水下湿法焊接过程熔池气体进入和逸出行为及其控制研究

论文摘要

近年来我国对海洋资源的探索和开发力度逐步加大,有大量的海洋工程装备和平台设备投入使用。海洋环境的特殊性对海洋工程装备的强度(尤其是疲劳强度)、韧性、耐腐蚀性等一系列性能提出了更高要求。水下湿法焊接由于其装备简单、效率高、成本低等一系列优点被广泛应用于海洋工程装备的修复维护中。但由于湿法焊接时没有将水环境隔离开,接头中较高的扩散氢含量常使得焊缝中形成冷裂纹,焊接接头的韧性严重降低,甚至可能使结构突然失效,造成严重的事故。在水下湿法焊接过程中,熔池中有大量的氢气不断形成气泡并逸出熔池,熔池中残留的极高氢元素含量被看作是湿法焊接接头中较高扩散氢的主要原因。因此为了控制焊接接头中的扩散氢的含量,提高焊接接头质量,本课题对水下湿法焊接熔池气体进入和逸出行为进行探究。分析了湿法焊接熔滴过渡和熔池动态行为的特点,揭示了水下湿法焊接接头中氢元素的进入和逸出机理以及二者的主要影响因素。通过调整焊丝配方,调整了熔滴过渡过程和熔池动态行为,从而实现了降低湿法焊接接头中的扩散氢含量。为不锈钢水下湿法药芯焊丝焊接的方法研究和材料开发提供了可靠的数据。探究了不锈钢湿法焊接接头中氢元素进入的主要途径。通过X射线高速摄像系统拍摄了在空气、CCl4等不同含氢环境下的焊接过程。收集了湿法焊接电弧气囊气体和熔滴空腔气体并对其成分进行分析。确定了氢元素湿法焊接接头的进入途径:熔滴在焊丝端部形成过程中吸收了电弧气囊中的氢元素,二者一同过渡到熔池中,冷却后在接头中形成扩散氢。不同的熔滴过渡形式对焊接接头扩散氢含量具有明显的影响。在热输入不变的情况下,通过改变焊接电流和电弧电压提高了表面张力过渡比例降低了排斥过渡比例,进而有效地降低了焊接接头扩散氢含量。通过X射线高速摄像系统拍摄了水下湿法焊接熔池以及不同含氢环境下焊接熔池动态行为。确定了湿法焊接接头中氢元素逸出的主要途径为液态熔池金属中的气泡破裂排气过程。相比于陆上焊接,湿法焊接熔池震荡剧烈的主要原因为熔池的动态行为受到熔滴冲击和熔池气泡运动的双重影响。建立了熔池动态行为评价指标,以熔池内一点高度变化的标准偏差为参数,发现随着焊接速度的增加,湿法焊接熔池震荡标准偏差从2.41mm减小至1.35mm,焊接接头中的扩散氢含量从1.85ml/100g增加至8.18ml/100g。原因是随着焊接速度的增加,熔池的排出气体量减少,熔池内的气泡数量和体积均减少,有更多的气体留在熔池内部。因此焊接接头的扩散氢含量增多并且熔池震荡幅度减小。此外,熔池长度变大也使得熔池表面稳定性增加。通过改变焊丝中氟化钙与金红石的配比改变了焊丝碱度,同时对焊接过程中的熔滴过渡形式和熔池震荡形式进行调整,得到了一种焊接接头氢含量较低且焊缝成形良好的焊丝。焊丝碱度为0.91的焊丝焊接过程中液态熔渣将熔池表面全部覆盖,对熔池的保护效果增强。熔滴过渡过程全部在熔渣内部进行,使熔滴在形成过程中与电弧气囊的接触极大减少,因此氢元素的进入量极大地减少,焊接接头的扩散氢含量降低至3.06ml/100g。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
•   1.1 课题来源及研究的背景和意义
•   1.2 国内外研究现状
•     1.2.1 水下湿法焊接研究现状
•     1.2.2 焊接接头中扩散氢含量的影响因素
•     1.2.3 焊接接头扩散氢控制方法
•   1.3 主要研究内容
• 第2章 试验材料、方法和设备
•   2.1 试验材料
•     2.1.1 母材
•     2.1.2 焊接材料
•   2.2 试验方法及设备
•     2.2.1 湿法焊接气体及熔滴收集试验
•     2.2.2 熔滴过渡、熔池行为及电信号采集试验
•   2.3 试验分析和测试方法
•     2.3.1 微观组织分析
•     2.3.2 熔覆金属扩散氢含量测试
• 第3章 湿法焊接氢元素进入行为及影响因素
•   3.1 湿法焊接接头氢元素进入行为
•     3.1.1 电弧气囊气体成分分析
•     3.1.2 湿法焊接熔滴形貌
•     3.1.3 熔滴内气体来源探究
•   3.2 熔滴过渡模式对焊接接头扩散氢含量的影响
•     3.2.1 湿法焊接熔滴过渡模式
•     3.2.2 熔滴过渡行为对接头扩散氢含量的影响
•   3.3 本章小结
• 第4章 湿法焊接接头氢元素逸出行为
•   4.1 湿法焊接熔池动态行为
•     4.1.1 湿法焊接熔池气体逸出行为
•     4.1.2 湿法焊接熔池特点
•   4.2 湿法焊接熔池动态行为影响因素
•     4.2.1 熔滴冲击对熔池动态行为的影响
•     4.2.2 气体运动对熔池动态行为的影响
•     4.2.3 熔池动态行为与气体运动对池震荡行为的综合影响
•     4.2.4 湿法焊接熔池动态行为的表征
•   4.3 熔池动态行为与扩散氢含量的关系
•   4.4 本章小结
• 第5章 基于渣系调整的湿法焊接接头扩散氢含量控制
•   5.1 不同碱度渣系下的焊缝成形
•   5.2 不同碱度渣系下焊接接头中氢元素的进入和逸出行为
•     5.2.1 不同碱度渣系下的熔滴过渡过程
•     5.2.2 不同碱度渣系下的熔池动态行为
•   5.3 不同碱度渣系下的扩散氢含量
•   5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 张欣

导师: 赵洪运

关键词: 扩散氢,熔池动态行为,熔滴过渡过程,水下湿法焊接,熔渣碱度

来源: 哈尔滨工业大学

年度: 2019

分类: 基础科学,工程科技Ⅱ辑

专业: 海洋学,船舶工业

单位: 哈尔滨工业大学

分类号: U671.8;P75

DOI: 10.27061/d.cnki.ghgdu.2019.005813

总页数: 71

文件大小: 5254k