基于相场法的焊接接头微观氢扩散及氢致裂纹动态扩展机制研究

Welding hydrogen induced crack (HIC) has posed great threat to the safety use of welding structure, it should be strictly controlled in the industrial manufacturing process. However, a lot of energy waste is caused by using the current conservative engineering controlment. The research on the critical conditions of the HIC and its growth mechanism is the fundamental way to solve these problems. Base on the theories of phase field and hydrogen diffusion, a microstructure-stress and strain-hydrogen diffusion multi-fields coupled model is created for the HIC formation of welded joint. The in situ, accurate real-time hydrogen diffusion, and the influence of the microstructure and stress strain on it can be predicted by using this model. With a combination of experiment and numerical simulation, the mechanical and hydrogen concentration critical condition of HIC in kinds of microstructures in welded joint are studied, and as well as its growth mechanics. Based on the research results, combined with adjustment process of welding and heat treatment, the technique for accurately controlling HIC is studied. The expected results can realize the green manufacturing of welding structure, is expected to enhance the level of national industrial manufacture.

焊接氢致裂纹对焊接结构的使用安全性造成巨大威胁，工业制造过程中会严格控制氢致裂纹的产生，而工程上现行的保守控制工艺会造成大量的能源消耗，研究焊接接头氢致裂纹产生的力学和氢浓度临界条件及微观组织相关性是解决上述问题的根本途径。本项目针对焊接接头氢致裂纹问题，基于相场理论和氢扩散理论，创建焊接接头微观尺度组织-应力应变-氢扩散的多场耦合模型，通过该模型可实现原位、精确的实时预测焊接接头中的氢扩散行为以及微观组织和应力应变对其的影响，采用试验和数值模拟相结合的手段，探索焊接接头中各微观组织特征的氢致裂纹产生力学和氢浓度临界条件，在此基础上研究氢致裂纹的动态扩展机制。基于研究结果，结合焊接和热处理工艺调控技术，掌握氢致裂纹的精确控制技术，本课题的预期研究成果可实现焊接结构的绿色制造，有望提升我国工业制造水平。

冷裂纹是高/超高强钢焊接接头最易出现的焊接缺陷之一，因其具有延迟开裂特征，会对结构安全造成重大威胁，所以接头氢扩散行为研究及冷裂纹的防控对于工业安全具有重大意义。目前冷裂纹的控制工程手段存在过量能源浪费问题。本文针对高强钢焊接接头，考虑焊接过程固态相变对温度场、应力应变场以及氢扩散，基于有限元法建立热-组织-力-氢扩散耦合模型，系统研究了单道焊、中厚板多层多道焊以及大厚板多层多道焊的氢扩散行为，在此基础上，提出基于氢扩散性能差异的复合焊道设计方法，以有效降低大厚板焊接接头内关键位置的冷裂纹敏感性。本论文的研究内容及获得结果如下：.1.建立单道熔覆焊的热-力-氢扩散顺次耦合模型，研究固态相变、焊接应力/残余应力对焊接全过程氢扩散行为的影响机制，同时改变焊接工艺条件，分析各影响因素对焊接接头残余氢的影响。结果表明，冷却过程的固态相变导致自吸附效应，使氢出现上坡扩散。.2.针对中厚板多层多道焊，建立热-组织-力-氢扩散耦合模型，引入代表接头内各位置材料的相状态参量，根据焊接热影响曲线计算焊接接头的组织演变过程，并与焊接过程各物理场耦合。研究发现，多层多道焊过程的固态相变产生道内自吸附和道间自吸附效应。.3.对大厚板焊接过程的氢扩散进行数值模拟研究，计算结果与试验结果对比，厚度方向氢浓度分布结果吻合良好。大厚板接头内部冷裂倾向最严重点位于接头表面一定深度距离的位置，该位置焊后在大厚板尺寸效应和焊接残余应力诱导扩散的作用下，氢浓度在长时间内保持较高的水平。大厚板接头内氢排出的时间远远大于中厚板接头。.4.基于氢扩散性能差异，提出大厚板焊接接头奥氏体+铁素体复合焊道设计方法，基于细观损伤力学本构关系对复合焊道接头进行力学性能评价，同时对比分析复合焊道与原焊道的氢扩散差异。研究表明，合理设计的复合焊道可以达到甚至优于原有焊道的力学性能，且能够显著降低大厚板接头关键位置的冷裂倾向。