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%。

焊接热输入对690 MPa级HSLA钢焊缝金属组织与力学性能的影响

采用自研直径4.0 mm的焊条对厚度为27 mm的690 MPa级HSLA钢进行不预热焊接,研究了焊接热输入对焊缝金属组织和性能的影响及强韧化机理.结果表明,焊接热输入由13 kJ/cm提高至19 kJ/cm对焊缝金属组织结构及其强韧性产生了显著影响,对接接头抗拉强度、硬度呈现降低趋势,焊缝金属−50℃冲击吸收能量呈现先升高后降低趋势.16 kJ/cm热输入条件下获得了良好的强韧性,对接接头抗拉强度为828 MPa,焊缝中心−50℃冲击吸收能量为71~90 J,均值为80 J.13 kJ/cm及19 kJ/cm热输入条件下焊缝金属强韧性较低,前者与焊缝金属中板条贝氏体及侧板条铁素体形成有关,后者与其中粗大的M-A组元形成相关.热输入16 kJ/cm条件下,充分形成了塑性良好的针状铁素体组织,针状铁素体和贝氏体呈交织分布,同时,细小弥散分布的M-A组元并未对其韧性产生显著的负面作用,焊缝金属获得了良好的强韧性配合.

焊接热输入对0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢电弧焊接头组织与性能的影响

在不同焊接热输入(9,13,17 kJ·cm^(-1))下对0Cr13Ni4Mo马氏体不锈钢板进行多层多道电弧焊,研究了焊接热输入对焊接接头显微组织与力学性能的影响。结果表明:不同焊接热输入下所得焊接接头焊缝和热影响区的组织均为板条马氏体、少量δ铁素体和残余奥氏体;随着焊接热输入的增大,焊缝和热影响区的板条马氏体变粗大,δ铁素体含量增多;不同焊接热输入下焊接接头的抗拉强度和屈服强度分别约为810,600 MPa,均高于母材且符合项目规定,屈强比均小于0.9,接头的拉伸性能良好,拉伸后均在母材处断裂;随着焊接热输入增大,冲击吸收能量减小,焊接热输入为9,13 kJ·cm^(-1)下冲击断口中的韧窝尺寸略大且均匀,接头的冲击韧性更好;不同焊接热输入下焊缝的硬度为310~340 HV,其平均硬度高于热影响区和母材,随着焊接热输入的增加,焊缝和热影响区的硬度均略微降低。

焊接热输入对P91钢焊接修复微观组织及性能的影响

为进一步揭示补焊热输入对补焊接头焊缝区微观组织与性能的影响规律,本文通过微观组织表征、显微硬度测试、拉伸实验和冲击实验等方法,对比研究了焊接热输入对P91钢焊接接头焊接缺陷、微观组织和力学性能的影响。结果表明,热输入为10kJ/cm时,补焊区焊缝金属中树枝晶呈平行状;热输入增加到15kJ/cm时,补焊区焊缝组织呈现出交叉互锁的燕尾搭接状形态;而热输入进一步增加到20kJ/cm时,补焊区的焊缝组织以平行状树枝晶为主和少量的交叉互锁的燕尾搭接状树枝晶组成。补焊区的析出相主要由NbC、Cr_(23)C6和Fe_(2)Nb(Laves相)组成,且随着热输入的增加,析出相熟化长大。力学性能分析表明,补焊区焊缝金属的强度和冲击韧性随热输入的增加均呈现出先增加后降低的变化趋势。热输入为15kJ/cm时,补焊区焊缝金属的枝晶形态和析出物形态所导致的“协同效应”使得显微裂纹形核、发育、扩展所需的能量阈值有所不同,进而补焊区的焊缝金属可以保持相对较高的韧性,因此热输入为15kJ/cm时,补焊区焊缝组织的强韧匹配最优。而3种热输入下的补焊区的焊接热影响区由于晶粒粗大以及补焊过程中的高拘束应力使得该区域的冲击韧性最差。

热输入对440 MPa级HSLA钢埋弧焊对接接头组织及性能的影响

采用20 kJ/cm,25 kJ/cm,30 kJ/cm三种焊接热输入进行440 MPa级HSLA钢埋弧焊试验,使用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、维氏硬度仪以及冲击试验机等实验仪器,研究了焊接热输入对接头显微组织和力学性能的影响。结果表明,三种不同的热输入下的焊缝金属的显微组织主要由先共析铁素体、侧板条铁素体、针状铁素体以及少量残余奥氏体组成,粗晶热影响区的显微组织主要由粒状贝氏体组成。随着焊接热输入的增加,焊缝金属中针状铁素体的含量不断降低,先共析铁素体和侧板条铁素体的含量逐渐升高;粗晶热影响区中粒状贝氏体的晶粒尺寸明显增大,焊缝金属中直径大于1μm的夹杂物占比从40.7%逐渐升高至59.9%,因此使得焊缝金属的强度和低温冲击韧性下降。当热输入为20 kJ/cm时,焊缝金属的平均硬度值最高,且低温冲击韧性达到最优;当热输入从20 kJ/cm开始增大时,焊缝冲击功从186 J下降至130 J,冲击断口中韧窝尺寸逐渐减小,深度变浅,断口形貌由韧性断裂向准解理断裂过渡,降低了裂纹扩展所需的能量,使得冲击吸收功不断减小。

