原位应力下高强钢焊接应变-应力和组织的演变

There are some situations with higher in-situ stress during onsite welding of some welding structures. In order to research the evolution of strain-stress and microstructure during arc welding under in-situ stress (concluded as external and phase transformation stress), the high strength steel with 600Mpa or more that can be used in nuclear engineering is taken as examples. The main experimental methods are time-resolved in-situ neutron diffraction and synchrotron radiation. The theory about mutual reactions between stress and metallurgy and the phase transformation kinetics during welding solidification will be proposed, and the evolution mechanism of strain-stress and microstructure will also be explored. There are three points are novel: (1) The formation mechanism and mutual reactions theory of residual stress in longitudinal, normal and transversal directions result from anisotropic dilatational strain; (2) Experimental and calculating method of neutron diffraction to investigate the in-situ evolution of strain-stress and microstructure through all thickness of welded metals; (3) The evolution rules of microstructure under in-situ stress and far-from equilibrium conditions and its effects on formation of residual stress. The research will provide the theoretical foundation and data for onsite welding of important structures like nuclear engineering, welding quality improving by pre-loading, also be the theory and model basis for welding stress and microstructure.The research also is helpful to the residual stress control in other hot working process as additive manufacturing and laser cladding.

针对现场焊接时某些结构需在较大原位应力状态下焊接的情况，以安全要求高的可用于核电工程等的 600MPa 级及以上高强钢为例，以实时高时间分辨率原位中子衍射为主要手段，探索原位应力（提炼为外加应力和相变应力）作用下弧焊过程中应变-应力和组织的演变规律和机制，提出焊接非平衡态凝固过程的力学-冶金交互作用及其相变动力学理论。主要创新点有（1）外加应力诱发的非平衡态马氏体相变的各向异性应变理论和其对全厚度纵、横、切不同方向残余应力形成的作用机制及其关联理论；（2）热-力作用下的全厚度中子衍射应变-应力和组织演变测试和计算方法；（3）原位应力下非平衡态组织的演变规律及其对残余应力形成的影响机制。该研究能为核电等重要工程现场焊接提供理论基础和可靠数据，为实际焊接过程采用预置应力方法提高焊接质量提供理论依据，也为焊接过程的应力和组织模拟提供建模理论基础，也可用以指导增材、熔敷制造等热加工过程的应力控制。

针对现场焊接制造和再制造时某些结构需在较大原位应力状态下焊接的情况，搭建了电磁场辅助下的原位应力焊接工作平台、热-力作用下的远程可控实时中子衍射移动工作平台、优化了焊接工艺、设计并制备了9Cr为基础的一系列低温相变合金材料（丝、粉），以安全要求高的可用于核电工程等的Q690低合金高强钢、9Cr马氏体高强钢、X65-X80管线钢等为例，以MIG焊接方法为主（作为对比和研究理论的适用性也试验了TIG、等离子喷焊、激光熔敷），通过X射线、中子衍射、SEM、TEM等手段对常规条件、外加应力和相变应力两种主要原位应力作用下的焊接组织和应变-应力演变进行了探索和比较研究。结果表明，马氏体相变温度控制在200摄氏度左右，相变膨胀效应能很好的抵消金属凝固产生的收缩量，最终获得低拉伸或者以压应力为主的残余应力，残余压应力可达到-300Mpa，厚板焊接的变形为传统方法的60%。提出了焊接过程数字图像相关实时全场应变检测方法，可检测距焊缝中心线4毫米的全场应变数据。焊缝熔敷金属抗拉强度超过母材，通过优化设计解决了该类材料焊接金属韧性较低的问题，熔敷金属韧性达到28J。提出焊接非平衡态凝固过程在外力（含拘束力）和相变应力以及力学-冶金交互作用下马氏体相变引起的残余应力形成机制。对服役性能的研究表明低温相变熔敷金属具有良好的耐高温蠕变、腐蚀、磨损和冷热疲劳性能，其中残余应力起着关键作用。还对中子衍射测量晶格距离非标定样方法进行了研究。为验证科学规律的适应性，将研究进一步扩展到电弧增材较大结构件的制造过程，验证在大热输入量和反复热循环下的应力和组织演变情况，基本符合本研究的演变规律。相应的理论和试验研究结果能为重要工程现场焊接提供理论基础和可靠数据，为实际焊接过程采用预置应力方法提高焊接质量提供理论依据，也为焊接过程的应力和组织模拟提供建模理论基础，也可用以指导增材、熔敷制造等热加工过程的应力控制。相应的结果在激光熔敷和电弧增材制造的拓展研究也较好的证明了该结果，相应核心成果在SCI、EI杂志发表科技论文26篇，授权发明专利10项，作大会报告邀请报告等6次，获得中国机械工业科技进步二等奖1项。