（材料加工工程专业论文）基于电磁热力耦合控制焊接冷裂纹机理研究.pdf

国内图书分类号：tg404 学校代码：1 0 2 1 3 国际图书分类号：536.08 密级：公开 工学硕士学位论文工学硕士学位论文 基于电磁热力耦合控制焊接冷裂纹 机理研究 硕 士 研 究 生：李金柱 导师：方洪渊 教授 申请学位：工学硕士 学科：材料加工工程 所在单位：材料科学与工程学院 答辩日期：2011 年 6 月 授 予 学 位 单 位：哈尔滨工业大学 lassified index: tg404 u.d.c.: 621.791 dissertation for the doctoral degree in engineering study on controlling welding cold crack with hybrid electromagnetic force and heating candidate： li jinzhu supervisor： prof. fang hongyuan academic degree applied for： master of engineering specialty： materials processing engineering affiliation： school of materials science and engineering date of oral examination： june, 2011 university： harbin institute of technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - i - 摘 要 低合金高强钢由于碳当量大，焊接时对冷裂纹倾向严重，常常需要利 用焊前预热或焊后后热等措施来控制冷裂纹，效率低且焊接工作条件苛 刻。本论文针对低合金高强钢的焊接特点，提出了基于电磁热力耦合控制 焊接冷裂纹的新工艺。该工艺方法是基于随焊电磁感应加热和焊后电磁冲 击的复合作用来改善焊缝的组织，降低焊缝根部的横向残余应力并减少焊 接接头残余氢的含量，从而达到控制焊缝冷裂纹敏感性的目的。 本文首先基于有限元分析软件 abaqus 研究了常规焊和电磁热力耦合 焊接过程中温度场、应力场的变化规律以及残余氢的扩散分布规律。在有 限 元 分 析 过 程 中 ， 以 斜 y 坡 口 冷 裂 纹 拘 束 试 验 为 分 析 对 象 ， 利 用 hypermesh 建立了有限元分析模型，采用 fortran 语言编程实现了电 弧热源和感应加热热源的复合作用。研究结果表明，利用电磁感应加热作 为辅助的热源可依据被焊材料的 cct 曲线调整其焊接冷却过程，降低焊接 接头的冷却速度，延长冷却时间 t8/3，改善焊缝组织；同时，电磁热力耦合 通过改善焊接接头温度场的不均匀性并在电磁冲击过程对焊缝根部横向进 行塑性延展，将焊缝根部的横向残余应力由拉应力降为压应力。 采用酒精法测量了常规焊和电磁感应加热焊接接头的平均残余氢含 量，实验结果表明，电磁感应加热焊接接头的平均氢含量要远低于常规 焊。并以此作为氢扩散有限元数值模拟的初始浓度，有限于分析结果表 明，电磁热力耦合和常规焊相比，焊接热影响区的氢浓度峰值显著下降。 通过斜 y 坡口实验验证了低合金高强钢 40crnimo 分别采用常规焊、 电磁感应加热、电磁冲击以及电磁热力耦合焊接时的冷裂纹敏感性。电磁 感应加热、电磁冲击以及电磁热力耦合都能在一定程度上降低焊缝表面和 横截面裂纹率，但是电磁热力耦合对裂纹的控制效果比电磁感应加热或电 磁冲击单独作用的效果要更为显著，电磁热力耦合的表面裂纹率从常规焊 的 100%降低到了 2.98%，横截面裂纹率从 100%降低到了 1.5%。 