The effect of trace elements on the microstructure and properties of coarse grain heat affected zone of EH36 ship steel with super large heat input
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摘要:
通过焊接热模拟研究了在超大线能量下焊接时Al元素、Mg元素和Ti元素含量对EH36高强船板钢热影响区粗晶区组织、性能的影响规律,采用Thermo-Calc热力学计算与SEM,EDS测试相结合的方法揭示了Al元素、Mg元素和Ti元素含量与母材中氧化物类型、尺寸、数量及粗晶区相变的关系. 结果表明,Al2O3无法诱导针状铁素体相变,当Al元素质量分数低于0.005%时,钢中可形成Mg元素、Ti元素或其复合氧化物,可促进粗晶区针状铁素体相变. Mg元素和Ti元素联合添加时,当Mg元素质量分数由0.0042%降低为0.0013%,氧化物类型由MgO转变为Mg2TiO4,经统计20个视场内的氧化物数量由408个提高到503个,平均直径由1.37 μm减小到1.10 μm,显著提高了非均匀形核的比表面积,抑制了晶界铁素体的形成,使t8/5 = 300 s时粗晶区热模拟试样−20 ℃冲击吸收能量由43 J提升到127 J.
Abstract:The influence of Al, Mg, and Ti element content on the microstructure and properties of the coarse grain zone in the heat affected zone of EH36 high-strength ship steel during large heat input welding was studied through welding thermal simulation. The relationship between Al, Mg, and Ti element content and oxide type, size, quantity, and coarse grain zone phase transformation in the base material was revealed using Thermo-Calc thermodynamic calculation combined with SEM and EDS testing. The results showed that Al2O3 couldn`t induce the transformation of acicular ferrite. When the mass percent of Al element was below 0.005%, Ti, Mg or their composite oxides could be formed in the steel, which could promote the transformation of acicular ferrite in the coarse grain area. When Ti and Mg were added together, and the mass percent of Mg element decreased from 0.0042% to 0.0013%, the oxide type changed from MgO to Mg2TiO4, the number of oxides in 20 fields of view increased from 408 to 503, the average diameter of the oxide reduced from1.37 μm to 1.10 μm. The specific surface area of non-uniform nucleation was significantly increased, the formation of grain boundary ferrite was suppressed, and the impact energy of the thermal simulation sample at −20 ℃ in the coarse grain zone was increased from 43 J to 127 J at t8/5=300 s.
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Keywords:
- trace element /
- ship plate /
- super large heat input /
- coarse grain heat affected zone
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0. 序言
近年来,随着制造业水平不断提高,对产品生产效率要求越来越高,传统的电弧焊难以满足高效焊接的需求. 不同于传统电弧焊,间接电弧焊的工件不连接电源,电弧建立在电极之间[1-2],电源产生的热量更多地用来加热电极,因此间接电弧焊具有更高的焊丝熔覆率,更有利于实现高效焊接. 但由于焊接工件不连接电源,间接电弧焊存在热输入不足的问题,易出现焊接未熔合缺陷[3-4]. Fang等人[5-8]在双丝间接电弧焊基础上引入第三根焊丝,改善了焊丝周围磁场分布,扩宽了焊接参数范围,弥补了焊接热输入不足的缺点,但当焊接电流较大时仍存在电弧发散的问题. Liu等人[9-10]采用主丝接正、边丝接负的电源连接方式将两间接电弧复合在一起,提升了间接电弧能量密度,进一步弥补了热输入不足的缺点.
三丝间接电弧焊具有三根焊丝,焊丝熔化时,焊丝之间导电距离会发生变化,建立稳定的电弧难度较大,同时多条熔滴过渡路径也不利于均一焊道的形成,这些对三丝间接电弧焊的应用提出了挑战.
文中通过调控脉冲频率,提升了三丝间接电弧焊的稳定性,同时减少了熔滴过渡路径的数量,有利于形成均一焊道,对于推进该技术应用具有重要意义.
1. 试验原理与方法
三丝间接电弧焊示意图如图1所示. 焊接系统包括三根焊丝、一个普通直流电源和一个脉冲直流电源. 主丝连接两焊接电源正极,左边丝连接普通直流电源负极,右边丝连接脉冲直流电源负极. 主丝电流为两边丝电流之和,电弧建立在主丝与两边丝之间. 采用高速摄像机在垂直于焊接方向和沿焊接方向采集电弧形态和熔滴过渡特性,采样频率每秒2 000张. 采用电压和电流传感器采集焊接过程中的电压和电流信号.
试验中使用的焊丝牌号为ER50-6,保护气为80%Ar + 20%CO2,保护气流量20 L/min. 保持两边丝平均电流均为160 A,右边丝脉冲基值电流110 A,脉冲峰值电流250 A,占空比40%不变,调节右边丝脉冲频率分析脉冲频率对焊接过程稳定性的影响.
