鋼_鋁合金結(jié)構(gòu)過渡接頭焊接工藝參數(shù)的計算確定

1、 文章編號 :167127953(2004) 05219203收稿日期 :2004208227作者簡介 :王承權(quán)(1937 - ) ,男 ,大學(xué) ,教授鋼 - 鋁合金結(jié)構(gòu)過渡接頭 焊接工藝參數(shù)的計算確定王承權(quán)1 代海波2 廖銀波21. 武漢理工大學(xué) 武漢 430063 2. 武漢南華高速船舶工程股份有限公司 武漢 430064摘要 以結(jié)構(gòu)過渡接頭界面溫度低于臨界溫度為準(zhǔn)則 ,用焊接熱過程理論確定臨界焊接

2、熱輸入 ,為結(jié)構(gòu)過渡接頭與上層建筑及主船體焊接工藝參數(shù)的計算確定提供依據(jù) ;計算確定的焊接工藝參數(shù) ,保證結(jié)構(gòu)過渡接頭焊后具有爆炸復(fù)合的原有性能。關(guān)鍵詞 結(jié)構(gòu)過渡接頭 臨界溫度 臨界焊接熱輸入 焊接工藝參數(shù) 計算確定中圖分類號 U671. 83 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 AAbstract According to the criterion that the interface temperature sho

3、uld be lower than the critical temperature , thecritical heat of welding input could be determined by the theory of heat process. It provides theoretical basis for calculativedetermination of the conditional parameters o

4、f welding for structural transition joints (ST J) between superstructure and marinestructure. The research shows that the calculated parameters assure ST J to process the primordial explosion clad behaviors af 2ter weldi

5、ng.K ey words structural transition joint ; critical temperature ; critical heat of welding input ; conditional parameter ; cal 2culative determination1 引言1. 1 結(jié)構(gòu)過渡接頭界面的臨界溫度爆炸復(fù)合制成的結(jié)構(gòu)過渡接頭 ST J (StructuralTransition

6、Joint) 可以把鋁合金上層建筑與鋼主船體直接焊接起來?，F(xiàn)在應(yīng)用的過渡接頭有法國、日本等國家制造的 ,我國亦對爆炸焊原理進行了研究 ,并成功爆炸合成多種類型的結(jié)構(gòu)過渡接頭 ,而且在實船上獲得了廣范應(yīng)用。目前 ,正在研究中的新型結(jié)構(gòu)過渡接頭對焊接工藝參數(shù)的選擇比較寬松[1] 。研究表明 ,經(jīng)爆炸合成的結(jié)構(gòu)過渡接頭在實際應(yīng)用中都具備一個最基本的要求 ,即結(jié)構(gòu)過渡接頭應(yīng)用于鋁合金上層建筑及鋼主船體的焊接時 ,結(jié)構(gòu)過渡接頭復(fù)合界面的溫度升高不

7、能超過臨界溫度。法國制造的鋁 - 鋁 - 鋼類型結(jié)構(gòu)過渡接頭的臨界溫度是 300 ℃ [2] ,鋁 - 鈦 - 鋼類型則為 350 ℃ [3] 。這種特殊要求使得結(jié)構(gòu)過渡接頭與相鄰結(jié)構(gòu)焊接時 ,焊接工藝參數(shù)的選取與普通的焊接工藝參數(shù)的確定方式顯著不同 ,也就不能將一般的 MIG焊、 TIG焊的工藝參數(shù)用于過渡接頭自身對接及其與相鄰結(jié)構(gòu) ,而需要專門制定工藝參數(shù)。過渡接頭與相鄰結(jié)構(gòu)的焊接見圖 1。圖 1 結(jié)構(gòu)過渡接頭與鋁合金上層建筑及

8、鋼主船體的焊接節(jié)點圖 1 中所用結(jié)構(gòu)過渡接頭為法國制造的 Tri- clad(R) ,該 ST J 材料有兩個界面 :鋁合金 - 純鋁界面及純鋁 - 鋼界面。文獻(xiàn)[2 ]要求焊接過程中應(yīng)當(dāng)控制鋁 - 鋼界面溫度不超過 300 ℃。因為當(dāng)界面溫度超過 300 ℃ 時 ,由于 Al 和 Fe 原子內(nèi)擴散可能在復(fù)合區(qū)形成晶間脆化相 ,使復(fù)合區(qū)的強度及耐腐蝕能力下降。結(jié)構(gòu)過渡接頭與相鄰結(jié)構(gòu)要焊接的接縫有 :與上層建筑的鋁合金角接縫 Wa及與主船

9、體的鋼質(zhì)角接縫 Ws。顯然 ,不論是 Wa還是 Ws ,在焊接過程中都應(yīng)滿足鋁 - 鋼界面溫度小于臨界溫度 (300 ℃ ) 這個準(zhǔn)則。這是制定結(jié)構(gòu)9 1船海工程 2004 年第 5 期 (總第 162 期)© 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.netTm

