基于热功率的焊接热输入分配及稀释率预测

【目的】热输入Q_(HI)仅简单描述了焊接能量的来源与大小,没有阐明焊缝与母材吸收的热量如何分配的不足。【方法】该文利用基于填充金属量提出的热功率PPR概念,通过焊缝尺寸测量,JmatPro与公式计算等手段,实现了焊接热输入分配及稀释率进行的预测。【结果】基于P_(PR)可实现对熔化母材面积A_(mb)的预测,其曲线变化可分为渐增区、快增区、缓增区3个阶段。结合JmatPro计算的材料体积比热容与A_(mb)预测公式,可将不同PPR下的有效焊接热输入Q_(e)进行细分,发现在可焊区形成焊缝的热输入只占其31.77%~34.69%。【结论】提出了基于P_(PR)的焊缝面积百分比稀释率δ预测公式,并给出可焊区的焊接热功率为12.69~47.88 kW/cm^(2),稀释率为48.28%~85.03%。

硼化物强化铁基堆焊合金组织与性能的研究

采用等离子弧堆焊技术在Q235钢基体上制备四组不同B质量分数的Fe-B-Ti-C堆焊合金,分析不同B含量对合金堆焊层的硬质相形态和数量及其性能的影响规律。利用扫描电镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)和维氏硬度计对各堆焊层显微组织和硬度进行测试。结果表明:Fe-B-Ti-C堆焊合金组织由奥氏体(γ)、马氏体(M)、Fe_(23)(C,B)_(6)、Ti(C,B)和Fe_(2)B相构成。随着B含量的增多,堆焊层组织由亚共晶向共晶及过共晶转变,共晶硼化物的形态由蜂窝状向层片状及菊花状转变,且共晶硼化物和Ti(C,B)碳化物的数量也逐渐增多。当B质量分数为7.1%时,过共晶组织中出现大量块状脆性Fe_(2)B初生相,引发了焊接后堆焊层内部裂纹。随着B质量分数的增加,堆焊层表层的显微硬度平均值不断提高,当B质量分数为4.7%时,合金堆焊层顶端显微硬度平均值最高,达到991 HV0.2。

电弧摆动对管堆焊温度场及微观组织的影响

为掌握电弧摆动对管堆焊过程的影响,采用焊接仿真与工艺试验两种方式对比电弧摆动和不摆动操作的温度场、残余应力及焊接变形并进行了金相分析。首先,基于有限元分析软件Abaqus,采用热弹塑性有限元法建立焊接过程有限元模型,对摆动焊与常规无摆动焊的温度场进行模拟,并分析熔池的演变过程及温度场分布、热循环曲线等特征。结果表明:摆动焊温度分布云图呈拉长状态,其熔池形状相较于不摆动焊的椭圆形更接近波浪形,摆动焊的温度场更均匀、残余应力更低,可提高焊缝等轴晶比例,细化晶粒,改善焊缝显微硬度。其次,通过金相分析对比了摆动焊与不摆动焊的显微组织,结果表明,摆动焊能够提高焊缝等轴晶的比例和焊缝显微硬度。

层间温度对CMT电弧增材制造2Cr13不锈钢薄壁件成形及组织和性能影响

该文利用冷金属过渡(Cold metal transfer,CMT)技术,使用电弧丝材增材制造系统制造2Cr13马氏体不锈钢单道多层薄壁试样,并研究了不同层间温度(100℃,150℃和200℃)对薄壁试样表面成形,微观组织和力学性能的影响。研究结果表明,较高的层间温度会使得薄壁成形件整体温度升高,散热状况变差,熔池高温存在时间增长,熔融金属流动性增强,最终导致成形件表面变差甚至塌陷。成形件中部组织在经历反复加热和冷却过程后,主要由极为细长的板条马氏体组成,并伴有少量铁素体以及沿铁素体晶界析出的碳化物。靠近重熔区位置由于熔池的热作用会导致马氏体组织过热而发生相变,形成密集的铁素体。随着层间温度减小,成形件晶粒尺寸和分布更为细小均匀;另外,弥散分布在铁素体晶界上的碳化物阻碍位错运动,两者的共同作用使得显微硬度和抗拉强度随层间温度降低而升高,同时拉伸试样的断后伸长率也随之增大。拉伸断裂形式均为韧性断裂,随着层间温度的减小,同取样方向上拉伸试样断口尺寸越来越大,韧窝也越来越深。