2. 试验结果与讨论
2.1 脉冲频率对电弧形态的影响
采用高速摄像机采集垂直于焊接方向的电弧形态,通过调节右边丝脉冲频率分别为80,100和150 Hz,分析脉冲频率对电弧形态的影响. 图2为脉冲频率对电弧形态的影响. 图2a,2b,2c对应的脉冲频率分别为80,100和150 Hz. 由图2a可知,在0 ~ 6 ms电弧在主丝与边丝之间燃烧稳定,在8 ~ 12 ms时,边丝上的电弧出现了明显的电弧攀升现象. 图3为脉冲频率80 Hz,时间8 ms时放大的电弧形态,此时边丝弧根明显地向焊丝上方攀升,不利于焊接过程中焊丝的均匀熔化,产生的熔滴尺寸较大,是一种不稳定的电弧形态. 由图2b,2c可知,当脉冲频率增加到100和150 Hz时,在0 ~ 12 ms之间,电弧可持续稳定地在主丝与边丝之间燃烧,未出现电弧攀升现象.
当脉冲频率为80 Hz时,此时脉冲频率较低,脉冲周期时间比较长,脉冲基值电流持续时间为7.5 ms,脉冲峰值电流持续时间为5 ms,脉冲基值电流时焊丝熔化速度慢,主丝与边丝之间的距离比较小,脉冲峰值电流时焊丝熔化速度快,主丝与边丝之间距离比较远,因此当脉冲频率比较小时,主丝与边丝之间的距离变化波动比较大,当脉冲达到峰值电流时,焊丝熔化较快,主丝与边丝之间的距离大,导致焊接电压上升,电弧膨胀,易出现电弧的攀升现象,不利于焊接过程的稳定. 当脉冲频率增加时,脉冲周期减小,相同时间中,基值电流和峰值电流交替次数增加,并且基值电流和峰值电流存在的时间都减小,更有利于焊丝的均匀燃烧,有利于建立稳定的电弧.
2.2 脉冲频率对电流和电压分布的影响
采用电压和电流传感器采集右边丝与主丝间的焊接电压和电流. 采用电压、电流变异系数和电压、电流概率密度分布来表示焊接过程中电压和电流波动情况. 电压(电流)变异系数即为采集到的焊接电压(电流)的标准差与平均值的比值,变异系数越大,说明采集到的数据波动范围越大. 电压(电流)概率密度分布即为采集到的某一电压(电流)数值出现的概率大小,概率密度分布曲线数值区间越大,说明采集到的数据波动性越大.
试验中调节右边丝脉冲频率分别为150,200,250,300和350 Hz,分析脉冲频率对焊接电压和焊接电流的影响. 图4为脉冲频率对电流变异系数和电流概率密度分布的影响. 由图4a可知,随着脉冲频率的增加,电流变异系数降低,电流波动程度减小,电弧的稳定性逐渐提高. 由图4b可知,电流数值主要分布在脉冲基值电流(110 A)处和脉冲峰值电流(250 A)处. 随着脉冲频率的增加,在低电流分布区域(最小电流处),低电流的数值逐渐增加,在高电流分布区域(最大电流处),高电流数值逐渐减小. 因此,随着脉冲频率的增加,电流分布的集中程度增加,波动范围减小,电弧稳定性提升.
图5为脉冲频率对电压变异系数和电压概率密度的影响. 由图5a可知,随着脉冲频率的增加,焊接电压变异系数逐渐减小,电压波动程度减小,电弧的稳定性得到提升. 由图5b可知,随着脉冲频率的增加,在低电压分布区域(最小电压处),几条电压概率密度分布曲线基本重合,最低电压值变化不大,在高电压分布区域(最大电压处),随着脉冲频率的增加,高电压的数值逐渐下降,电压分布的集中程度增加,电压波动范围减小,电弧的稳定性得到提升.
2.3 脉冲频率对熔滴过渡行为的影响
图6为脉冲频率对垂直于焊接方向的熔滴过渡行为的影响. 当脉冲频率为150 Hz时,主丝与边丝会产生四条熔滴过渡路径,左侧两条熔滴过渡路径为主丝产生的,右侧两条熔滴过渡为两边丝产生的. 熔滴过渡路径的增多使焊缝较难形成均一焊道. 当脉冲频率为350 Hz时,主丝与边丝产生两条熔滴过渡路径,主丝熔滴沿左侧路径均匀过渡,两边丝熔滴沿右侧路径均匀过渡,主丝熔滴与两边丝熔滴的指向性好,更有利于形成均一焊道. 图7为不同脉冲频率对应的堆焊焊缝成形,当脉冲频率为150 Hz时焊缝形成多条焊道,而当脉冲频率为350 Hz时焊缝形成一条焊道.
