（材料加工工程专业论文）特厚复合板的工艺性研究.pdf

ad i s s e r t a t i o ni nm a t e r i a l sf o r m i n g e n g i n e e r i n g s t u d y o np r o c e s so f h e a v yg a u g ec l a d d i n g p l a t e b yw a n gh o n g g u a n g s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o r l u o z o n g a n n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 9 _ 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。与我一同工 作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 二主! ： 思0 学位论文作者签名：j 易纺宏 日 期： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学位论 文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年口 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： 东北大学硕士学位论文摘要 特厚复合板的工艺性研究 摘要 目前，国内特厚钢板基本用钢锭来生产，但由于其生产周期较长，不能满足国内外 特厚板市场的需求。另一方面，特厚钢板也可用连铸坯来生产，但受到板坯厚度的限制， 从内在质量考虑，受压下比的制约，扩大特厚钢板的板厚就受到一定的限制。因此，研 究利用复合轧制法生产特厚钢板具有非常重要的现实意义。本文主要研究轧制工艺对特 厚板复合效果的影响，最终找到了合理的轧制工艺参数。本文的研究内容主要包括以下 几个方面： 1 ) 在总压下率固定的情况下( 均为5 3 左右) ，通过改变首道次压下率和轧制道次 来研究特厚复合板的微观组织和z 向拉伸力学性能的变化规律，均得到了复合效果良好 的特厚板，为特厚复合板的实际生产提供了理论依据。 2 ) 研究了在总压下率较小的情况下，轧制工艺对特厚板界面微观组织和z 向力学 性能的影响。 3 ) 研究了连铸坯厚度差异对特厚板复合界面微观组织和力学性能的影响。 4 ) 利用扫描电镜对复合界面处夹杂物进行了成分分析，探索了复合界面处夹杂物 的来源，通过大量实验并结合相关理论找到了在不同真空度下复合界面夹杂物成份的规 律，并提出了防止复合界面夹杂物出现的办法。 关键词：特厚板，轧制复合，复合界面，夹杂物，总压下率，首道次压下率 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t h eh e a v yg a u g ep l a t ei sb a s i c a l l ym a d ef r o ms t e e li n g o ti nd o m e s t i c ，b u tt h e p r o d u c t i o nc y c l ei ss ol o n gt h a ti tc a n ts a t i s f yt h er e q u i r e m e n to fm a r k e t o nt h eo t h e rh a n d ， h e a v yg a u g ep l a t ec a na l s ou s ec a s t i n gb a l l e ta st h er o u g hm a t e r i a l ，b u tt h i sm e t h o di s r e s t r i c t e db yt h et h i c k n e s so ft h es l a b a si sr e s t r i c t e db yt h er e d u c t i o nr a t i oa n dc o n s i d e r i n g o ft h ei n t r i n s i cq u a l i t y , i ti sd i f f i c u l tt oe n l a r g et h et h i c k n e s so ft h eh e a v y g a u g ep l a t e s oi ti s v e r yp r a c t i c a lt os t u d yo nt h eh e a v yg a u g ep l a t ew i t ht h ec l a dr o l l i n gm e t h o d t h ec l a d d i n g