13，a[S]/a[O]<12.59時，生成夾雜物是Ce2O3；當(dāng)a[O]<0.13，12.59