电磁热焊缝热裂纹止裂及结构强化研究

提高焊接构件的力学性能是工程实践中急需解决的关键问题。利用电磁热效应实现焊接构件焊缝中热裂纹的止裂，遏制了由于夹杂引起的裂纹扩展，同时实现了缺陷附近金属组织的超细化，改善了构件的内部应力状态，达到了焊接结构强化的目的，是提高焊接结构性能新颖而又行之有效的方法之一。该研究属于热磁弹性力学应用领域中的一个新分支。前期的预研工作表明：应用超强脉冲电流的作用，能达到在不改变焊接构件基体原有组织和基本性能的情况下，实现焊缝热裂纹止裂、组织细化和结构增韧强化的目的。本项目建立在电磁场、温度场和机械场耦合理论基础上，结合实验、数值模拟和理论研究方法，建立焊缝热裂纹电磁热止裂及结构强化的温度场、应力场理论分析模型，完成耦合场数值分析，结合微观组织分析及力学性能测试，对由瞬间脉冲电流产生的焊缝强化这一非平衡处理技术进行深入研究。项目的研究对改善焊接结构的性能具有理论意义和实用价值。

对金属焊接接头中通入强脉冲电流，利用电磁热效应可以实现焊接接头中热裂纹的止裂，遏制由于夹杂等缺陷引起的裂纹扩展，研究表明电磁热止裂技术是实现焊接接头裂纹止裂和提高焊接接头力学性能的行之有效的方法之一。本项目通过理论分析、数值模拟和实验三者相结合的方法开展研究工作。采用氩弧焊、激光焊和搅拌摩擦焊等工艺制备了低、中碳合金钢、有色金属等多种材料和形式的焊接接头，利用超声波无损检测仪标定内部缺陷，利用自主研发的超强脉冲放电装置ZL-2对焊接接头通入强脉冲电流，并对强化前后的组织和力学性能进行了对比分析。分析结果表明：在合适的放电工艺条件下，焊接接头的力学性能得到了不同程度的提高，例如45钢焊接接头拉伸强度平均提高16%，断裂延伸率平均提高38.1%， Q235与1Cr18Ni9异种钢焊接接头强化后拉伸强度平均提高19.4%，断裂延伸率平均提高12.7%。通过对放电前后焊接接头处断口扫描和显微组织分析，发现强脉冲电流可使裂尖钝化，提高了裂纹的扩展功，缺陷附近组织明显细化，提高了焊接接头的强韧性，相变区显微硬度均在HV680以上。应用Eshelby等效夹杂原理对脉冲放电止裂后裂纹尖端发生组织转变的相变应力进行了理论分析，建立相变简化模型，求解特征应变近似等于体积膨胀量，计算出Eshelby张量，最后推导出相变应力的表达式，结果表明相变应力为压应力，大小达到100Mpa数量级，阻止了裂纹的扩展。根据场论中势流函数理论和非傅里叶热效应求解了含非金属夹杂结构电磁热止裂瞬态的温度场，在热弹性范围内忽略惯性项，将热应力问题转化为准静力问题，采用复变函数法求解了热应力场。利用有限元分析软件，建立了焊接接头电磁热强化多场耦合的数值分析模型，求解了焊接构件焊接过程和放电强化过程的温度场、应力场及残余应力场。从数值模拟的角度分析了含孔洞和夹杂缺陷材料脉冲放电后缺陷附近的温度场和应力场。数值研究结果表明：在焊接过程完成后在焊接接头处会产生三向残余拉应力，脉冲放电瞬间及其后的整个冷却过程中环绕裂纹尖端一直存在压应力，对裂纹尖端有“夹紧”作用，遏制了裂纹的进一步扩展。项目的研究解决了焊接接头电磁热裂纹止裂与结构强化的关键基础科学问题。