水下电弧增材修复高强度海洋工程钢过程中冷裂纹控制机制研究

Due to the influence of high cooling rate and high hydrogen content under the water, cold cracks are easily formed in the repaired layer during underwater arc additive repair of high strength offshore structural steel. For this problem, this project is intended from the perspective of the repair process design, the underwater arc additive repair path planning and plus medium frequency induction heat treatment are investigated to control the cold crack. By analyzing the hydrogen diffusion content, cold crack susceptibility, the microstructure and mechanical properties of the repaired layer, the metallurgical characteristics and the formation mechanism of cold crack were studied. Combined with the analysis of temperature field and stress field, the microstructure evolution and diffusion hydrogen content with temperature field are studied. The influence of microstructure, hydrogen diffusion content, residual stress on the cold crack sensitivity and mechanical properties are also investigated. The control mechanism of cold cracks is revealed. It provides technical support for the wide application of high strength marine engineering steel underwater arc additive repair technology.

针对高强度海洋工程钢水下电弧增材修复时受到水下高冷却速度和高氢含量的影响，导致修复层中极易生产冷裂纹的问题，本项目拟从水下电弧增材修复工艺设计角度出发，从水下电弧增材修复堆积路径规划和外加中频感应热处理两方面对水下电弧增材修复冷裂纹的控制机制进行了研究。通过对修复层扩散氢含量、冷裂纹敏感性、特征区域微观组织及力学性能分析，研究水下电弧增材修复冶金特点及冷裂纹形成机制，同时结合温度场和应力场的分析，研究微观组织、扩散氢含量随温度场的演变关系，以及微观组织、扩散氢含量和残余应力对冷裂纹敏感性及力学性能的影响，揭示冷裂纹的控制机制，为高强度海洋工程钢水下电弧增材修复技术的应用提供技术支持。

冷裂纹是影响高强度海洋工程钢水下电弧增材修复质量的关键因素。本项目采用自主研发的水下湿法焊接专用铁基药芯焊丝为水下电弧增材修复材料，从工艺设计角度出发，研究修复层中冷裂纹的形成机制、微观组织、温度场、应力场及扩散氢的影响。通过工艺参数优化、水下电弧增材修复堆积路径设计及外加中频感应加热等方式，成功解决了高强度海洋工程钢水下电弧增材修复过程中易生成冷裂纹的问题，获得了性能优异的水下电弧增材修复层。研究结果表明，水下电弧增材修复较优工艺参数为：焊接电流265A，焊接电压31V，焊接速度为3.3m/min。通过对四种不同水下修复堆积路径研究发现，正反交替扫描路径时应力最小，力学性能优于其它三种堆积路径，抗拉强度达到489MPa；外加辅助中频感应加热，降低了熔覆层中的扩散氢含量、应力和降温速度，修复层中细晶区宽度增加，马氏体、下贝氏体等脆硬组织减少，针状铁素体和板条状铁素体数量增加，熔覆层的综合力学性能优于未外加加热装置时，正反交替扫描路径修复层抗拉强度达到523MPa。本项目的研究成果为高强度海洋工程钢水下电弧增材修复技术的广泛应用提供技术支持，在舰船应急抢修、水下结构物维护以及核电设备的维修保养等方面具有非常好的实际应用价值。