摘要
异种钢的焊接可以把不锈钢的优秀机械性能和低合金钢的经济性等结合起来，充分利用不同材料的优良性能，在实现良好焊接质量的基础上，能使焊接构件具备超出单一材料的综合力学性能。本文采用恒定磁场电弧偏转的焊接方法进行异种钢窄间隙焊接，使用ER316L和ER50-6焊丝填充，获得无缺陷的交织接头，与常规TIG焊接相比，减缓了异种钢焊接中存在的未熔合区、富碳区、接头熔合边界处元素分布不均匀等问题，利用交织接头提高了焊缝抗拉强度。 首先设计了磁控窄间隙焊炬，使焊枪整体结构更紧凑，满足窄间隙坡口内焊接的尺寸要求；不仅能提供足够的磁场强度使电弧产生明显偏转，还可以满足异种钢中SA-738碳钢的保护效果要求，进而能够实现成形良好，无焊接缺陷的异种钢焊接。 采用高速摄像对异种钢坡口内的电弧形态进行了研究，发现电弧形态明显受到焊接电流、励磁电流、钨极高度的影响，使电弧在异种钢坡口内的侧壁偏转高度发生明显变化。由于两侧母材存在电磁性的差异，磁性侧壁会对电弧有较强的吸引力，导致不同填充层的焊接工艺有所差别，对不同填充层的研究需要分开进行。同时焊接电流、励磁电流、钨极高度等的变化也会影响着坡口内电弧压力的分布和电压波形，使得电弧压力在坡口底部和侧壁上的分散情况不同，而其中钨极高度变化所带来的影响最为明显。基于对电弧行为的研究，对异种钢坡口内的填充层进行了不同参数下的研究，最终得到焊缝截面较为均匀，成形良好无缺陷的填充层工艺参数。 采用异种钢磁控窄间隙TIG焊接工艺对20mm厚304/SA-738异种钢进行了焊接，焊接过程稳定，焊缝成形良好，得到了无缺陷的交织接头。同时与采用常规TIG焊接方法所得到的ER316L和ER50-6接头进行力学性能与微观组织的对比，发现三个接头的抗拉强度均超过了所用填充金属的抗拉强度，但只有交织接头的拉伸断裂位置位于母材处，且交织接头的强塑性最好。但交织接头的显微硬度相比于其他两个接头之下，在中间层及焊缝中心会分布的更为不均匀。交织接头相互交叉生长的焊缝组织为其带来了较好的强塑性，并在微观组织上减缓了富碳区和未混合区的现象，而其他两个接头会出现富碳区或未混合区，影响接头的性能。对交织接头、ER316L接头、ER50-6接头三者的焊缝界面元素分布进行对比分析，发现交织接头各界面处的化学元素分布都比较均匀，而ER316L接头和ER50-6接头都会在其中一侧的热影响区上发生化学元素含量的突变。 对常规TIG和恒定磁场电弧偏转两种方法进行了温度场测量。相比于常规TIG的窄间隙焊接方法，本文采用的恒定磁场电弧偏转的新方法改变了坡口内的热量分布，让热量更多集中在坡口侧壁的同时减小底部热输入。
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