关键词：关键词：焊接冷裂纹；电磁感应加热；电磁冲击；氢扩散 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - ii - abstract high strength low alloy (hsla) steels are sensitive to welding cold crack due to high carbon equivalent. in general, preheat and post-heat treatments are adopted to control welding cold crack, but these processes have lowered the efficiency of welding and deteriorated working environment for welders. according to the characteristic of hsla welding, a new process, welding with hybrid electromagnetic induction heating and electromagnetic impacting (wehi) has been proposed in this paper. this process synthesizes the effects of electromagnetic induction heating and electromagnetic impacting, which is used to improve the property of joints structure, reduce the residual stress and decrease the hydrogen contents of the joint. therefore, the welding cold crack can be avoided. the distribution of welding temperature field, stress and residual hydrogen in the conventional joint and wehi joint are studied by finite element analysis based on abaqus. the model of slit type cracking test for finite element analysis is established by hypermesh, the composite function of welding heating source and induction heating source is defined by fortran program. results show that the induction heating source can be taken as the assisted heat source to decrease the cooling rate so that improve the property of joints structural. this process can be adjusted according to cct curve of the welded material. simultaneously, the heterogeneity of weld temperature field is improved and the transverse tensile plastic of joint root is increased during the wehi, thus the transverse residual stress of joint root is reduced from tensile stress to pressure stress. the residual hydrogen of conventional joint and wehi joint is measured by alcohol method. results show that the residual hydrogen in wehi joint is obviously lower than that of conventional joint. the measured result is set as the initial hydrogen concentration in mass diffusion-finite element analysis. the