e f f e c t su n d e rd i f f e r e n tr o l l i n gp r o c e s s e sw e r es t u d i e di n t h i sp a p e r , a n df i n a l l yt h ep r o p e r r o l l i n gp a r a m e t e rw e r ef o u n d t h ec o n t e n t so ft h ep r e s e n tw o r km a i n l yi n c l u d et h ef o l l o w i n g m a i np a r t s ： 1 ) i nt h ec a s et h a tt h et o t a lr e d u c t i o nr a t i ow a su n c h a n g e d ( a l lo ft h c r nw e r ea b o u t5 3 ) b yc h a n g i n gt h er e d u c t i o nr a t i oo ft h ef i r s t p a s sa n dt h en u m b e r so ft h er o l l i n gp a s s e s ，t h e r e l a t i o n sb e t w e e nr o l l i n gp r o c e s s e sa n dc l a d d i n ge f f e c t s ( m a i n l yi n c l u d em i c r o s t r u c t u r eo ft h e h e a v yg a u g ec l a d d i n gp l a t e sa n dt h e i rzd i r e c t i o nt e n s i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ) w e r e r e s e a r c h e d ，h e a v yg a u g ep l a t e sw i t hv e r yg o o dc l a d d i n ge f f e c t sw e r ep r o d u c e du n d e rt h e s e r o l l i n gp r o c e s s e s ，a n dt h et h e o r e t i c a lb a s i sf o rt h ep r a c t i c a lp r o d u c t i o no ft h eh e a v yg a u g e c l a d d i n gp l a t ew e r ep r o v i d e d 2 ) t h ec l a d d i n ge f f e c t su n d e rr o l l i n gp r o c e s s e sw i t hs m a l lt o t a lr e d u c t i o nr a t i ow e r e s t u d i e d ，w h i c hi n c l u d ei n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r ea n dzd i r e c t i o nt e n s i l em e c h a n i c a lp r o p e r t i e s 3 ) t h ei n f l u e n c eo ni n t e r f a c em i c r o s t r u c t u r ea n dzd i r e c t i o nt e n s i l em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so fh e a v yg a u g ep l a t eh a sb e e ns t u d i e d ，w h i c hw a sa f f e c t e db yt h ed i f f e r e n c ei n b i l l e tt h i c k n e s s 4 ) b yu s i n gs c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p e ，t h ec o m p o n e n t so ft h ei n c l u s i o nn e a r b y i n t e r f a c ew e r ea n a l y z e d ，a n dt h es o u r c eo ft h ei n c l u s i o nw a si n v e s t i g a t