等离子弧熔覆Fe-C-B-V系耐磨堆焊层的组织及性能研究

以硼铁、高碳铬铁、钒铁为原料,采用等离子弧熔覆技术在Q345钢表面堆焊Fe-C-B-V系铁基合金。使用金相显微镜、扫描电镜和X射线衍射仪等研究了堆焊层的显微组织;分别使用维氏硬度计和冲击试验机测量堆焊层的显微硬度和冲击韧性。结果表明,堆焊层显微组织主要由马氏体、网格状Fe_(3)(C,B)和Fe_(2)B、弥散分布的碳化物及硼化物等(如VB_(2)、VC、Cr_(2)B)硬质相构成;堆焊层的平均硬度高达904.58 HV10、冲击功为68.5 J。堆焊过程中形成的硼化物、碳化物作为硬质相提高了堆焊层的硬度和耐磨性,形成的碳化钒使组织从鱼骨状变成网格状,细化了晶粒,提高了堆焊层的冲击韧性。

自适应分流交替电弧WAAM电弧行为与熔滴过渡

传统电弧由于热输入高、熔覆率低,无法直接应用于电弧熔丝增材制造(wire and arc additive manufacturing,WAAM)技术.该文提出极性变换自适应分流交替电弧WAAM工艺方法,在钨电极,工件和丝材间形成交替电弧.根据EN/EP电流转换时自适应分流并主动诱导交替电弧形成.该新型热源能满足以丝材阳极-钨电极阴极的EN电弧熔化丝材;以钨电极阳极-工件阴极的EP电弧清理工件,并通过适当的调节实现电弧热质力传输的受控解耦.验证了该新型热源的适用性,并对比分析了焊接速度和丝材高度下对电弧行为及熔滴过渡的影响.结果表明,当焊接速度为5.7 mm/s和丝材高度为8 mm时,沉积层形貌较好且熔滴过渡规律;与传统变极性等离子电弧(variable polarity plasma arc,VPPA)熔丝增材制造技术相比,其自适应分流交替电弧显著提高了丝材的沉积效率且降低了母材热输入,较好的兼顾了增材质量与增材效率.

微量TiC粉末合金化改善电弧增材制造Ti-6Al-4V合金的组织和性能

原位合金化是调控增材制造钛合金微观组织和力学性能的有效方法,文中研究了添加微量TiC粉末对电弧增材制造Ti-6Al-4V合金微观组织和力学性能的影响.结果表明,添加微量TiC粉末后,Ti-6Al-4V合金中的柱状β晶粒尺寸减小,α-Ti相细化,微观组织为精细的网篮组织,抗拉强度和断后伸长率达到了1029 MPa和14.8%,分别提高了12.8%和26.5%,实现了电弧增材制造Ti-6Al-4V合金强度和塑性的协同改善.同时,沉积合金的显微硬度提高至362.9HV,相比Ti-6Al-4V合金提高了11.4%.通过电子背散射衍射(electron backscatter diffraction,EBSD)分析得出,TiC粉末的添加降低了沉积合金的织构强度,增加α-Ti相的取向.添加微量TiC粉末后,Ti-6Al-4V合金力学性能的提高主要归因于细晶强化和固溶强化效应,其中细晶强化是主要的强化机制.对比分析两种沉积合金的拉伸试样断口得出,Ti-6Al-4V合金的断口形貌呈现出塑性-脆性混合断裂,添加质量分数0.5%TiC粉末后,断口形貌呈现出塑性断裂.证实了TiC粉末作为电弧增材制造Ti-6Al-4V合金晶粒细化剂的潜力.