simulated results show that residual hydrogen contents near fusion line in haz of wehi falls significantly compared with conventional welding. the cold cracking sensibility of hsla 40crnimo which are welded by different welding methods is verified through slit type cracking test. these methods include conventional welding, welding with electromagnetic induction heating (weh), welding with electromagnetic impacting (wei) and wehi. results show that weh, wei and wehi can decrease the joint surface crack 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iii - rate and the cross section crack rate to some degree, but wehi has more remarkable effect. the wehi reduces the surface crack rate from 100% of conventional welding to 2.98%, and the cross section rate from 100% to 1.5%. keyword: welding cold crack, electromagnetic induction heating, electromagnetic impact, hydrogen diffusion 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - iv - 目目 录录 摘 要.i abstract.ii 第 1 章 绪论 . 1 1.1 焊接冷裂纹的影响因素 . 1 1.1.1 淬硬组织对焊接冷裂纹的影响. 1 1.1.2 氢对焊接冷裂纹的影响 . 2 1.1.3 应力对焊接冷裂纹的影响. 3 1.2 焊接冷裂纹的研究现状 . 3 1.2.1 组织和温度对氢扩散影响的数值模拟技术. 4 1.2.2 氢致裂纹的数值模拟 . 5 1.2.3 焊接冷裂纹的防止 . 6 1.3 电磁加工技术在焊接领域的应用. 6 1.3.1 电磁加工技术的基本原理. 6 1.3.2 电磁技术在控制裂纹方面的应用 . 7 1.4 主要研究内容. 7 第 2 章 试验方案的可行性分析以及工艺参数设定. 9 2.1 试验方案的可行性分析 . 9 2.1.1 电磁热力耦合的实验方案. 9 2.1.2 电磁感应加热的设备及方法. 9 2.1.3 电磁冲击的基本原理 .11 2.2 实验材料及材料焊接性分析. 12 2.3 焊接工艺参数的设定 . 13 2.4 本章小结 . 14 第 3 章 电磁热力耦合对焊接温度场和应力场的影响. 15 3.1 引言. 15 3.2 有限元模型的建立. 15 3.2.1 有限元分析的基本思路 . 15 3.2.2 有限元网格划分. 15 3.2.3 热源模型建立. 16 3.3 电磁热力耦合对焊接温度场及组织的影响 . 17 3.4 电磁热力耦合对焊接残余应力场的影响 . 21 3.4.1 电磁感应加热对焊接应力场的影响 . 21 3.4.2 电磁冲击对应力场的影响. 23 3.4.3 电磁热力耦合对焊接残余应力场的影响. 26 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - v - 3.5 本章小结 . 27 第 4 章 电磁热力耦合对氢扩散的影响. 29 4.1 引言. 29 4.2 氢扩散的基本理论. 29 4.3 焊件中残余氢的测量 . 30 4.4 影响氢在焊缝中分布的因素. 32 4.4.1 组织对氢扩散的影响 . 