不同热输入下的船用钢激光MAG电弧复合焊接头冲击性能研究

采用激光-MAG复合焊焊接8 mm的AH36船用钢T型接头,设计了T型落锤冲击接头的试件尺寸和试验装置,通过落锤冲击试验测试了不同热输入下T型接头落锤冲击性能,同时测量了冲击时的加速度数据,观察分析了角接头的微观组织,对比分析不同热输入下热影响区宽度.研究结果表明:8 mm T型接头落锤冲击临界高度为510 mm.8 mm T型接头落锤冲击试验显示,热输入为10.26 kJ/cm时试件的冲击平均断裂能量为1813.2 J,热输入8.25 kJ/cm下试件的冲击断裂能量为2689.1 J,试件冲击断裂能量提升33%.热影响区几何参数对冲击性能影响较大,在允许的工艺参数区间热输入越小T型接头在落锤冲击中吸收的能量更多,抗冲击性能更好.

热输入量对换热器管板焊接接头缺陷及残余应力的影响

文章通过改变焊接的电流和电压,研究热输入量(2.16 kJ/mm,2.52 kJ/mm,2.88 kJ/mm)对换热器管板焊接接头缺陷的影响。基于有限元算法,研究热输入量对换热器管板焊接接头处残余应力的影响,进一步改进焊接工艺。结果表明,与热输入量为2.16 kJ/mm和2.88 kJ/mm相比,在热输入量为2.52 kJ/mm时,管板焊接接头的焊接质量最佳,具有焊缝成形好,无裂纹及少量可接受的焊接缺陷。通过对多管-板焊接接头的残余应力计算发现,中心换热管处热影响区残余应力较大。而且残余应力并不是随着热输入的增加而增加。与热输入量为2.16 kJ/mm和2.88 kJ/mm相比,当热输入量为2.52 kJ/mm时,管板接头处的残余应力分布最均匀且稳定,表明焊接质量最佳,这与实验结果一致。最后,通过增加焊间冷却时间和改变焊接顺序来改进焊接工艺,解决了局部残余应力分布集中的问题,改进了焊接接头质量。

焊接热输入对1000 MPa级马氏体钢焊接接头组织和性能的影响

采用熔化极气体保护焊的方法对1.8 mm厚1000 MPa级马氏体钢进行了焊接,系统地研究了焊接热输入对焊接接头硬度分布、组织演变及力学性能的影响规律。结果表明:与母材相比,焊缝及热影响区的硬度均发生了不同程度的软化现象,细晶区软化现象最为显著;随着焊接热输入增加,焊接接头的强度及塑性均降低,韧性提高,焊缝区、临界区及亚临界区的硬度略有降低,粗晶区和细晶区的硬度略有升高,焊缝及热影响区的冲击性能无明显变化,接头断裂位置由细晶区变为亚临界区。

热输入对超高强钢焊接接头组织与性能的影响

采用不同的热输入对1500 MPa级超高强钢进行熔化极气体保护焊,并通过硬度分布试验和DIC拉伸试验分析焊接接头硬化区,对比粗晶热影响区(CGHAZ)的冲击韧性,结合金相观察分析热输入对接头脆化行为的影响。结果表明:两种热输入的显微组织类型一致,焊缝区域主要为贝氏体、针状铁素体和准多边形铁素体,CGHAZ区域主要由板条马氏体构成,形成脆化区,硬度高达550HV_(10)。当焊接热输入由29 kJ/cm提高至47 kJ/cm后,焊缝和CGHAZ的组织发生显著粗化,CGHAZ的冲击韧性严重恶化,由47 J降至19 J。焊接接头的软化区位于熔合线焊缝侧,大小热输入焊接接头均在焊缝位置断裂,抗拉强度分别为704 MPa和628 MPa,区别在于大热输入下应变集中在根焊和第二层的交界,而小热输入应变集中在中层焊道的熔合线内侧。