热处理对等离子熔覆Fe-Mo-Cr-Ni-B合金覆层组织及耐磨性能的影响

采用等离子熔覆技术在H13合金钢表面熔覆Fe-Mo-Cr-Ni-B合金,利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)配合能谱仪(EDS)、X射线衍射仪(XRD)、显微硬度计以及多功能摩擦磨损试验机,对热处理前后熔覆层的组织结构、硬度和耐磨性进行分析。结果表明,Fe-Mo-Cr-Ni-B合金覆层主要由α-Fe、Mo_(2)FeB_(2)、(Mo,Fe,Cr)_(3)B_(2)和Fe_(23)(B,C)_(6)相组成;熔覆层磨损以Mo_(2)FeB_(2)硬质相的脆性剥落为主;在1000℃温度热处理后,熔覆层平均硬度达到1061HV_(0.5),相比于焊态提高了28.3%,耐磨性相比于焊态提升了42.0%。合金覆层硬度提升和耐磨性的改善可以归因于高温热处理导致的碳化物共晶组织消失、Mo_(2)FeB_(2)硬质相增多以及黏结相强度增加。

高铬铸铁叶片堆焊工艺研究进展

高铬铸铁因良好的耐磨损、强度、韧性及抗高温、耐腐蚀性能,常被应用于抛丸机叶片、大型挖泥泵叶轮、水泥球磨机耐磨衬板等受磨损冲击的器件,通常采用堆焊工艺对高铬铸铁工件的磨损表面进行修复,以延长其使用寿命,降低制造新工件时产生的资源消耗。本文综述了高铬铸铁叶片堆焊过程中焊接电流、层间温度、冷却条件等工艺参数对高铬铸铁堆焊层组织结构、晶粒大小的影响,讨论了钒、钛、铌、稀土纳米颗粒等合金粉末及由合金粉末制成的药芯焊丝对高铬铸铁堆焊层组织成分、组织结构的影响,对比了现有传统堆焊工艺缺陷,指出了堆焊加工工艺未来发展的方向。

铸造低合金钢回火焊道技术适用性判别分析

回火焊道技术是通过第二层焊道的热循环来改善第一层焊道的组织和性能的焊接技术,但目前尚无明确标准规定其适用范围。以A217 WC6和A217 WC9钢为对象,采用Gleeble热模拟试验判断二次回火对两种铸造低合金钢性能的影响规律,进而用回火焊道技术制造焊接试样,进行焊态、热处理态下的组织和性能对比试验。试验结果表明,A217 WC6钢在一次高温热循环后,冲击功从70 J提升至126 J,硬度值从154 HV10增至375 HV10。二次热循环后,A217 WC6钢的硬度整体降低,回火峰值温度对其性能有显著影响。相比之下,A217 WC9钢的冲击功从77 J降至52 J,硬度值从182 HV10增至364 HV10,二次热循环对其性能影响不显著。焊接试样的性能和硬度变化趋势与Gleeble热模拟试验一致。由此得到结论:Gleeble热模拟试验可以判断钢种是否适用于回火焊道技术;A217 WC6钢较A217 WC9钢更适合采用回火焊道技术进行修复。

TiC对亚共晶高铬铸铁堆焊合金组织及磨损性能的影响

农机触土部件在作业过程中会受到土壤中沙石、杂草、植物的秸秆、根茬及其他有机质物体的磨损和冲击,极易发生失效报废。为解决农机触土部件耐磨性差、使用寿命短等问题,采用药芯焊丝电弧焊的方法在Q235钢基体上进行堆焊,制备含TiC的亚共晶高铬铸铁堆焊耐磨层。通过金相显微镜、洛氏硬度计、X射线衍射仪(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、MLS-225型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机和自制叶轮-滚筒冲击磨损试验装置,分析原位合成TiC和粉芯中直接添加TiC两种方法对亚共晶高铬铸铁堆焊合金微观组织、硬度、抗磨粒磨损性能及抗冲击磨损性能的影响。结果表明:耐磨堆焊合金主要由γ-Fe、α-Fe、M_(7)C_(3)和TiC组成,TiC的加入细化了组织中的先析出奥氏体,使得堆焊层宏观硬度增加,磨粒磨损后共晶碳化物的开裂和剥落现象减少,冲击磨损表面材料的脱落减少,磨损失重降低。TiC可以显著提高堆焊合金的抗磨粒磨损性能和抗冲击磨损性能,其中原位合成方式添加TiC的堆焊层性能更加优异,可为TiC在农机触土部件耐磨涂层中的研究和应用提供参考。