e d b ym a n y e x p e r i m e n t s ，t h er u l eo ft h ei n c l u s i o n sc o m p o n e n t su n d e rd i f f e r e n tv a c u u md e g r e ew a sf o u n d ， t h e nt h em e t h o d so nh o wt op r e v e n tt h es u b s t a n c el o c a t e da tt h ei n t e r f a c ew e r ep r e s e n t e d k e yw o r d s ：h e a v yg a u g ep l a t e ，c l a d d i n ge f f e c t s ，c l a d d i n gi n t e r f a c e ，i n c l u s i o n ，t o t a l r e d u c t i o nr a t i o ，r e d u c t i o nr a t i oo ff i r s t p a s s - 1 1 1 - 1 2 2 模铸法。3 1 2 3 单向凝固法3 1 2 4 轧制复合法3 1 2 5 国内外特厚板的生产状况4 1 3 特厚复合板的生产方法4 1 3 1 钢板的表面清理5 1 3 2 钢板的组坯方式及尺寸精度要求6 1 3 3 复合钢板的真空电子束焊接6 1 3 4 特厚复合钢板的轧制8 1 4 金属固相复合机理一8 1 4 1 机械啮合理论8 1 4 2 薄膜理论8 1 4 3 金属键理论9 1 4 4 再结晶理论9 1 4 5 位错理论9 1 4 6 扩散理论10 1 - 4 - 7 能量理论1 0 1 4 8 三阶段模式1 1 1 5 本课题的研究目的及研究内容1 1 第2 章实验材料和方法13 2 1 实验材料1 3 2 2 实验方案l3 2 2 1 表面处理13 2 2 2 真空电子束焊接1 4 2 2 3 复合钢板的轧制工艺15 2 2 4 微观组织观察及超声波探伤18 2 2 5 力学性能检测19 第3 章轧制工艺对特厚板复合效果的影响2 1 3 1 首道次压下率对复合效果的影响2 l 3 1 1 首道次压下率对复合界面显微组织的影响2 l 3 1 2 首道次压下率对力学性能的影响2 5 3 1 3 复合界面及其附近显微硬度分析一3 0 3 1 4 本节小结3 2 3 2 压下率对复合效果的影响3 2 东北大学硕士学位论丈 目录 3 2 1 压下率对复合界面显微组织的影响3 2 3 2 2 压下率对力学性能的影响3 6 3 2 3 复合界面及其附近显微硬度分析4 3 3 2 4 本节小结4 4 3 3 连铸坯厚度差异对复合效果的影响4 4 3 3 1 连铸坯厚度差异对复合界面显微组织的影响4 5 3 3 2 连铸坯厚度差异对力学性能的影响4 7 3 3 3 复合界面及其附近显微硬度分析5 0 3 3 4 本节小结5 0 3 4 总压下率对结合效果的影响5 1 3 4 1 总压下率对复合界面显微组织的影响5 l 3 4 2 总压下率对力学性能的影响5 2 3 4 3 本节小结5 3 3 5 本章小结5 4 第4 章复合界面夹杂物的分析5 5 4 1 复合界面处夹杂物的成分分析5 5 4 1 1 电解抛光界面的能谱分析5 6 4 1 2 不锈钢包覆加热后界面能谱分析5 7 4 2 真空度对复合界面夹杂物的影响6 0 4 2 1 加热后界面的宏观形貌6 l 4 2 2 不同真空度能谱分析。6 2 4 3 本章小结6 9 第5 章结论7 l 参考文献。7 3 致谢7 5 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 1 1 引言 第1 章绪论 特厚板主要应用于各类大型船舰、桥梁、锅炉、压力容器、油气管线、工程机 械、高层建筑、模具、海上石油钻井平台及国防军工等对钢材性能要求较高的设施 1 1 】。以工程机械制造为例，从上世纪九十年代开始，结合引进或中外合作制造大型 露天矿山设备，6 8 1 5 4 吨电动轮自卸车、1 0 2 3 米电铲、各种大吨位起重机等均需 采用特厚板作为受力部件。由于上述工业的发展，特厚钢板在国内外两个市场上需 求也越来越大。 目前国内能生产特厚板的厂家，除宝钢外，只有上海浦钢和舞阳钢铁公司两家 陋 4 0 1 。鞍钢厚板厂由于受加热炉和轧机开口度的限制( 4 0 0 r a m ) ，只能生产最大厚度 为8 0 1 0 0 m m 的厚板。济南钢铁公司新上的宽厚板轧机，受炼钢和连铸条件的限制， 也难以生产大于1 0 0 m m 的厚板。其它一些厂家生产特厚板，只能走锻压的道路，不 仅能耗高，成材率低，而且生产效率要比轧制法低1 0 2 0 倍。