渣金间辅助外电场电化学诱导焊缝氧化物冶金形核及其机理

针对厚渣保护大线能量焊接焊缝组织粗大，韧性薄弱，本项目从诱导焊缝针状铁素体形核的夹杂物成分及尺寸控制角度提出了一种电化学调控新思想。其基本构想是在焊接熔渣和熔池金属间随焊外加一辅助直流电场，通过调节外电场大小及极性，在熔池反应区引入连续可调的电化学作用，控制熔池金属氧含量及微量元素的过渡，使凝固焊缝具备氧化物冶金形核条件并在焊缝中形成高比例的晶内针状铁素体，进而韧化焊缝金属。主要研究：渣金间外加电场与熔池金属氧含量间定量化关系，渣金间外加辅助电场对大线能量焊接焊缝金属增韧的评价，渣金间外加辅助电场电化学诱导焊缝金属内生夹杂物微观机制及渣金间外加辅助电场作用下可控氧离子迁移动力学理论。本项目可为实现高效焊接焊缝金属增韧，形成拥有自主知识产权的焊缝高韧化核心技术提供前瞻性指导，其学术思想有助于开辟出一个焊接电化学冶金新领域，对进一步丰富、发展现有的焊接基础理论具有重要科学意义。

电弧焊熔敷金属通常是在熔渣与液态金属发生强烈冶金交互作用状态下形成的。根据液态熔渣具有的离子特性，在电场作用下渣-金熔体内部将形成离子流的定向运动，并在渣-金界面产生电化学效应。目前应用熔渣的这种特性在炼钢冶金领域已实现了无污染深度脱氧，成为冶金界学者十分关注的研究热点。焊接工作者已初步证实焊接过程中熔渣与液态金属间发生有一定的电化学现象。为此针对焊接渣-金熔体具有的特殊冶金行为，对焊接过程中熔渣及液态金属内部带电离子在电场作用下形成的有序运动以及渣-金界面产生的电化学反应加以有效的利用，是一颇具新颖的研究方向。本项目在深入研究焊接过程熔滴反应区、熔池反应区渣-金间固有的电化学现象基础上，提出了一种基于电化学调控冶金反应的新方法。其基本构想是在厚渣保护大线能量埋弧自动焊熔渣与熔池金属间随焊施加辅助外电场。通过调节外电场大小及极性，在熔池反应区引入连续可调的电化学作用，以控制熔池金属中氧离子的动态迁移行为。并从动力学上抑制氧化夹杂物的生长，促使夹杂物形成细小而弥散的分布状态，为焊缝金属诱发针状铁素体形核创造必要的条件。研究工作从理论上运用菲克扩散定律及法拉第定律探索了熔滴反应区渣-金电化学致氧的动力学过程，建立了相应的电化学致氧数学模型。针对提出的在埋弧焊电弧后端渣-金间随焊施加辅助外电场的构想，进一步从理论上探索了实施外电场作用诱导渣-金间电化学效应的定量电化学致氧规律及其影响因素。同时，通过埋弧焊熔滴反应区渣-金电化学反应实验方法、熔池反应区渣-金间辅助电路及外电场实施方法的设计、实验，揭示了渣-金间固有的电化学现象基本规律。研究表明，实施辅助外电场可促使熔池金属内部复杂粒子电离，正负离子形成互为逆向的离子流，有效地减少熔池凝固前氧化物形成的几率，有利于熔池金属形成细小而分散的夹杂物。同时渣-金间施加辅助外电场在一定条件下还可改善液态熔渣的导电性能，并在电场作用下引导熔池中电子流向电弧阴极中心进而增强焊接电弧的集聚效应，有利于焊接工艺稳定性的提高。本项目从一个全新的角度探索焊接冶金质量控制的新途径，对进一步丰富、完善现行的焊接冶金理论具有重要的学术价值。