热输入对脉冲TIG电弧增材制造Ti6Al4V钛合金微观组织与力学性能的影响

电弧增材制造固有的高热输入导致钛合金构件中易产生粗大组织,造成力学性能的下降。为细化钛合金组织,通过在电弧增材制造Ti6Al4V钛合金过程中施加脉冲电流,研究了基值电流和占空比对增材制造Ti6Al4V钛合金凝固过程微观组织和力学性能的影响,探究热输入对电弧增材制造Ti6Al4V钛合金凝固过程、微观组织和力学性能的影响。结果表明,随着基值电流和占空比的降低,沉积Ti6Al4V合金的热输入由988 J/mm下降到414 J/mm,凝固熔池温度梯度G逐渐降低,生长速度R逐渐增大,使得粗大β柱状晶向等轴晶转变。随着热输入逐渐降低,冷却速率由7.27℃/s提高到44.08℃/s;高冷却速率促进α板条细化,α板条宽度从1.07μm减小到0.49μm。β等轴晶的形成和α板条的细化提高了沉积Ti6A14V钛合金力学性能,试样的抗拉强度由914 MPa增加到1049 MPa,塑性保持在8%。

不同热输入激光拼焊接头非均匀变形与损伤研究

建立了模拟横向接头拉伸变形的Gurson-Tvergarrd-Neeedleman(GTN)损伤模型,采用有限元反推法确定了接头各分区的损伤参数,对不同热输入激光拼焊接头进行了有限元模拟,分析了其变形与失效行为。结果表明,软化区断裂接头早期应力三轴度较低,随着软化区中部材料发生塑性损伤,后期变形发展快速增加,最终产生软化区断裂模式;当母材区域优先发生塑性损伤后,软化区不再发生变形,最终产生母材断裂失效模式;中热输入横向接头软化区SH22以外其他点孔洞体积分数与高热输入相比有所增加;数值模拟的斜向变形PE 13对应宏观断口的剪切唇区;GTN损伤模型不仅能够反映非均匀接头的变形过程,还能准确反映接头的塑性断裂趋势。

大热输入焊接用EH40船板静态再结晶行为模拟研究

在厚板热轧生产中通过形变奥氏体再结晶行为细化晶粒是提高钢板性能的主要途径,为探究轧制工艺对大热输入焊接用钢EH40静态再结晶的影响规律,以有限元软件ABAQUS为平台,建立了二维的有限元轧制模型;基于静态再结晶动力学模型使用FORTRAN语言完成了VUSDFLD子程序的开发,实现了轧后的静态再结晶百分数的计算,并分析了不同轧制工艺对其静态再结晶百分数的影响。较于微观尺度的晶粒形核及生长、组织演变的模拟计算,这一模型实现了轧制过程中宏观尺度上钢板内部组织演变过程的数值模拟,这对于实际工业生产中相关轧制参数的确定具有非常高的应用价值。

热输入对800 MPa级水电高强钢埋弧焊力学性能及微观组织的影响

采用3种热输入对80 mm厚、800 MPa级水电高强钢进行埋弧焊,研究不同热输入对焊缝微观组织、抗拉强度、冲击韧性的影响。结果表明:3种热输入梯度下,均获得了良好力学性能的焊接接头。当热输入为25 kJ/cm,30 kJ/cm时,焊缝区微观组织存在针状体素体组织;随着热输入增加,焊缝区针状铁素体组织含量减少,贝氏体含量增多。随着热输入的增大,焊接接头的抗拉强度呈先增加后略微下降趋势,低温冲击韧性的变化趋势与抗拉强度的相同。

大热输入条件下氮含量对低碳Mo-V-Ti-B微合金钢粗晶热影响区组织与冲击韧性的影响

采用Gleeble研究了大热输入条件下,氮含量对低碳Mo-V-Ti-B微合金钢焊接粗晶热影响区组织和冲击韧性的影响。结果表明,在100 kJ/cm热输入条件下,85 N、110 N和144 N试验钢粗晶热影响区-20℃冲击功分别为186 J、97 J和57 J。随着试验钢中氮含量的增加,试验钢粗晶热影响区冲击功逐渐降低。当氮含量从85 ppm增加至110 ppm时,低碳Mo-V-Ti-B微合金钢焊接粗晶热影响区组织由块状铁素体+大量针状铁素体转变为块状铁素体+少量的针状铁素体,组织发生粗化,故粗晶热影响区冲击功降低。当氮含量从110 ppm进一步增加至144 ppm时,粗晶热影响区组织由块状铁素体+少量的针状铁素体转变为块状铁素体+珠光体,虽然块状铁素体晶粒发生细化,但是粗晶热影响区组织中的“硬相”珠光体的含量增加,并且珠光体尺寸较大,在冲击试样变形过程中“硬相”珠光体与基体形变不协调,从而导致裂纹的萌生,造成冲击功进一步下降。

