[01614328]大厚壁高刚度焊接结构焊缝金属外电场电化学控氧增韧技术及应用

随着制造业的转型升级，高端装备制造对焊缝金属提出了更为苛刻的质量要求，焊接质量已成为石化装备产品市场竞争力的重要技术指标。由于石化厚壁容器焊接加工会引起结构件内部较大的拘束应力，而这类厚壁容器又往往服役于极为严酷的工作环境。为此增加厚壁焊缝的韧性储备，是保证焊接结构安全运行、防止失效事故发生的关键技术，因而对高端石化装备制造具有重要的工程实际意义。焊缝氧含量直接影响焊缝中夹杂物的形成及组织转变，与焊缝金属韧性间有着较大的关联性。人们一般通过调整焊接熔渣的化学活性，进而调整熔渣与熔池金属间的化学冶金作用来控制氧化夹杂物的形成。上世纪九十年代以来，国外学者的研究已证实埋弧焊熔渣与液态金属间存在一定的电化学氧迁移行为。然而在通常情况下，由于焊接电流主要通过电弧传导，而流经焊接熔渣与液态金属界面的电流甚弱，因而这种电化学氧迁移机制并不显著。该项目研究提出了一种在埋弧焊熔渣与液态熔池间施加外电场，通过外电场强化电化学作用，诱导氧流的方法。该方法的基本原理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直流外电场，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，从动力学上抑制氧化夹杂物的生长，并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。 项目通过研究：1、熔滴金属和熔池金属内部内生夹杂物的形成机制，揭示出夹杂物诱发焊缝金属针状铁素体的外控条件。2、设计并试验了利用外电场施加于大线能量埋弧自动焊的方法，系统地研究了焊接电流、焊接速度、熔渣碱度、外场电流大小及极性、焊缝熔合比等工艺参数对电化学控氧行为的影响规律。3、揭示出利用外场作用可使熔池金属内部复杂粒子电离，正负离子形成细小而分散的夹杂物，进而创造诱发针状铁素体的形核条件。4、应用菲克扩散定律及法拉第定律探讨了埋弧焊外加电场诱发电化学作用对焊缝金属致氧量的影响规律，建立了相应的电化学控氧动力学模型。5、研制开发了外场辅助电化学调控埋弧自动焊缝金属氧流的成套装置。 项目实施以来，已在《Materials Letters》、《China Welding》、《焊接学报》、《航空材料学报》等学术刊物上发表SCI/EI收录论文20余篇，授权国家发明专利17件，项目成果应用于南京德邦金属装备工程股份有限公司后，先后应用在承接宜昌南玻硅材料有限公司委托生产的氢化反应器制造、为新疆合晶能源科技有限公司生产的冷氢化反应器制造、江苏虹港石化有限公司委托生产的高压吸收塔、尾气放空洗涤塔、蒸汽闪蒸设备制造等重点工程中，并成为美国UOP、Honeywell、德国Korting Mexico、法国ERAMET、澳大利亚Hydraxie、印尼APP等著名外资企业的合格供应商。极大地增强了高端产品的市场竞争力。近三年新增销售收入91992万元，实现利税5779万元。项目成果应用于江苏海恒建材机械有限公司超长径预应力管桩钢膜大型钢结构的制造，先后为连云港、上海、浙江、福建等地兴建30座3-20万吨深水泊位提供了大型管桩钢膜。使该公司超长径管桩钢模成功打入国际市场，出口至东南亚各国。近三年新增销售收入81184.89万元，实现利税4223.02万元。该成果为企业承接高端装备制造及企业转型升级提供了有利的技术支撑。