并且使用传统的生产 工艺生产特厚板，生产周期较长，这就造成了国内特厚板生产供不应求的局面。 国内一般采用钢锭来生产特厚板，但用钢锭生产特厚板时，钢锭越大其原始铸 造组织也越粗大，偏析也越严重，难以保证特厚板组织性能要求。钢锭越大，不均 匀变形也越严重，成材率难以大幅度提高。另外，也可以用连铸坯锻造或轧制的方 法生产特厚板【2 】，但由于在钢坯厚度规格不变的情况下，随着成品钢板厚度的增加， 钢板的压缩比越来越小，造成钢板的综合机械性能降低，成品钢板的厚度也会因此 被限制。同本j f e 钢厂开发了厚板轧机低速强压下轧制技术、防止复合部位氧化的 高真空技术、使复合表面状态正常化的复合界面控制技术等【5 ，并将其成功地应用 于生产特厚板【4 1 。目前，该公司利用连铸坯轧制复合生产的特厚板产品最高厚度达到 3 6 0 m m ，具有良好的粘结性，在2 0 0 6 年月产量已达1 8 0 0 t 。在国内，我们率先对真空 复合轧制技术展开实验研究，本文重点研究轧制工艺对等厚度连铸坯和不等厚度连 铸坯复合效果的研究，同时深入分析了真空电子束焊接和轧制工艺对复合界面的影 响。 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 2 特厚钢板的生产方法 从目前特厚板生产的方式来讲，除了采用原有的锻造法之外，还有比较流行的 连铸法、大型普通钢锭模铸法、单向凝固生产法以及轧制复合法。其中普通钢锭模 铸法和大板坯连铸法凝固的基本特点是二维的【6 1 ，即凝固是从侧壁向中心进行的。 1 2 1 连铸法 连铸法主要采用立弯式铸机，熔融钢水经中间包注入水冷结晶器，钢水被强制 冷却的同时，连铸坯不断地从结晶器中拉出，用气动切割机在规定的长度处切割成 板坯【7 1 。连铸法的优点为夹杂物是在强制性冷却过程中形成的，并且由于其实行钢 水连浇，所以生产效率高。其缺点是：1 ) 产品厚度一定，因此，生产超厚钢板厚度 受限，影响了不同规格产品的生产能力，因为多数订单的批量较小，所以承担小批 量超厚钢板订货的能力有限；2 ) 由于连铸法钢水受到强制冷却，最终凝固点位于钢 板中心，并且富集元素液体向下流动造成了中心偏析，这种中心偏析存在于钢板的 中心部位，影响优质超厚钢板厚度方向上的机械性能以及焊缝的机械性能；3 ) 使用 立弯式连铸机时，部分非金属夹杂物穿过熔融的钢水上浮，但在凝固过程中，相当 于浇铸表面的凝固壳有捕捉夹杂物的强烈趋势，因此，轧制后的钢板中经常出现夹 杂物，改造连铸设备可以改善中心偏析和非金属夹杂物问题，因为中心偏析出现在 最后凝固部位，很显然，残留的显微气孔也影响超厚钢板内部质量。住友公司开发 了可以解决连续铸造高级厚钢板铸坯中心部气孔、表层横向裂纹等问题的p c c s 法 和s s c 法，并在鹿岛钢铁厂第2 号连铸机上进行了大工业生产，如图1 1 所示。 图字：表面控制冷却，采用急冷控制表层组织，降低横向裂纹( 上) 连铸坏的气孔控制，降低凝同末期爪下的中心部位的气孔( 下) 幽1 1 鹿岛钢铁厂n o 2 连铸机上采川的新技术 f i g 1 1n e wt e c h n o l o g yu s e do nc o n t i n u o u sc a s t e ri nl u d a os t e e lf a c t o r y - 2 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 1 2 2 模铸法 模铸法是指熔融钢水注入钢锭模后，使其自然冷却凝固成钢锭。其优点为：1 ) 凝固速度缓慢，有利于非金属夹杂物上浮。模铸钢水凝固需要的时问长，在某些情 况下，如果模铸大钢锭，有时需要冷却两天时问。在这段时间内，熔融钢水中大量 的非金属夹杂物上浮到钢水表面，并在钢锭头部聚集，钢锭头部在精轧阶段被切除， 上浮的非金属央杂物随之被去除，因此可生产出高纯度钢板。2 ) 可生产各种规格钢 锭或进行小规模的订货，根据钢锭不同规格、数量和钢锭开坯轧机，分类组织生产， 以满足各规格板坯的需求【8 1 。模铸法利于小批量生产超厚钢板。其缺点为：生产效 率低，模铸法从钢水注入钢模至完全凝固需要很长的时间，而且工艺环节多，需要 经过钢锭加热一初轧开坯一轧制等工序，最后才能生产出板坯；并且由于采用自然 冷却，在冷却过程中，由于凝固速度慢，会出现偏析和倒v 型偏析等缺陷。 1 2 3 单向凝固法 用单向凝固法生产特厚板时，单向凝固生产的特厚板消除了传统大钢锭的v 型 偏析，倒v 型偏析也明显减弱。同时由于将原来的三维凝固改变为一维凝固，柱状 晶区明显增大，显微缩孔和夹杂物大幅度减少，钢的纯净度也大大提高，可以得到 高纯度、均匀致密的钢锭。而且由于其凝固是单方向的，沿凝固方向可以极大程度 地增大钢锭厚度，从而可大幅度提高特厚板的厚度9 , 1 0 。如同本鹿岛钢厂采用大单 重双层底盘空冷技术实现单向凝固，日本川崎钢铁公司采用铸铁底盘水冷技术实现 单向凝固【9 , 3 7 , 3 8 】。 