铁镍基合金HT700P焊接接头力学性能和微观组织研究

采用机械TIG焊方法对铁镍基合金HT700P大口径管的环缝焊接,焊后进行稳定化热处理(980℃/3 h/AC)和无损检测(100%PT+100%RT+100%PAUT),合格后对焊接接头进行拉伸强度、弯曲、硬度性能、冲击、高温持久性能和微观金相组织试验。试验结果表明:焊接接头室温抗拉强度、屈服强度高于HT700P母材的下限值,弯曲试验合格。焊接接头中母材和热影响区的硬度明显大于焊缝,母材和热影响区硬度无明显差别。焊缝的室温冲击平均值为160.7 J,热影响区的室温冲击平均值为102.3 J,均高于HT700P母材的下限值。焊接接头105小时持久断裂强度为138.3 MPa。焊接接头宏观和微观金相组织检验合格,焊缝金相组织均为奥氏体,不存在TCP等有害相的析出。

航空发动机叶片微束等离子堆焊转角焊缝模型研究

航空发动机叶片修复时,将受损部位切除后在新平面上进行多层多道焊接,在焊缝转角区域特别是转角点,因焊接工艺难以匹配导致过多熔滴进入熔池增加了焊缝熔高与熔宽,造成焊缝凸起,影响焊接质量。针对微束等离子焊接叶片转角区域焊缝的这种特征,建立了转角区域焊缝模型。首先利用抛物线曲线拟合建立了单道焊缝模型,并通过实验验证该模型能准确地表征单缝外形轮廓。然后提出了一种双焊缝转角重叠的焊缝成型模型。实验表明,采用该转角焊缝模型能够极大地降低转角区域焊缝的凸起,能满足航空发动机叶片修复精度的要求。

00Cr13Ni5Mo不锈钢四钨极耦合电弧双丝增材制造工艺

为解决现有基于GTA热源增材制造工艺存在的熔覆效率较低、焊接效率较低的突出问题,该文提出一种四钨极耦合电弧双丝增材制造工艺,并通过控制变量的试验方法研究熔覆电流、行走速度与送丝速度对单层单道沉积层成形质量的影响。结果表明,熔池面积的波动与电弧压力是四钨极热源单道沉积层出现单道沉积层不连续、咬边等缺陷的主要原因,在保证成形质量的前提下,四钨极热源最大行走速度为400 mm/min、最大送丝速度为12 m/min、熔覆效率为6.24 kg/h,沉积件微观组织由回火索氏体、逆变奥氏体及碳化物组成,沉积件冲击吸收能量达到208 J,为MAG热源的2.5倍。综上所述,四钨极耦合电弧双丝增材制造工艺可以在保证优良冲击性能的前提下显著解决GTA热源增材制造工艺存在的熔覆效率较低、焊接效率较低的问题。

高锰钢表面耐磨蚀镀层研究

研究了不同化学镀工艺对高锰钢镀层组织和性能的影响。得出化学镀Ni-P的最佳参数为:NiSO_(4)·6H_(2)O质量浓度30 g/L;NaH_(2)PO_(2)·H_(2)O质量浓度35 g/L;pH值4.7。非晶态Ni-P镀层致密,厚度约25μm。镀层硬度由330 HV提高到600 HV以上,磨损体积减少。镀层的腐蚀电流密度从基体的8.51 mA/cm^(2)降低到1.82 mA/cm^(2)。镀层明显提高了高锰钢基体的表面硬度、耐磨性能和耐腐蚀性能。

B含量对Fe-Cr-C系堆焊合金组织结构及耐磨性的影响

为了进一步提高Fe-Cr-C系堆焊合金的耐磨性,采用等离子粉末堆焊技术,通过调整堆焊合金粉体中硼铁粉的添加量,在Q235钢表面制备不同B含量的Fe-Cr-C耐磨堆焊合金层,并采用X射线衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、能谱(EDS)及磨粒磨损试验等分析测试方法,探究B添加量对Fe-Cr-C系堆焊合金组织结构、物相组成及耐磨性的影响。结果表明:当B添加量(以硼铁粉计,下同)为0时,堆焊合金的组织由树枝晶状Fe和菊花状(Fe,Cr)_(7)C_(3)+Fe共晶组织组成。随着B添加量的增加,堆焊层中(Fe,Cr)_(7)(C,B)_(3)硬质相的体积分数增加。(Fe,Cr)_(7)(C,B)_(3)相的析出量达到一定值后,初晶B_(0.7)Fe_(3)C_(0.3)相生成。当B添加量为20.0%时,(Fe,Cr)_(2)B硬质相大量析出。堆焊层的硬度整体呈现上升-陡降-上升的趋势,B-10试样的硬度达到63.1 HRC。磨粒磨损试验结果显示,堆焊合金层耐磨性呈现上升-平缓-上升的趋势,B-20试样的耐磨性增至B-0试样的2.8倍。