32 4.4.2 温度场对氢扩散的影响 . 33 4.4.3 应力场对氢扩散的影响 . 35 4.4.4 温度场和应力场耦合对氢扩散的影响 . 37 4.5 本章小结 . 38 第 5 章 电磁热力耦合控制冷裂纹实验验证 . 39 5.1 引言. 39 5.2 裂纹率的统计方法. 39 5.3 表面裂纹率的统计. 40 5.4 横截面裂纹率的统计 . 41 5.5 本章小结 . 44 结 论. 45 参考文献. 46 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说明 . 50 致 谢. 51 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 1 - 第1章 绪论 低合金高强钢凭借其高的屈服强度、良好的塑韧性和耐蚀性能，逐步取 代碳素结构钢得到广泛的应用，但是由此也带来了许多焊接问题。在低合金 高强钢中，碳和合金元素含量越多，焊接时接头产生的脆化、软化以及裂纹 倾向越严重1。其中，尤以焊接冷裂纹最为突出。多年来国内外研究人员对 焊接冷裂纹的产生机理以及防止措施进行了大量的研究，但是随着焊接结构 件的复杂化、焊接条件的苛刻化，实际焊接过程中对于焊接冷裂纹的防止仍 然存在很大困难。因此，在低合金高强钢焊接过程中，如何寻求一种既能防 止冷裂纹又能改善焊接条件的工艺方法是目前焊接冷裂纹研究的主要方向之 一。 1.1 焊接冷裂纹的影响因素 焊接冷裂纹一般是在焊后冷却到马氏体转变温度 ms点附近或更低的温 度区间产生的。影响冷裂纹的主要因素包括钢种的淬硬倾向，接头所承受的 拘束应力以及接头的扩散氢含量2。冷裂纹是以上三种因素综合作用的结 果，没有任何一个因素能单独造成冷裂纹。 1.1.1 淬硬组织对焊接冷裂纹的影响 在焊接过程中，焊缝及近缝区由于受电弧热的作用在奥氏体化温度以上 停留，近缝区的奥氏体晶粒严重长大，当焊后以较快速度冷却时，粗大的奥 氏体晶粒会转变成粗大的马氏体组织。马氏体是碳在 -fe 中的过饱和固溶 体，大量碳元素的存在使铁偏离原来的位置导致晶格产生严重畸变，因此， 马氏体是一种淬硬的组织3。从金属强度理论可知，淬硬组织发生断裂时消 耗的能量较低，当焊接过程中产生马氏体组织时，更有利于裂纹的形成和扩 展。此外，由于马氏体晶格畸变将使焊缝中存在很多位错、空位等晶格缺 陷，在不均匀温度场和应力场的作用下，位错和空位不断移动和聚集，当局 部空位和位错浓度达到临界值时，将会在拉应力作用下形成微裂纹并不断扩 展形成宏观裂纹。在焊接过程中，焊接线能量越大，奥氏体晶粒粗化越显 著，越容易得到粗大的马氏体组织，焊件冷裂纹敏感性越大4。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 2 - 1.1.2 氢对焊接冷裂纹的影响 在焊接过程中，氢通过气相或熔渣和熔池金属相互作用，以氢原子或离 子的形式进入熔池中。熔池凝固时，氢的溶解度急剧下降，熔池中的氢来不 及逸出而残留在焊缝中。氢在不同金属组织中的溶解度和扩散系数有很大的 差异，在铁素体、珠光体、贝氏体以及马氏体等体心立方结构中，氢的溶解 度较小，但是扩散系数较大；而在面心立方结构奥氏体中，氢的溶解度较 大，扩散系数较小。因此，当焊接冷却过程中，奥氏体产生组织转变时，氢 的溶解度和扩散系数都会产生突变。通常焊接情况下，焊缝的碳含量要小于 母材，焊缝先于母材发生相变，焊缝中氢的溶解度急剧下降而扩散系数却迅 速增加，因此，氢会迅速越过熔合线从焊缝扩散到热影响区中去。由于此时 热影响区尚未发生相变，氢在热影响区扩散速度小，不能迅速进一步扩散到 木材，因此氢会在热影响区产生聚集。 目前尚未有统一的氢致裂纹机理，但有四种机理比较具有代表性5-8。 zapffe 的氢分子压力理论认为金属中的位错和空位等晶格缺陷将诱使原子状 态的氢向缺陷处扩散聚集形成氢分子，从而在缺陷处产生一个内压应力场， 内压力将和外界载荷一起作用使缺陷处产生裂纹并扩展；petch 的表面能理 论认为氢吸附在裂纹表面后会使金属的表面能降低，因此，金属中有氢存在 时，裂纹萌生和扩展形成新表面所需要的能量减少，裂纹将在低应力水平下 扩展；troiano 的弱键理论认为在应力的诱导下，氢会聚集在金属中应力集 中的区域而使该处的原子间结合力降低，从而导致金属在较低的外加载荷作 用下就能发生脆断；bastein、cottrell 等相继提出了氢致裂纹的位错理论， 该理论认为在位错运动过程中，位错周围的氢将跟随位错一起运动，氢与位 错的交互作用一方面阻碍位错的运动，另一方面将在位错处聚集形成气团， 当位错运动到晶界或障碍物处产生塞积时，位错处的氢浓度会不断增高，当 氢浓度达到一定值后就会在塞积应力的作用下产生裂纹。 