厚板高强钢双面双弧高效焊冷裂机理及预测控制研究

通过建立双面双弧焊(DSAW)新方法，获得了DSAW的电弧形态、熔池流动、氢扩散、温度场、应力场及组织等规律；创新设计了大厚板单双弧焊冷裂纹拘束试验方法，探究DSAW的氢扩散行为及冷裂纹形成机制；建立双弧多道焊热力耦合分析模型，研究弧间距、焊接参数、预热和层间温度等参数对热循环和应力的影响规律；构建了双面双弧焊临界开裂预热/层间温度的知识建模方法和预测模型，实现厚板高强钢双弧焊的低预热温度甚至不预热焊接。 2100433B

控制焊接冷裂纹和提高焊接效率是厚板高强钢结构制造最为关注的指标之一。本项目试图探索一种双面双弧焊（DSAW）的厚板高强钢高效、不预热焊接新方法。主要研究内容：建立双面双手工电弧焊（DSD-SMAW）、双面双药芯焊丝气体保护焊（DSD-FCAW）和双面双气体保护焊(DSD-GMAW)新方法，探究其热物理特性（电弧形态、熔池流动、氢扩散、温度场、应力场及组织等）；建立适合单双弧焊冷裂纹拘束试验方法，探究DSAW的氢扩散行为及冷裂纹形成机制；建立双弧多道焊热力耦合分析模型，研究弧间距、焊接参数、预热和层间温度等参数对热循环和应力的影响规律；结合Frick氢扩散理论建立扩散氢含量及分布模型；运用粗糙集理论给出基于扩散氢含量、硬度和残余应力等多信息关联的双面双弧焊临界开裂预热/层间温度的知识建模方法和预测模型。为解决厚板高强钢焊接效率和冷裂纹预测控制等难题提供有价值的科学方法和技术实现途径。

冷龟裂

在较低温度下形成的裂纹。

冷裂的形状特征是

裂纹细小、呈连续直线状，有时缝内呈轻微氧化色。

冷裂是由于铸件中应力超出合金的强度极限而产生的。冷裂往往出现在铸件受拉伸的部位，特别是有应力集中的部位和有铸造缺陷的部位。影响冷裂的因素与影响铸造应力的因素基本是一致的。

合金的成分和熔炼质量对冷裂有重要影响。例如，钢中的碳、铬和锰等元素，虽能提高钢的强度，却降低了钢的导热性能，因而当这些元素较多时，就会增大钢的冷裂倾向。增加磷会导致钢的冷脆性增强，磷的质量分数大于0．1%时，其冲击韧性急剧下降，冷裂倾向明显增大。钢液脱氧不足时，氧化夹杂物聚集在晶界上，会降低钢的冲击韧性和强度，促使冷裂的形成。铸件中非金属夹杂物增多时，冷裂的倾向性也增大。

铸件的组织和塑性对冷裂也有很大影响。如低碳镍铬耐酸不锈钢和高锰钢都是奥氏体钢，且都容易产生很大的热应力，但是镍铬耐酸钢不易产生冷裂，而高锰钢却极易产生冷裂，这是因为低碳奥氏体钢具有低的屈服极限和高的塑性，铸造应力往往很快就超过屈服极限，使铸件发生塑性变形；高锰钢的含碳量偏高，铸件冷却时，在奥氏体晶界上析出脆性碳化物，严重降低了塑性，易形成冷裂。

断弧焊法是通过控制电弧的不断燃烧和灭弧的时间以及运条动作来控制熔池形状、熔池温度以及熔池中液态金属厚度的一种单面焊双面成形技术。断弧焊法的背面成形机理主要是靠电弧的穿透力和熔池的表面张力及电磁收缩力。当电弧穿透坡口间隙后熔化坡口两侧和前一个熔池，从而形成一个新的熔池，通过熄弧和熔池的表面张力来控制熔池温度、形状和位置。由于这种方法使熔池前方出现一个大于坡口间隙的熔孔，渣气均能有效地保证正、背面焊缝熔池。

断弧焊的操作方法有一点法和两点法两种，现简述如下。

单面焊双面成形操作技术两点法

两点法的操作要点：先在焊件端前方约10～15mm处的坡口面上引弧，然后将电弧拉回至始焊处稍加摆动，对焊件进行1～2s的预热。当坡口根部产生“汗珠”时，立即将电弧压低约1～1.5s后，可听到电弧穿透坡口而发出的“噗”声，看到定位焊缝以及相接的两侧坡口面的金属开始熔化，并形成第一个熔池。当金属尚未完全凝固，熔化中心还处于半熔化状态，护目镜下呈黄亮颜色时，重新引燃电弧，并在该熔池前方接近钝边的坡口面上，以一定的焊条倾角击穿焊件根部，击穿时先以短弧对焊件根部加热1～1.5s，然后再迅速将焊条朝焊接方向挑划。当听到焊件被焊条击穿的“噗”声时（说明已形成第一个熔孔），应快速使一定长的弧柱带着熔滴穿过熔孔，使其与熔化金属分别形成背面与正面焊道熔池，此时要迅速抬起灭弧，动作如稍有迟缓，可能会造成根部烧穿。约1s后，当上述熔池还未完全凝固，尚有比所用焊条直径稍大的黄亮光电时，快速引燃电弧并在第一个熔池右前方进行击穿焊。然后继续按上述方法施焊，便可完成两点法单面焊双面成形的焊缝。

单面焊双面成形操作技术一点法

一点法的操作要点：一点法建立与第一个熔池的方法相同。施焊时应使电弧同时熔化焊件坡口听两侧钝边，听到“噗”声后，果断灭弧。为防止一点击穿焊接过程中产生缩孔，应使灭弧频率保持在50～60次/min。