1 2 4 轧制复合法 轧制复合法是借助大压下量, l , w j 迭起来的两层或多层金属或合金，依靠原子之 间金属键的相互吸引力而使金属复合的一种工艺。根据* l n 复合时加热与否可分为 热轧复合法和冷轧复合法【1 1 , 1 2 , 4 6 】。在一定的压缩变形量下，粗糙的复合表面一方面 相互嵌合，另一方面氧化膜被充分碾碎，并弥散分布，露出的新鲜金属原子间形成 原子键。在这两种机制的共同作用下形成两种金属元素之间牢固的点结合。冷轧复 合是通过轧机的压力使金属复合，但对轧机的要求大大提高，目前轧制复合法主要 是热轧复合法。采用* l n 复合法生产特厚钢板的优点是：1 ) 解决了因连铸坯厚度限 制和压下比制约，生产特厚钢板厚度受限的问题；2 ) 车l n 坯料广泛，利于大批量生 产。采用轧制复合法生产特厚钢板可以直接利用连铸板坯；3 ) 生产工序相对简单， 3 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 省去了模铸法生产特厚钢板的铸锭、加热和开坯等工序。 1 2 5 国内外特厚板的生产状况 国内特厚钢板的生产仍主要采用模铸法，代表性生产企业有舞钢和宝钢【5 ，4 们。 模铸法生产特厚钢板一般都要经过模铸、初轧机开坯、宽厚板轧机轧制等生产工艺， 而且模铸法属于传统的特厚钢板生产方法。采用模铸法生产特厚钢板生产周期长、 能耗大、产量低、成本高，因此已经远远不能适应工业对特厚钢板的实际需求。国 内对单向凝固技术的研究从9 0 年代初开始，也有专利申请，但一直未能得到广泛应 用，这说明其还有不完善的地方。 国外特厚钢板的生产多采用单向凝固法、模铸法和轧制复合法。其中单向凝固 技术的研究从8 0 年代末就已经开始。如同本鹿岛钢厂采用大单重双层底盘空冷技术 实现单向凝固，日本i l 崎钢铁公司采用铸铁底盘水冷技术实现单向凝固。 1 3 特厚复合板的生产方法 特厚真空复合钢板的生产工序如下：将待复合的连铸坯表面处理后按需要组合 为复合板坯，对四周焊接严密，最后对复合板坯进行热轧，最终得到特厚复合钢板， 如图1 2 所示。为确保它的接合性，生产时应注意以下各点：材料表面形状和质量、 复合板坯的真空度和复合板坯的轧制方法。首先待复合材料表面的氧化铁皮应通过 机械清理等方式除去；其次，将坯料组合后放入大型真空室内开始抽真空，使复合 面和真空室内的真空度均达到要求后，用电子束将接合缝焊接密封，以防止在再加 热过程残留空气氧化复合面，影响复合钢板的接合性。另外，为改善钢的内部质量， 可以在轧制时利用低速大压下轧制工艺，并进行轧后的热处理。 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 一 ，。 。勺 一k ? - 圈 = 鼍一 、1 爹 女劬 ， 7 | 一再。， 一。曩 。 图1 2 特厚钢板复合技术工艺流程简图 f i g 1 2p r o c e s so u t l i n eo fh e a v yg a u g ep l a t ew i t hc l a d d i n gt e c h n o l o g y 1 3 1 钢板的表面清理 如图1 3 所示，在钢板表面存在一层由油污、吸附物以及金属氧化物组成的薄膜， 其严重阻碍两个界面之间原子的扩散与结合，因此，在对钢板进行组坯和焊接之前 要对其进行表面处理，以利于轧制时不同金属的结合。部分学者研究了化学清洗、 电化学清洗、机械清洗和镀层等表面处理方法对复合效果的影响，他们得出了在表 面脱脂和钢丝刷清刷后随即进行真空电子束焊接可以获得最佳的复合强度的结论 1 3 - 1 6 】。因此，在实验中可以采用这种方法进行钢板的表面清理。而为了更方便地将 这一工艺应用于生产，可以引入大型龙门铣床清理钢板表面的污物和氧化膜，使其 露出新鲜光亮的金属，随后进行真空电子束焊接，这样不仅可以防止刚露出的新鲜 金属被氧化，并且可以极大地提高生产效率。此外，还可以考虑使用抛丸清理的方 式对钢板表面进行预清理去除钢板表面疏松的氧化铁皮。 纱 纱， 魂。，磬少 慨 戮： 夥 伽 。膨r 东北大学硕- l - 学位论丈 第1 章绪论 电离气态吸附层 吸附层、匿蒌至委夏要要夏夏互噩夏噩夏至习 过渡层匡霪霪霪霾霪霾霪霪霪霪霾霾 氧化层 廖琵琵覆荔囫一掷 图1 3 金属表面示意图 f i g 1 3s c h e m a t i co fm e t a iii cs u r f a c e 1 3 2 钢板的组坯方式及尺寸精度要求 钢板的表面清理工作完成以后，将已经加工好的待复合表面叠在一起，之后进 行电子束焊接；由于电子束枪的电子束冲击力强，束斑直径调节范围有限，并不适 合焊接间隙较大的焊缝，为了防止焊缝在焊接过程或焊接后开裂造成复合界面处真 空度不够，需要钢板有很高的尺寸精度( 两块待复合钢板相同方向尺寸相差不能超 过3 m m ) 。 