但是，对于焊接过程中的氢致裂纹机理，氢的应力扩散理论9,10更能说 明问题。焊接过程中，焊缝金属内部的气孔、夹杂等缺欠提供了潜在的裂纹 源，在焊接残余应力的作用下，这些微观缺欠的前沿形成了三向应力区，并 诱使氢向这些缺欠扩散并聚集。当氢的聚集浓度达到一定值时，一方面会增 大缺欠处的应力，另一方面氢和位错交互作用形成 cottrell 气团阻碍位错移 动，使缺欠处变脆，当应力进一步加大时，促使缺欠扩展而形成裂纹。而裂 纹尖端的三向拉应力继续诱使氢向此处聚集，裂纹在应力和氢的综合作用下 向前扩展，如此周而复始形成宏观裂纹。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 3 - 1.1.3 应力对焊接冷裂纹的影响 冷裂纹是在较大的拘束应力作用下产生的。当焊件中存在较大的应力集 中时，尤其是存在三向拉应力时，一方面使金属的变形困难；另一方面将诱 使氢向应力集中处扩散和聚集，使应力集中处进一步脆化产生微裂纹。在拘 束应力作用下，裂纹逐步扩展，最终形成宏观裂纹。拘束应力越大，越容易 产生冷裂纹，焊接时开始产生裂纹的拘束应力称为临界拘束应力 cr。裂纹 的临界拘束应力可以通过外拘束试验来确定，目前国内外的外拘束试验主要 包括恒载断裂试验11、刚性拘束裂纹试验12、插销试验13、扩大应变裂纹 试验14以及角接头裂纹试验等15。日本学者根据插销试验建立了产生冷裂 纹的临界拘束应力 cr的经验公式16： () () 3 8 5100 86.321128.2112.739.7 109.8 crcm pghtt =+ (1-1) 式中 cr插销试验产生冷裂纹的临界应力； pcm钢的碳当量； h焊缝中扩散氢含量； t8/5800500 冷却时间； t100由峰值温度冷却到 100 时的冷却时间。 我国学者张文钺等结合低合金高强钢的冷裂纹敏感性试验，同样建立了 产生冷裂纹的临界应力 cr的经验公式17： () () 100 132.327.5110.2160.01029.8 cr ghhvt=+ (1-2) 若根据(1-1)或(1-2)计算的 cr值大于材料的屈服强度 s时，则认为材料 是安全的；否则应该采用相关的工艺措施来降低焊缝中氢含量以及延长焊缝 金属的冷却时间。 1.2 焊接冷裂纹的研究现状 从宏观来看，影响冷裂纹的因素不外乎淬硬组织，拘束应力以及扩散氢 的综合作用。但是，如果从冷裂纹产生的微观本质来看，仅仅用以上三个因 素来分析冷裂纹就显得不足。大量研究表明，冷裂纹的产生决定于焊接接头 局部区域的应力状态和扩散氢含量，而不是取决于接头的平均应力状态和平 均氢含量，因此，近年来对焊接冷裂纹的研究逐渐由宏观转向微观。由于氢 的质量小，原子半径小，测量时会存在一定的困难。测氢方法分为宏观测氢 法和局部测氢法。宏观测氢法主要包括酒精测氢法、水银测氢法、甘油测氢 法以及气相色谱分析法等18，局部测氢法包括激光烧蚀与气相色谱联用、 激光烧蚀与质谱联用以及激光诱导击穿光谱仪等19。我国学者杜则裕等20 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 4 - 曾采用显微镜下录像测氢试验研究了扩散氢在钢中不同组织中的分布情况。 但是目前的测氢法都存在很多不足之处，宏观测氢法只能测量平均氢含量， 而局部测氢法测量误差大，设备昂贵。 随着数值模拟技术的发展，采用有限元分析方法模拟焊接过程中焊件的 应力分布规律和氢的动态扩散过程为冷裂纹的研究工作提供了方便。目前国 内外学者基本上都是采用热弹塑性有限元法21,22来分析焊接过程中温度场 和残余应力场的分布情况，涉及的有限元分析软件主要有 abaqus 、 sysweld 以及 marc 等。