40mm厚度Q500MC钢板大热输入焊接试验

采用Mg-Ti复合氧化物冶金处理方式试制了40 mm Q500MC钢板,并进行了热输入为276 KJ/cm的大热输入焊接实验。结果表明,钢板各项力学性能满足GB/T 1591要求,且韧脆转变温度T VE低于-60℃。焊接接头各项力学性能满足标准要求,热影响区各位置0℃、-20℃冲击韧性满足标准要求且有一定余量。对比母材,焊接热影响区0℃冲击吸收能量降低约56%,-20℃冲击吸收能量降低约77%,热影响区韧脆转变温度T VE约为-18.4℃。经过大热输入焊接后,粗晶热影响区获得以晶内针状铁素体为主的组织,韧性水平较理想,热影响区正火区域宽度可达5~6 mm,组织以铁素体+珠光体为主,对应区域硬度较低,软化严重。

热输入对800MPa级钢接头组织及性能的影响

系统研究了焊接热输入对新一代800MPa级高强度结构钢(RPC钢)焊接接头组织及力学性能的影响。研究结果表明,采用最新研制的超低碳贝氏体焊丝焊接800MPa级RPC钢获得了强韧性匹配良好的焊接接头;焊缝一次柱状晶的宽度随热输入的增加而增大,焊缝金属二次组织中基本上消除了先共析铁素体和侧板条铁素体,组成焊缝的基本类型为板条贝氏体、针状铁素体和粒状贝氏体;随着热输入的增大,焊接接头的抗拉强度逐渐降低,而低温冲击韧度则先升高,然后又下降;在热输入为20kJ/cm时焊缝金属低温韧性出现峰值与焊缝获得细小密集的针状铁素体组织有关。

热输入对1000MPa级工程机械用钢接头组织性能的影响

采用三种热输入进行1000MPa级控轧控冷(Thermo mechanical control process,TMCP)高强钢的熔化极气体保护焊,利用金相显微镜、扫描电子显微镜和透射电子显微镜研究热输入对焊接接头组织和力学性能的影响。研究结果表明,三种热输入焊缝金属组织主要由板条马氏体和板条贝氏体为主、并含有少量残余奥氏体和粒状贝氏体;焊接热影响区粗晶区组织以板条马氏体和贝氏体为主,并含有少量粒状贝氏体。随着热输入的增加,焊缝组织中贝氏体板条粗化,马氏体板条减少,而粒状贝氏体逐渐增多,部分膜状残余奥氏体向块状转变;焊缝金属冲击韧度和硬度、接头强度逐渐降低,而接头热影响区冲击韧度先增后降;当热输入为15k J/cm时焊接接头强韧性匹配最佳。

焊接热输入对高强铝合金接头组织和性能的影响

采用MIG焊接工艺对2519高强铝合金进行焊接,研究了焊接热输入对焊缝组织、力学性能以及断裂特征的影响。结果表明,随着焊接热输入的增加,焊缝中心二次枝晶间距随之增加,焊缝中心溶质元素的含量随之减少,时效后焊缝中心析出的θ′相数量随之减少而尺寸随之增加,且晶界共晶组织由不连续短棒状弥散分布转变成长条状连续网络状分布,导致其断裂类型由穿晶断裂转化为沿晶断裂。接头的抗拉强度也随着焊接热输入的增加明显降低,时效后小热输入下接头的强度提升幅度更大。

焊接热输入对X100管线钢粗晶区组织及性能的影响

采用热模拟技术、显微分析方法和力学性能测试等手段,对X100管线钢在不同焊接热输入下粗晶区的组织及性能的变化规律进行了研究.结果表明,随着焊接热输入的增加,X100管线钢的强韧性降低.当热输入为10kJ/cm左右时,焊接粗晶热影响区的显微组织以贝氏体铁素体和粒状贝氏体为主,这种组织赋予材料以最佳的强韧性水平;当热输入为20kJ/cm左右时,焊接粗晶热影响区的显微组织以粒状贝氏体和准多边形铁素体为主,材料有较好的强韧配合;而当热输入大于30kJ/cm时,由于多边形铁素体增多,材料的强韧性降低.因此可将10～20kJ/cm作为X100管线钢的推荐热输入.

焊接热输入对X80焊管焊缝组织与性能的影响

针对双面螺旋埋弧焊管所具有的先内焊后外焊的焊接顺序特点,以实际焊缝为研究对象,采用焊接热循环理论,利用焊接热模拟技术、现代材料力学性能检测技术和显微分析方法,对X80管线钢内焊缝在不同热输入下的韧性分布规律以及组织特征进行了研究。结果表明：当焊接线能量为17~35kJ/cm时,X80管线钢焊缝粗晶热影响区（WCGHAZ）可获得较好的韧性水平,其中线能量为20kJ/cm时,WCGHAZ可获得最佳韧性水平。当焊接线能量小于17kJ/cm和大于35kJ/cm时,X80管线钢WCGHAZ的韧性水平都有所下降。因此可将17~35kJ/cm的线能量作为X80管线钢外焊缝的推荐焊接工艺规范。