1 3 3 复合钢板的真空电子束焊接 1 9 5 4 年在法国原子能委员会( c e a ) 的建议下，j a s t o h r 博士开始了电子束焊 接的研究工作，并于1 9 5 7 年在巴黎的原子能国际会议上发表了他的研究报告，展示 了世界上第一台真空电子束焊接设备【1 9 】。 真空电子束焊接是在真空中以高速、密集的电子束流轰击焊件，将电子的动能 迅速转变成热能，熔化焊件金属从而完成焊接的一种新工艺【l 引。其原理是利用阴、 阳极间的高压加速电场( 2 5 3 0 0k v ) ，将电子枪阴极中的电子强行拉出，并将电子加 速到很高的速度( 0 3 0 7 倍光速) ，经一级或二级磁透镜聚焦后，形成密集的高速电 子流。当电子束撞击在工件接缝处时，其动能转换为热能，使材料迅速熔化而达到 焊接的目的，具体原理如图1 4 所示。 真空电子束焊接的电子束具有很高的能量密度，用于精密构件的焊接，也可用 于焊接经过热处理的构件，具有传统熔焊方法难以比拟的优势和特殊功能，如焊缝 深宽比较大( 1 0 ：1 - 5 0 ：1 ) ，焊接热影响区小，变形小，组织性能好，易于实现计算机 控制，焊接参数重复性及稳定性好，适应能力强，可焊厚度范围宽( o 0 5 3 0 0 m m ) 。 电子束焊接也可用于焊接难熔、热敏感性金属和异种金属，因而电子束焊接已经迅 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 速推广应用到精密技术、汽车工业和航空航天等机械制造业领域。 加l 速 电压 ：王口i l !k 国园 l 图1 4 电子束焊接示意图 f i g 1 4s c h e m a t i co fe l e c t r o nb e a mw e l d i n g 真空电子束焊接工艺参数主要有加速电压、电子束电流、焊接速度、聚焦电流、 焦点位置、工作距离以及电子束扫描波形种类等。 1 ) 电子束电流 电子束电流与加速电压一起决定着电子束的功率，增加电子束电流会同时导致 熔深和熔宽均增加。在电子束焊接过程中，由于加速电压基本不变，所以，为满足 不同的焊接工艺需要，常常要调整电子束的电流值。 2 ) 焊接速度 焊接速度和电子束功率共同决定着焊缝的熔深、焊缝的宽度以及被焊熔池形状 ( 冷却、凝固及焊缝溶合线形状) 。增加焊接速度会使焊缝变窄和熔深减小，因此焊 接速度的大小对焊缝的内外成形及焊缝的质量影响较大。 3 ) 聚焦电流 电子束焊接时，相对于焊件表面而言，电子束的聚焦位置有上焦点、下焦点和 表面焦点三种，焦点的位置对焊缝形状影响很大。当焊件被焊厚度大于1 0 m m 时， 通常采用下焦点焊，焦点在焊缝熔深的3 0 处。当焊件厚度大于5 0 r a m 时，焦点在 焊缝熔深的5 0 7 0 之间更合适。 4 ) 1 作距离 焊件表面与电子枪的工作距离影响电子束的聚焦程度，工作距离变小时，电子 东北大学硕士学位论丈第1 章绪论 束的压缩比增大，使电子束斑点直径变小，增加了电子束功率密度。而工作距离太 小，会使过多的金属蒸汽进入枪体造成放电。因而在不影响电子枪稳定工作的前提 下，应尽可能采用短的工作距离。 在上世纪8 0 年代年i 9 0 年代初，电子束焊接就进入了成熟、平稳发展阶段，至2 0 0 3 年，全球的电子束焊接机的保有量已达4 0 0 0 多台2 1 1 。全球电子束焊接技术较先进的 国家是德国、日本、美国、独联体国家和法国。 在特厚复合钢板的生产中，待复合的连铸坯被清理好后，将其放入真空室内抽 真空，当待复合表面的真空度达到要求后，将连铸坯的四周用真空电子束焊接技术 焊合，以保证复合界面处的真空度，防止其在加热过程中被氧化而影响复合效果。 1 3 4 特厚复合钢板的轧制 与普通轧制方式相比，采用低速大压下轧制可提高板厚中央部位的实际压应力 与材料变形抗力的比值，促进复合部位的粘结【35 1 。除了采用低速大压下技术有利于 孔隙压合外，采用大变形比技术轧制，即提高轧件和轧辊接触弧长与轧件平均厚度 的比值，也能促进孔隙缺陷压合。但由于工厂的实际轧制能力有限，要求在轧制过 程中单道次压下量不能过大，因此在本实验中采用单道次小变形的压下方式进行轧 制，以满足工厂实际生产的需要。而为了使变形在s l n 过程中更容易深透到复合界 面处，本论文还设计了采用不同厚度的连铸坯进行组坯轧制复合的实验，以研究复 合界面所处位置对复合钢板结合效果的影响。 1 4 金属固相复合机理 金属固相复合机理极为复杂，它是理论家与工程师们长期以来所注意的课题， 也是长期争论的内容，而且迄今为止，许多机理还远未被人们所揭示和了解。很多 科学工作者从不同角度进行了研究，提出了各种结合机理，主要有如下几种理论 【3 2 ，3 3 】 o 1 4 1 机械啮合理论 机械啮合理论认为，金属在大压力的作用下，在相互接触的表面上，主要是在 压力的作用下而使金属之间彼此相互啮合，从而形成金属复合。