然后通过所得到的温度场和应力场来研究氢对 冷裂纹的影响，而在模拟氢在物质中的扩散过程中，abaqus 的功能最强 大 ， 因 此 在 采 用 有 限 元 分 析 焊 接 过 程 中 氢 的 动 态 扩 散 时 ， 大 多 采 用 abaqus 有限元分析软件。氢在材料中扩散的有限元分析，现在主要分为 组织和温度对氢扩散的影响以及氢致裂纹的有限元分析两大块。 1.2.1 组织和温度对氢扩散影响的数值模拟技术 氢在均匀介质中的扩散符合 fick 定律，日本学者 takahashi 等23根据 这一定律，采用有限差分法对 2.25cr1mo 钢多道焊焊接过程中氢的分布进 行了模拟，计算结果与实际测量结果基本一致。但是在非均匀介质中，fick 定律不再适用，yurioka 等24从氢在金属中活度的角度出发，分析了氢在金 属中的聚集和扩散过程。 在对氢在焊接接头不同组织中的分布规律的有限元分析研究工作中，我 国学者也做出了大量的研究。文献25,26通过有限元分析模拟了不同温度环 境加氢反应器的氢致开裂情况。 文献27,28采用有限元分析法研究了在不同热输入、温度以及氢逸出速 度下，高强钢焊接时，氢在焊接热影响区的分布情况。研究结果表明，氢会 在焊接热影响区尤其是焊缝根部产生聚集。 张显辉、谭长瑛等29采用 abaqus 有限元分析软件对氢在非均质焊接 接头的扩散进行了模拟计算。结果表明，对于 20mnnimo 钢的焊缝区，由 于其扩散系数较热影响区大，而溶解度较热影响区小，因此焊缝金属中的氢 将逐渐往热影响区扩散。焊缝金属中的氢浓度随着时间的延长逐渐降低；而 热影响区金属中的氢浓度则随着时间的延长而增加，并经历了一个峰值变化 的过程，最终使热影响区的氢浓度较焊缝区要高。文中指出，焊前预热能使 焊缝金属中的氢向热影响区扩散速度增加，热影响区峰值浓度的出现时间提 前；焊后后热能增大扩散氢从焊缝表面的逸出速度，使热影响区的峰值浓度 降低。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 5 - 1.2.2 氢致裂纹的数值模拟 文献30提出描述钝性裂纹尖端氢扩散现象的数学模型，将结构分析和 氢扩散分析的结果进行顺序耦合计算。运用有限元方法揭示静水压力、塑性 变形与氢扩散的关系，研究了塑性变形与氢在裂纹尖端区域协同作用的影响 规律。 文献31-34用 abaqus 有限元分析软件模拟了在应力氢环境交互 作用下裂纹尖端氢扩散分布规律。并指出了拘束应力越大，氢在钢中的扩散 能力越强。其研究结果表明，裂纹尖端由于应力集中非常明显，因此会产生 氢的聚集。nagao 等 35使用氢微显技术对氢在高强钢中的扩散研究也证 实，应力场的存在将明显促进氢在钢中的扩散和积聚。 张显辉等36利用有限元分析法研究了应力应变场对插销试验焊接接头 氢扩散的影响。文中指出，随着外加载荷的增大，裂纹尖端的应力集中越显 著，裂纹尖端前沿的氢的峰值浓度越高。 文献37-39考虑了焊接残余应力对氢扩散的影响，研究了储油球罐在 服役过程中由湿硫化氢电化学腐蚀所产生的氢在焊接接头处的扩散分布规 律。研究结果表明，在应力场的作用下，氢会向高应力区聚集。在焊缝和热 影响区，由于焊接残余应力值大，会产生很大的应力梯度，氢会在应力梯度 的诱导下向焊缝和热影响区聚集，而远离焊缝及热影响区的地方，其氢浓度 和初始值没什么区别。其中，文献39基于 abaqus 开发了一个在焊接残 余应力作用下氢扩散的顺序耦合计算程序，实现了温度场和应力场对氢扩散 影响的耦合分析。如图 1-1 所示 。 图 1-1 残余应力下氢扩散的计算 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 6 - 1.2.3 焊接冷裂纹的防止 目前，冷裂纹的预防措施主要包括冶金和改善焊接工艺两大类。利用冶 金手段来防止冷裂纹主要从以下几个方面考虑40,41：首先，钢材的碳当量 越大，淬硬倾向越大，冷裂纹越敏感，因此可以通过冶金手段改善母材化学 成分，降低母材的碳当量来预防冷裂纹；其次、焊接接头中的氢主要来源于 焊材，因此在焊接时应尽量选择低氢焊接材料；最后，可以在焊接材料中加 入提高接头韧性的微量元素，降低接头淬硬倾向，从而防止冷裂纹的产生。 预热和后热是最常用的两种预防焊接冷裂纹的工艺措施。