基于稀释率的低相变点焊接材料设计方法技术

本发明专利技术公开了基于稀释率的低相变点焊接材料设计方法，针对不同的母材化学成分和稀释率，可以预测LTT焊接材料的最佳Ms点，设计出相应的最佳LTT焊接材料，保证焊缝金属获得最大的膨胀量，从而使焊接接头产生最大的残余压应力，最大化的提高焊接接头的疲劳寿命。

Design method of low phase change welding material based on dilution ratio

【技术实现步骤摘要】
基于稀释率的低相变点焊接材料设计方法
本专利技术涉及低相变点焊接材料，更加具体地说，尤其涉及一种基于稀释率的低相变点焊接材料设计方法。
技术介绍
焊接结构广泛应用于工程机械、大型钢构、钢桥、建筑结构、船舶与海工装备、机车车辆等领域。疲劳是焊接结构最主要破坏形式。研究表明焊接结构失效约80％源于疲劳，其失效均由焊接接头处引发。其主要原因是焊接接头的残余拉伸应力和应力集中的影响。目前，TIG熔修法、焊趾打磨法、锤击法、喷丸法、焊后消应力热处理以及超声冲击法等已成为提高焊接结构疲劳强度的重要方法。此类方法均属于焊后处理，大大增加劳动量和成本，延长制造周期。低相变(LowTransformationTemperature，简称LTT)焊接材料法是一种新型的提高焊接接头疲劳强度的方法。其利用焊缝金属在较低温度下(马氏体转变开始温度Ms点低于350℃)，通过马氏体相变产生的体积膨胀，使焊缝及周围母材产生残余压缩应力，从而提高焊接接头疲劳强度。低相变点焊接材料法在原始焊态下可以产生残余压缩应力，无需增加任何焊后措施，效率高、成本低、节能环保。霍立兴等专利技术了“用于提高焊接接头疲劳强度的焊条”(专利号CN1332058A)，“提高焊接接头疲劳强度的药芯焊丝”(专利号CN1651178A)，“提高焊接接头疲劳性能的实芯焊丝”(专利号CN1651181A)等低相变点焊接材料，可用于大型焊接结构，焊后产生压缩残余应力，焊接接头的疲劳强度比普通焊条、药芯焊丝和实芯焊丝的焊接接头大幅提高。王红洪等专利技术了“提高工程机械高强钢焊接接头疲劳性能的实芯焊丝”(专利号CN102632348A)，满足800-1000MPa级工程机械高强钢，焊接接头具有较高的抗疲劳性能。徐连勇等专利技术了“一种产生残余压缩应力的实芯焊丝及其在不锈钢焊接中的应用”(专利号CN102554507A)，能够在不锈钢焊接接头焊缝及附近产生残余压缩应力，改善焊接接头的疲劳性能；同时，采用从低相变点焊丝可以有效提高支管承插焊焊趾疲劳寿命，专利“提高支管承插焊焊趾疲劳寿命的焊接方法”(专利号CN10261539A)。上述关于低相变点焊接材料的研究成果和专利均是通过调整合金元素配比调控Ms，保证马氏体转变产生最大的膨胀量(Ms在200℃左右)，从而产生最大的残余压缩应力，进而提高焊接接头的疲劳强度。然而，在实际焊接过程中，焊接材料填充金属的化学成分会受到母材稀释率的影响，导致实际的焊缝金属化学成分与焊接材料填充金属相差较大。焊缝金属化学元素的变化，尤其合金元素的变化，直接影响Ms点，进而影响马氏体相变膨胀量，导致低相变点焊接材料产生残余压缩应力和改善焊接接头疲劳性能的效果被削弱。因此，在低相变焊接材料的设计、开发和应用上，必须考虑母材稀释率的影响，才能将低相变点焊接材料改善焊接接头疲劳性能的效果发挥到最佳。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有低相变点焊接材料设计和开发过程中未考虑母材化学成分和稀释率的影响，导致其产生残余拉应力和改善焊接接头疲劳性能的效果被削弱的缺点，提出一种基于稀释率的低相变点焊接材料设计方法，可以根据不同的母材化学成分和稀释率，设计开发最佳的低相变点焊接材料，使其在实际应用中能产生最大的残余压缩应力，获得最佳的疲劳强度。本专利技术的技术目的通过下述技术方案予以实现。基于稀释率的低相变点焊接材料设计方法，按照下述步骤进行：步骤1，依据如下公式，计算焊接材料填充金属Ms点(即LTT焊接材料熔覆金属的最佳Ms点)其中Ms(fm)为焊接材料填充金属Ms点，Ms(wm)为焊缝金属Ms点，Ms(bm)为母材Ms点，D为稀释率为了保证焊缝金属获得最大膨胀量，根据文献设定焊缝金属Ms点(Ms(wm))为180—220摄氏度；稀释率D根据焊接工艺实验进行测试获得，或者根据焊接工艺的经验公式进行预测得到；根据母材化学成分和经验公式获得母材Ms点(Ms(bm))步骤2，依照母材Ms点的预测经验公式，代入焊接材料填充金属Ms点，在现有LTT焊接材料的金属元素组成中进行合金元素的配比调整，即可获得最佳Ms点的LTT焊接材料。现有LTT焊接材料的金属元素组成，质量百分数(wt％)：C＜0.1％，Si0.2％-1％，Mn：0.5％-2％，Cr：5％-16％，Ni：5％-12％，Mo＜2％，其余为Fe。步骤2中使用的母材Ms点的预测经验公式和步骤1中获得母材Ms点的经验公式一致。本专利技术的基于稀释率的低相变点焊接材料设计方法，根据母材化学成分和稀释率，预测最佳的低相变点焊接材料Ms，从而使实际焊缝金属获得最大的相变膨胀量，产生最大的残余压缩应力，使疲劳寿命提高达到最大化。在实际焊接过程中,母材会发生部分熔化，进入焊接熔池，如图1所示，焊缝金属包括焊接材料填充金属和部分熔化的母材金属，因此，导致焊缝金属的化学成分与焊接材料填充金属不同。低相变点材料Ms点在180—220℃(OhtaA,WatanabeO,MatsuokaK,SigaC,NishijimaS,MaedaY,SuzukiN,KuboT,Fatiguestrengthimprovementbyusingnewlydevelopedlowtransformationtemperatureweldingmaterial.Weldworld1999；38(6):38-42；WangWX,HuoLX,ZhangYF.Newdevelopedweldingelectrodeforimprovingthefatiguestrengthofweldedjoints.JMaterSciTechnol2002；18:527-531；MurataH,KatohN,TamuraH.Effectoftransformationonresidualstressinwelding-stressreleasementbytransformationsuperplasticity(part5).QuarterJJapWeldSoc1993；11:545-550；OoiSW,GarnhamJE,RamjaunTI.Review:Lowtransformationtemperatureweldfillerfortensileresidualstressreduction.MaterDesign2014；56:773-781)，膨胀量达到最大值。举例来说，当LTT焊接材料的Ms设计为200℃时，由于母材稀释率的影响，实际焊缝金属的Ms会偏离200℃，导致膨胀量无法达到最大。为了使焊缝金属的膨胀量达到最大，焊缝金属的Ms应该控制在200℃左右，而不是LTT焊接材料填充金属的Ms控制在200℃。根据母材稀释率计算公式(公式1，DupontJ,KuskoC.Martensiteformationinaustenitic/ferriticdissimilaralloywelds.WeldJ2007；86:51-54)。D-母材稀释率，Cwm-焊缝金属化学成分的浓度(即质量百分数)，Cfm-焊本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于稀释率的低相变点焊接材料设计方法，其特征在于，按照下述步骤进行：/n步骤1，依据如下公式，计算焊接材料填充金属Ms点(即LTT焊接材料熔覆金属的最佳Ms点)/n