这一理论仅仅适用 于接触面非常粗糙的金属固固相轧制复合领域，应用范围很窄。 1 4 2 薄膜理论 r 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 薄膜理论认为，会属间的结合并不取决于材料本身的性能，而是决定于被复合 金属表面的状态。只要去掉被复合金属表面的油膜和氧化膜，在协调一致的塑性变 形过程中，使被复合金属互相接近到原子间力的作用范围内，就能形成复合。氧化 膜可分成硬而脆的和韧而易变形的两类。当金属冷变形时，硬而脆的氧化膜即被粉 碎，裸露出清洁的金属层，当它们相互接近到原子间力的作用距离时，就牢固地结 合在一起，如果氧化膜是韧而易变形的，则变形时易变形的氧化膜随金属一起流动 而阻碍复合【4 7 1 。 1 4 3 金属键理论 金属键理论是m s b u r t o n 在19 5 4 年提出的【3 4 1 。该理论认为，实现金属之间结合 的唯一的要求就是要使两块金属的原子足够靠近以达到原子之间的相互吸引力能发 挥作用的位置，这种力的作用在同种或不同的金属原子之间都存在。如图1 7 所示， 当两金属原子不断靠近时，它们之间的吸引力将增加，而且当间距为正常间距的两 倍时，其间的吸引力达到最大值，当达到j 下常原子间距时，其间的吸引力为零，此 时，相邻原子之间形成稳定排列，其外层自由电子成为形成金属键的共用电子，两 种金属则以金属键结合在一起，因此实现两种金属结合的唯一条件是两种金属的原 子必须靠近到原子之间的相互吸引力能够充分发挥作用的范围内。这种理论说明了 实现异种金属结合的化学基础，这一理论普遍被人们接受，但是它不适合用于解释 某些低温复合领域中的问题。 1 4 4 再结晶理论 该理论是j m p a r k s 在1 9 5 3 年根据金属在变形很大时，再结晶温度会显著下降的 事实下提出来的。他认为，金属固相的复合过程是接触区的再结晶过程。也就是说， 金属在变形时所产生的变形热会使被复合金属界面边缘的晶格原子重新排列，形成 同属于两种被复合金属的共同晶粒，这样，就使金属复合在一起。但该理论所论证 的问题是接触面已经产生结合以后的组织变化过程，而没有对复合过程的本身进行 论证，而且它对有些低温复合现象是无法解释的。 1 4 5 位错理论 位错理论认为当两个相互接触的金属产生协调一致的塑性变形时，位错迁移到 金属的接触表面，从而使金属的氧化膜破除，并产生高度只有一个原子间隔距离的 东北大学硕士学位论丈 第1 章绪论 小台阶。把金属接触表面上出现位错看作是塑性变形阻力的减小，因而有利于金属 的复合。但从另一角度来看，金属表面上出现位错，必会增加表面上的不平度，这 就造成接触表面比其他部位金属大得多的塑性变形，由此可知，结合过程是接触区 金属的塑性流动的结果【4 8 1 。 j 吸 引 最、= 吸引力 力 i 一 j 1r - l 空间距离 排 斥 j 力 1 4 6 扩散理论 图1 5 原子间作用力示意图 卡扎柯夫在1 9 6 3 年首次提出该理论。该理论认为被复合金属在0 6 - - - 0 8 倍的熔 化温度下会在接触区形成一薄层互扩散区。该扩散区保证了优质的复合界面。扩散 理论的致命弱点是：它没有考虑接触表面的激活过程和相互结合过程可能会限制接 触区的形成过程。它无法解释如果增大扩散区厚度，复合材料界面性能反而降低的 现象。 1 4 7 能量理论 该理论是西苗诺夫在19 6 6 年正式提出的。他认为，引起金属间相互结合的条件 是金属原子所含有的能量。当被复合材料相互接触时，即使它们的原子已经接近到 晶格参数的数量级，只要原子所含有的能量还没达到结合的最低能量，就不足以使 它们之间产生结合。只有当接触处金属原子的能量达到某一水平，表面之间才会形 成金属键，它们之间的界面开始消失而连接在一起，该理论从能量的角度解释界面 1 0 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 的形成过程，运用它可以圆满地解释一些现象，但它没有揭示出金属问的结合到底 与哪些物理一化学性能有关，而且无法解释加工硬化使金属的结合能力变差的原因。 1 4 8 三阶段模式 该理论是近年来在上述各种理论的基础上总结出关于包含各种形式复合特征的 一些共同的概念，是目前公认的复合过程中的理论基础。 第一阶段是物理接触的形成阶段，在此阶段中，两种金属原子依靠塑性变形， 在整个接触面上相互接近到能够引起物理作用的距离，或者接近到足以产生弱化学 作用的距离以内，这时，位错消失而使复合材料接触区激活，形成弱化学键。 第二阶段是接触表面激活，形成激活中心，然后两种金属表面之间产生物理和 化学的相互作用，最后形成化学键，所以也称化学的相互作用阶段。 第三阶段是“体 的相互作用阶段。