GTAW自激发超声工艺对AISI 316不锈钢堆焊层的有效性分析

通过自行搭建GTAW自激发超声波焊接试验平台,研究了电弧自激发超声工艺对AISI316不锈钢堆焊层的有效性。结果表明,电弧图像和声压两方面的测试均反映出所搭建平台的工作性能和自激发超声波工艺的有效性,可在无需添加额外设备的情况下实现焊缝的晶粒细化。当超声频率为60 kHz,振幅电流为10 A时,焊缝熔深可增深59.67%,熔宽可缩小30.14%。对于AISI 316不锈钢堆焊层工件熔池系统而言,40~60 kHz接近其固有频率,更有利于通过抑制枝晶生长获得细化的晶粒。

MIG电弧增材Inconel 625合金组织特征

采用MIG电弧增材制造技术制备了Inconel 625合金堆焊层,利用高速摄像系统观察研究镍基合金熔滴过渡特征与熔池行为,并对堆焊层不同位置的微观组织、析出相组成及分布规律进行了分析。结果表明,堆焊层微观组织结晶形态以具有一定方向性的柱状枝晶为主,底部为细小胞状晶,随着堆焊层数增加,枝晶主干变得粗大并带有二次枝晶;堆焊层由γ-Ni固溶体、亮白色不规则Laves相及黑色颗粒状MC碳化物组成;不同位置析出相的分布特征也不相同,在堆焊层底部与顶部Laves相呈弥散分布,而中上部Laves相以链条状沿枝晶生长方向分布。显微硬度表明,堆焊层下部区域硬度相对较高,沿堆积方向整体呈降低趋势。

热处理对316L耐蚀层组织转变及性能的影响

文中设计了3款不同Cr含量的316L不锈钢药芯焊丝,探究热处理对堆焊耐蚀层组织转变及性能的影响规律。试验结果表明,焊态铁素体数增加,热处理温度升高,保温时间延长都会降低堆焊层中铁素体含量,提高σ相的析出,造成堆焊层强度升高,塑性降低,甚至引发弯曲开裂现象。随着焊态铁素体数的降低,热处理后堆焊层耐蚀性有所提高,但3种不同铁素体数的耐蚀层均能通过晶间腐蚀E法检测。基于优化的耐蚀层力学性能和耐蚀性能结果,提出堆焊耐蚀层用316L不锈钢药芯焊丝合金成分设计原则,通过控制合金元素含量,使焊缝中铁素体数范围保持在5~8之间。

低合金高强钢螺纹孔摩擦塞补焊修复接头的组织与性能研究

针对轨道车辆零件螺纹孔摩擦塞补焊修复工艺及性能进行了研究。在优化的塞孔/塞棒几何参数和焊接工艺参数下制备了无缺陷的焊接接头,并分析焊接接头的微观组织、拉伸性能、冲击韧性和疲劳性能。结果显示,当轴向压力过大,接头界面处会形成未焊合缺陷。在转速为7 000 r/min、轴向压力35 kN、顶锻压力40 kN、塞棒进给量18 mm的参数下,可以获得成形良好的无缺陷接头。靠近结合界面的微观组织主要为珠光体、铁素体和部分板条状贝氏体。焊缝中的微观组织为针状铁素体和大量晶界铁素体,以及少量的板条状贝氏体。焊接接头具有优良的力学性能,其拉伸性能与母材相当,室温拉伸试验中,接头断裂位置均位于母材;疲劳实验中,螺栓外螺纹总是先于修复螺纹孔内螺纹发生疲劳断裂,修补螺纹的500万次疲劳强度达到142 MPa。