预热对冷裂纹 的防止主要体现在以下几个方面42：(1)预热可以改善焊缝及热影响区金属 的受热不均匀，从而降低焊件由于受热不均匀所导致的应力集中程度，当对 整个焊件都进行预热时，还能降低焊接过程中的拘束应力；(2)预热可以降 低焊缝及热影响金属的冷却速度，提高 t8/5和 t100，加快氢的扩散逸出，降 低接头氢含量；(3)预热后焊缝会产生一定量的具有较高韧性的贝氏体组 织，从而降低焊缝的淬硬性。但是，采用预热控制冷裂纹时，也有它的局限 性：(1)预热使焊接成本增加，浪费能量；(2)预热温度越高，母材的稀释率 越高，对焊缝金属成分和性能影响越大；(3)预热恶化了焊接工作人员的工 作环境；(4)采用局部预热时，还可能给焊缝带来附加拘束应力，使焊缝的 裂纹敏感性增加。 大量研究表明，焊接后热能很好的控制冷裂纹。后热对冷裂纹的控制主 要表现在43：(1)焊后后热能降低焊缝的冷却速度，改善焊缝及热影响区金 属的组织；(2)后热能提高焊缝冷却时间 t100，因此焊缝在高温的时间增长， 有利于焊缝中扩散氢的逸出，从而降低了焊缝金属的氢致裂纹的敏感性；此 外，当采用局部后热时，还能改善焊缝的应力场，使焊缝的拘束应力降低。 1.3 电磁加工技术在焊接领域的应用 1.3.1 电磁加工技术的基本原理 电磁技术由于无污染，成形速率快，目前广泛应用于加工领域。电磁加 工技术基于法拉第电磁感应定律： d en dt = (1-3) 式中 e感应电动势； n感应线圈匝数； 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 7 - 磁通量； t时间。 当线圈中通入交变电流时，会在线圈周围产生交变磁场，从而在其周围 的导体内产生涡流。根据楞次定律，涡流和交变磁场的交互作用将使工件内 产生电磁力，同时由于导体本身具有一定的电阻，因此导体内还会产生电磁 热。电磁加工技术就是基于交变磁场在工件中所产生的热和力实现的。目 前，电磁技术在焊接中的应用主要包括通过电磁技术控制焊缝成型、利用电 磁波对焊接进行无损检测、利用电磁控制焊接应力应变以及利用电磁控制焊 接裂纹。 1.3.2 电磁技术在控制裂纹方面的应用 通过电磁技术控制裂纹主要包括两个方面：其一、通过电磁技术改善焊 缝金属的组织从而达到控制焊接裂纹的目的。文献44,45在金属凝固过程 中，利用电磁搅拌技术细化焊缝的晶粒，并减少了焊缝的气孔、夹杂等焊接 缺陷，从而降低了焊缝的裂纹倾向。文献46利用电磁感应加热技术改善了 焊缝金属的组织，从而控制了冷裂纹。其基本思路是在焊后跟随一个感应加 热线圈，降低了焊缝的冷却速度，抑制了淬硬的马氏体转变，最终得到塑韧 性较高的贝氏体组织，因此降低了焊缝的冷裂纹倾向。其二、通过调整焊接 接头的残余应力来控制裂纹。文献47在焊接过程中利用电磁力的区域性分 布实现了焊接时焊缝不同区域的应力场的调控，并通过降低焊接过程中的横 向拉应力值而降低了焊缝的热裂纹倾向。文献48提出了利用动态磁场和铁 磁性材料交互作用来降低焊件残余应力的新工艺。文中指出，垂直于焊缝方 向的磁场处理的效果最明显，沿焊件厚度方向的磁场处理也能在一定程度上 降低焊缝的残余应力，但是沿焊缝方向的磁场处理对焊接残余应力的影响不 大。文献49提出了电磁冲击控制焊接应力应变的新工艺，其方法是在焊后 跟随一个电磁冲击线圈，电磁冲击线圈和工件交互作用产生冲击力，焊缝金 属在电磁冲击力的作用下产生横向塑性延展，从而降低了焊缝的残余应力 值，控制了焊件的变形，最终达到控制冷裂纹的目的。 1.4 主要研究内容 (1)设计电磁热力耦合焊接装置，为电磁热力耦合冷裂纹敏感性实验做 准备。设计实验测氢装置，测量常规焊和电磁热力耦合焊接下接头中平均残 余氢含量。 (2)选择合适的材料用以评定冷裂纹敏感性，确定冷裂纹评定所采用的 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 8 - 外拘束方法。 (3)利用有限元软件 abaqus 建立斜 y 坡口抗裂试验有限元分析模型， 分析常规焊、电磁感应加热、电磁冲击以及电磁热力耦合对焊接温度场和残 余应力场的影响。 (4)采用实验测量的氢作为初始氢浓度，研究不同因素对焊缝及热影响 区残余氢的扩散分布规律，将电磁热力耦合的氢分布规律和常规焊进行对 比，探讨电磁热力耦合对氢扩散的作用机理。 (5)通过实验方法验证分别在常规焊和电磁热力耦合焊接下材料的冷裂 纹敏感性。 