金属材料通过已经结合的物理接触面向周 围扩散，缺陷消失，在接触处形成共同的晶粒，并导致内应力松弛【5 0 1 。 1 5 本课题的研究目的及研究内容 由于各类大型船舰、桥梁、锅炉、压力容器、油气管线、工程机械、高层建筑、 模具、海上石油钻井平台及国防军工等对特厚板的需求日益增大，而国内生产特厚 板的主要方式为高能耗、低效率的模铸法，不能满足国内特厚板市场的需求，而用 连铸坯进行复合的方法不仅生产效率高，而且由于其原料为连铸坯，来源十分广泛， 能生产出各项性能都能满足市场需求的特厚钢板，无疑将产生显著的经济效益和良 好的社会效益。 所以本课题的主要研究目的是利用真空轧制复合技术，找到一套适用于工厂实 际生产的工艺方法。 综上所述，本课题的研究内容主要包括以下几个方面： 1 ) 研究复合板的轧制工艺对复合效果的影响：由于工厂轧机的轧制能力有限， 需在实验室模拟与工厂实际生产接近的工艺参数，并通过观察界面组织和z 向拉伸 实验对复合效果进行研究，探索道次压下率和总压下率与复合效果的关系，最终找 到适用于实际生产的工艺。 2 ) 复合界面的组织成分分析：利用金相显微镜和扫描电子显微镜对复合界面进 行微观组织分析，研究复合界面的形成机理，以及如何防止复合界面夹杂物产生。 3 ) 研究厚度差异对复合效果的影响：通过利用相同厚度与不同厚度的连铸坯进 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 行组坯后进行对比轧制实验，并对实验结果进行分析，找出复合界面所处位置对复 合效果的影响规律，并探索其原因。 1 2 东北大学硕士学位论文 第2 章实验材料和方法 2 1 实验材料 第2 章实验材料和方法 本实验主要采用某船板用板坯和油罐用连铸坯作为实验用料，其主要化学成分 如表2 1 、表2 2 所示。 表2 1 实验用板坯成分( 质量百分比，) t a b l e2 1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fp l a t ei nt h ee x p e r i m e n t ( m a s s ，) 表2 2 实验用连铸坯成分( 质量百分比，) t a b l e2 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fb i l l e ti nt h ee x p e r i m e n t ( m a s s ，) 元素 f ecs im nps c rn i 含量( )其余 0 1 9 4o 1 3 91 0 6 2o 0 0 9 60 0 0 5o 0 3 5 o 0 2 1 元素 a lc um ot ivn b b 含量( ) 0 0 2 9 o 0 0 90 0 1 60 0 1 5 40 0 0 2 60 0 1 6 8o 0 0 1 9 2 2 实验方案 2 2 1 表面处理 有人曾对复合板的表面清理方式做过专门的研究，从其研究成果来看，用机械 表面清理的方式去除原料表面的氧化物及其他杂物能使复合效果较为理想4 3 1 ，因此 本实验中主要采用了机械清理的方式。 由于板坯和连铸坯表面都较为平整，故考虑利用铣床铣去原料表面的氧化物及杂 物，使其露出新鲜的金属，并在焊接前先用丙酮擦去表面残留的油污，然后用直向 1 3 东北大学硕士学位论丈第2 章实验材料和方法 电动钢丝刷打磨板坯表面，直到表面上出现有长条状的打磨痕迹，如图2 1 所示，在 其表面形成一层硬化层为止，最后用酒精清洗打磨完的表面，其流程图如图2 2 所示。 黟 7 j j 吼4 j 僻。吩坳j 獭j 舻。饧舰一“锵嘲“? 碱i 姆嘞警”嘞一带鹗 麓t 谚 黢”鼍 懿 秀 爹、 ” 薏 、 ， 一。 ， 一 * ，t 。j j t 。 j ， t 。“：。， 一j ， 。 ， 、 一，。? ，i “一47 ：?，j 一：艺- 文? j 一 ? 图2 1 打磨完后表面状态 f i g 2 1s t a t eo fp o l i s h e ds u r f a c e 回一园一困一围 图2 2 坯料表面清理流程图 f i g 2 2s c h e m a t i co fb i l l e ts u r f a c et r e a t m e n t 2 2 2 真空电子束焊接 在乌克兰巴顿焊接研究u l 1 9 3 大型真空电子束焊机上进行焊接，其电子枪的 加速电压为6 0k v ，最大功率为6 0k w 。由于该真空室体积较大( 长5m ，宽2m ， 高2m ) ，因此可以将多组待焊复合板同时摆放在工作台面上进行焊接，如图2 3 所示， 一次真空条件下可以焊接多道焊缝。正式焊接前先用卡具将板坯卡住，然后对板坯 四个面点焊予以固定，撤掉卡具开始焊接。 为了保证焊接过程中和焊接后焊缝不开裂，焊缝深度不低于1 0 m m ，焊缝宽度 不低于4 5 m m 。 1 4 - 如歉矽，；翳