【技术特征摘要】
1.基于稀释率的低相变点焊接材料设计方法，其特征在于，按照下述步骤进行：
步骤1，依据如下公式，计算焊接材料填充金属Ms点(即LTT焊接材料熔覆金属的最佳Ms点)



其中Ms(fm)为焊接材料填充金属Ms点，Ms(wm)为焊缝金属Ms点，Ms(bm)为母材Ms点，D为稀释率；焊缝金属Ms点为180-220摄氏度，根据母材化学成分和经验公式获得母材Ms点
步骤2，依照母材Ms点的预测经验公式，代入焊接材料填充金属Ms点，在现有LTT焊接材料的金属元素组成中进行合金元素的配比调整，即可获得最佳Ms点的LTT焊接材料。


2.根据权利要求1所述的基于稀释率的低相变点焊接材料设计方法，其特征在于，稀释率D根据焊接工艺实验进行测试获得，或者根据焊接工艺的经验公式进行预测得到。


3.根据权利要求1所述的基于稀释率的低相变点焊接材料设计方法，其特征在于，母材Ms点根据其化学成分进行预测，可采用如下经验公式进行计算：
(1)Ms(℃)＝561-474C-33Mn-17Ni-17Cr-21Mo
(2)Ms＝539-423C-30.4Mn-17.7Ni-12.1Cr-7.5Mo
(3)Ms(℃)＝719-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴世品，王东坡，邸新杰，利成宁，周之金，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：天津;12