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 9 - 第2章 试验方案的可行性分析以及工艺参数设定 2.1 试验方案的可行性分析 针对低合金高强钢的焊接特点，本论文从改善焊接接头组织、降低焊缝 根部残余应力以及减少焊接接头残余氢含量出发，提出了电磁热力耦合控制 焊接冷裂纹的新工艺。 2.1.1 电磁热力耦合的实验方案 电磁热力耦合控制焊接冷裂纹的基本原理是将工件悬空架置，工件两端 采用刚性固定。焊接时，在焊枪后面跟随一个电磁冲击线圈和一个电磁感应 线圈，电磁冲击线圈置于焊缝的正下方，电磁感应线圈置于焊缝的正上方， 如图 2-1 所示。 图 2-1 电磁热力耦合的实物图 在焊后冷却过程中，电磁感应线圈和工件发生电磁作用而产生电磁热， 电磁热降低了焊缝的冷却速度并最终使焊缝及近缝区金属在稍高于马氏体转 变温度下保温，使奥氏体转变成淬硬倾向较小的贝氏体组织，从而提高了焊 接接头的冷裂纹抗力。同时，电磁冲击线圈和工件相互作用产生一个向上的 电磁冲击力，在电磁冲击力的作用下，焊缝根部的拉伸塑性变形量增加，横 向残余应力值下降，从而降低了焊接接头冷裂纹形成和扩展的驱动力。 2.1.2 电磁感应加热的设备及方法 本论文所采用的电磁感应加热设备为高频感应加热设备，型号为 sp- 15a，如图 2-2 所示。实验所采用的感应加热线圈为平面线圈，线圈尺寸为 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 10 - 120mm50mm，用高导热率和导电率的空心紫铜管绕制而成，紫铜管外用 耐高温绝缘套包裹，如图 2-3 所示。 图 2-2 电磁感应加热设备 图 2-3 感应加热线圈 随焊电磁感应加热控制焊接冷裂纹的基本原理是在焊枪后面一定位置跟 随一个感应线圈，焊接过程中，线圈和焊枪固定不动，工件以一定速度匀速 移动，如图 2-4 所示。当在线圈中通入交变电流时，线圈周围空间就会产生 交变磁场，根据法拉第电磁感应定律，处于交变磁场下的工件会产生感应电 动势，感应电动势又会导致工件中产生感应电流，根据焦耳定律，工件表面 将产生感应热，导致焊缝的冷却速度降低。当工件的散热量和电磁感应产生 的热量相当时，焊缝及近缝区金属将会在一定温度下保温。随着交变电流的 增加，感应所产生的热量增加，当交变电流增加到一定值时，感应所产生的 热量将使焊缝及近缝区金属在马氏体转变温度以上保温，从而防止了奥氏体 向马氏体转变，奥氏体转变成韧性较高的贝氏体组织，降低了接头的淬硬倾 向。另一方面，由于焊缝和近缝区金属在高温保温时间长，加速了氢的逸出 速度，使焊缝中残余氢含量减少，从而降低了焊缝金属冷裂纹敏感性。 图 2-4 电磁感应加热示意图 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 - 11 - 2.1.3 电磁冲击的基本原理 在厚板或中厚板焊接过程中，焊缝表面和焊缝根部由于受热不均匀导致 所产生的变形量不一致。通常情况下，焊缝表面加热温度高于焊缝根部，热 膨胀时受两侧金属压缩所产生的压缩塑性变形量大于焊缝根部，从而使焊缝 根部产生很大的横向残余拉伸应力。因此，若能施加外力的作用，使焊缝根 部产生塑性延展，那么就能使焊缝的横向残余应力值降低，从而降低焊缝的 冷裂纹倾向。基于这一思想，本论文研究中结合课题组对电磁冲击控制焊接 变形的研究成果，提出了电磁冲击控制焊接冷裂纹的新工艺。电磁冲击与工 件的作用原理图如图 2-5 所示。 图 2-5 电磁冲击力产生的基本原理 将电磁冲击线圈置于工件的下面，当与冲击线圈相连的触发电容充放电 时，电磁冲击线圈中会产生很大的脉冲电流，从而在线圈周围产生一个很大 的磁场，工件在电磁场的作用下会在表面产生感应涡流，从而在工件中产生 洛伦兹力。根据楞次定律，电磁冲击力和焊缝表面垂直。当焊件两端采用刚 性固定的时候，电磁冲击力会对焊缝产生一个向上的弯矩作用，在弯矩作用 下焊缝根部和焊缝表面都会产生横向拉伸塑性变形。因此，当焊后将两端刚 性拘束释放后，焊缝根部的横向拉伸塑性变形增加，从而使焊缝根部的横向 残余应力值减小，最终达到降低冷裂纹的目的。 本论文所采用的电磁冲击电源为脉冲电磁冲击电源，最大充电电压为 3500v，最大电容量为 1500uf