10、ax rx = 0. 386 qπ 2 C γ ·v ·r2x= 0. 386 qn π 2 C γ ·r2x(4)式中 : C γ — — —比熱與密度的乘積 ,J · (cm 3 ·℃ ) - 1;rx — — —最高溫度的等溫面 (柱面) 半徑 ,cm。表達(dá)式 (4) 建立在給定材料 (即熱物理性能C γ )距熱源 rx 的最高溫度與焊接熱輸入之間的函數(shù)關(guān)系。在結(jié)構(gòu)過渡接頭中 rx

11、 相當(dāng)于鋁層厚度(對應(yīng)于角焊縫 Wa) ,或鋼層厚度 (對應(yīng)于角焊縫 Ws) , Tmax rx 為界面溫度 ,在實現(xiàn)準(zhǔn)則條件下即為臨界溫度 Tcr 。于是由表達(dá)式(4) 可對 Wa 及 Ws分別求得滿足界面溫度小于臨界溫度這一準(zhǔn)則的焊接熱輸入。有了這個熱輸入 ,按式(3) 可以組成滿足準(zhǔn)則的一系列焊接工藝參數(shù) :焊接電流、 電弧電壓及焊接速度。2. 4 實驗校核為了確定表達(dá)式(4) 的正確性 ,進行了模擬的T 型試件在焊接過程中對

12、給定點在預(yù)定的焊接工藝參數(shù)下焊接時的最高溫度測量。例如距角焊縫軸線為 40 mm 及 80 mm 的距離上 ,最高溫度的理論計算值分別是 123 ℃ 和 52 ℃,對應(yīng)的實測值是130 ℃ 和 54 ℃。說明表達(dá)式(4) 比較真實地反映了焊接熱過程中給定點、 熱輸入與最高溫度之間的數(shù)量關(guān)系。3 結(jié)構(gòu)過渡接頭的臨界焊接熱輸入 及焊接工藝參數(shù)匹配3. 1 子臨界焊接熱輸入將界面的臨界溫度 Tcr 、 給定點的半徑 rx 及過渡接頭厚

13、度代入表達(dá)式 (4) ,求得焊接 Wa 、 Ws時滿足界面溫度低于臨界溫度的臨界焊接熱輸入q 3ncr 。q 3ncr = 4. 27 C γ ·r2x ·Tcr (5)式中 : q 3ncr — — — 焊接 Wa 及 Ws 時被分配到鋁層及鋼層的熱輸入 ,稱為子臨界焊接熱輸入 ,可表示 qna 或 qns 的臨界值。但還不能由它們直接確定焊接工藝參數(shù)。3. 2 臨界焊接熱輸入將按式 (5) 求得的子臨界焊接熱

14、輸入代入(1) 、 (2) 式 ,可求出焊接角焊縫 Wa 及 Ws 的臨界線能量 quncr 及 qhncr 。再根據(jù)它們確定焊接 Wa 及Ws 的焊接工藝參數(shù)。3. 3 焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化匹配有了臨界焊接熱輸入 ,可根據(jù)式 (3) 并考慮MIG焊接及 MIG 2P 焊接中焊接電流 (送絲速度) 、電弧電壓及焊接速度的相互關(guān)系 ,以及角焊縫 Wa及 Ws 的焊腳尺寸 ,可初選出滿足臨界焊接熱輸入(即界面溫度小于臨界溫度準(zhǔn)則) 的 2

15、～3 組焊接工藝參數(shù)。這 2～3 組焊接工藝參數(shù)與文獻(xiàn)[1 ]用溫度監(jiān)視器測定界面溫度時的焊接工藝參數(shù)本質(zhì)上的區(qū)別在于 ,前者保證界面溫度小于臨界溫度準(zhǔn)則 ,而后者尚不知道 ,需經(jīng)過試驗后才能明確。3. 4 焊接工藝參數(shù)的最終確定臨界焊接熱輸入是利用焊接熱過程理論在運動點熱源加熱半無限大物體時的最高溫度表達(dá)式求得的 ,這個理論的正確性在這里已經(jīng)過實驗校核。 初選的滿足臨界焊接熱輸入的 2～3 組焊接工藝參數(shù) ,經(jīng)焊接試驗最終可確定出

16、最優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)。4 結(jié)論1) 對于結(jié)構(gòu)過渡接頭與上層建筑及鋼主船體焊接中所用的運動點熱源最高溫度表達(dá)式的正確性被實驗證實。2) 界面溫度小于臨界溫度準(zhǔn)則可以通過計算臨界焊接熱輸入得到實現(xiàn)。3) 在滿足臨界焊接熱輸入條件下 ,優(yōu)化匹配焊接工藝參數(shù)。參 考 文 獻(xiàn)1 王承權(quán) ,夏炳仁. 鋁合金上層建筑與鋼主船體的新型焊接過渡接頭. 船舶工程 ,1999 ,(4)2 Merrem andre′ de la porte . ST

17、RUCT URAL TRANSITIONJ IONTS GENERAL G UIDE LINGES FOR WE LDING. B. V. ,19983 陳國虞 ,李標(biāo)峰 ,李敬勇. 鋁合金上層建筑與鋼結(jié)構(gòu)的電焊連接. 96′ 中國國際船艇及船用技術(shù)設(shè)備展覽會技術(shù)交流報告會 ,上海 :1996. 44 Н . О . О κ е р б л о м , Ρ а с ч е тД е ф о р м а ц и ǚМ е т а л