在焊接过程中,右边丝连接直流脉冲电源,主丝电流为两边丝电流之和,因此主丝电流也呈现出脉冲电流的特性. 在脉冲基值电流阶段,主丝电流较小,焊丝的燃烧速度较慢,主丝与边丝之间的距离变近,此时主丝产生的熔滴会与边丝产生的熔滴距离较近. 在脉冲峰值电流时,主丝通过的电流较大,主丝燃烧速度较快,主丝与边丝之间的距离变大,此时主丝熔滴与边丝熔滴之间的距离变远. 因此,当脉冲频率为150 Hz时,主丝熔滴会产生两条熔滴过渡路径. 当脉冲频率增加到350 Hz时,与脉冲频率为150 Hz相比,在相同的时间内电流脉冲基值和脉冲峰值变化的次数明显增加,这会导致主丝燃烧变得更加均匀,主丝与边丝之间的距离基本保持不变,因此当脉冲频率为350 Hz时,主丝会产生一条熔滴过渡路径.
图8为脉冲频率对沿焊接方向的熔滴过渡行为的影响. 当脉冲频率为150 Hz时,两边丝熔滴有相互吸引的趋势,但熔滴没有吸引到一起,两边丝产生两条熔滴过渡路径. 当脉冲频率为350 Hz时,在0 ~ 12 ms之间,两边丝的熔滴始终相互吸引在一起,两边丝形成一条熔滴过渡路径. 熔滴过渡路径的减少更有利于形成均一的焊道.
图9为两边丝熔滴受力示意图,熔滴受到表面张力Fb、等离子流力Fp、重力Fg以及电磁力Fm,其中只有电磁力会改变熔滴的过渡方向. 两边丝电流方向相同,由安培定则可知,两边丝熔滴会产生相互吸引的力Fm. 由于右边丝连接脉冲电源,在脉冲基值电流阶段,两边丝熔滴之间相互吸引的安培力较小,在脉冲峰值电流阶段,两边丝熔滴之间相互吸引的安培力较大. 当脉冲频率为150 Hz时,脉冲基值电流与脉冲峰值电流变换的周期较长,两边丝熔滴之间相互吸引的安培力的最大值和最小值变换的周期较长,当相互吸引的安培力较小时,两边丝熔滴不容易吸引在一起,当相互吸引的安培力较大时,两边丝熔滴容易吸引在一起,脉冲频率较小导致熔滴吸引在一起的概率减小,因此两边丝熔滴会出现两条熔滴过渡路径. 当脉冲频率增加到350 Hz时,与脉冲频率为150 Hz相比,脉冲基值电流与脉冲峰值电流变换的周期变短,在相同时间内峰值电流出现的次数显著增加,两边丝的熔滴吸引在一起的概率增加,因此当脉冲频率增加到350 Hz时,两边丝熔滴始终吸引在一起,两边丝熔滴呈现出一条熔滴过渡路径.
3. 结论
(1) 脉冲频率对三丝间接电弧形态影响较大,当脉冲频率较小时(80 Hz),电弧出现攀升现象,脉冲频率大于100 Hz时可以建立稳定的三丝间接电弧.
(2) 随着脉冲频率的增加,焊接电流和焊接电压变异系数均减小,电流概率密度分布和电压概率密度分布集中性增强,焊接稳定性提高.
(3) 随着脉冲频率的增加,焊丝燃烧均匀程度增加,两边丝的熔滴相互吸引在一起的概率增大,更有利于形成均一的焊道.
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表 1 试验钢板化学成分(质量分数,%)
Table 1 Chemical compositions of test steels
编号 C Si Mn Al Mg Ti O N Fe 1 0.093 0.25 1.47 0.004 0.0042 0.013 0.0030 0.0032 余量 2 0.091 0.22 1.45 0.005 0.0020 0.012 0.0027 0.0032 余量 3 0.089 0.22 1.45 0.004 0.0013 0.013 0.0033 0.0033 余量 4 0.089 0.25 1.51 0.004 0 0.015 0.0024 0.0032 余量 5 0.090 0.23 1.48 0.015 0 0.015 0.0026 0.0030 余量 表 2 试验钢板力学性能
Table 2 Mechanical properties of test steel
编号 屈服强度
Rp0.2/MPa抗拉强度
Rm/MPa断后伸长率
A(%)−40 ℃冲击吸收能量
AKV/J1 402 536 28 220 2 410 540 27 213 3 404 528 27 201 4 418 546 26 196 5 411 538 27 233 表 3 焊接热影响区粗晶区热模拟参数
Table 3 Thermal simulation parameters of coarse grain heat affected zone
峰值温度
T/℃峰值停留时间
t/s升温速度
v/(℃·s−1)冷却时间
t8/5/s1350 2 200 100 1350 2 200 150 1350 2 200 200 1350 2 200 250 1350 2 200 300 表 4 试验钢中氧化物数量及尺寸统计结果
Table 4 Quantity and grain size results of oxide in samples
编号 样本数量
n(个)尺寸均值
μ/μm尺寸标准差
σ/μm1 408 1.37 0.71 2 447 1.30 0.67 3 503 1.10 0.60 4 290 1.04 0.77 5 154 1.76 0.84 -
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