[发明专利]预测低合金钢焊缝金属中非金属夹杂物特征参数的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种预测钢焊缝金属中夹杂物特征参数的方法，尤其涉及一种预测低合金钢焊缝金属中夹杂物特征参数的方法。

背景技术

焊缝金属中的夹杂物是一种常见的焊接缺陷，主要是在焊接过程中通过冶金物理化学反应形成的微粒和非金属杂质。夹杂物的存在不仅降低焊缝金属的韧性，增加低温脆性，同时也增加了焊缝的热裂和层状撕裂倾向。为了提高焊缝金属性能，相关工程技术人员采取多种冶金和工艺措施，比如严格限制焊丝、母材中杂质的含量，提高熔池的存在时间，摆动焊条和短弧焊等，以降低夹杂物的形成数量。

近年来，随着钢铁冶炼技术的进步和焊接科技的不断发展，围绕焊缝中的夹杂物出现了一种相反的观点，即氧化物冶金理论。氧化物冶金技术即是在炼钢和焊接过程中控制夹杂物的大小、形态、数量和分布，在钢或焊缝金属的凝固过程中，这些大量细小、弥散分布的夹杂物能够起到晶内铁素体形核质点的作用，有效抑制晶粒长大，在轧制或焊接过程中起到细化晶粒的作用。而低合金钢焊缝金属易出现严重的晶粒粗化、局部软化和脆化的现象，综合表现为焊缝金属的韧性急剧下降，威胁着工程结构的适用安全。利用“氧化物冶金”技术，即利用焊缝金属中的非金属夹杂物可极大促进针状铁素体的形成并减少其他铁素体的数量。由于针状铁素体晶粒细小，且相邻针状铁素体的板条间为大角度晶界，晶粒内位错密度较高，因此具有针状铁素体组织的焊缝金属可以获得高的强度和良好的低温韧性。

焊缝金属中诱发针状铁素体形核、长大的夹杂物主要包括TiO、TiN和MnO·Al₂O₃等，其特征参数是影响夹杂物形核的重要因素。当夹杂物含有多种相组成，并且夹杂物尺寸为0.5～0.8μm、体积分数为1×10^-3～6×10^-3时,有利于针状铁素体的多维形核。同时，单位体积夹杂物的数量决定了针形铁素体的形核数量。而若夹杂物间距太大，易导致铁素体粗大，降低焊缝金属韧性，因此，夹杂物间距一般要在2～10μm。

目前低合金钢焊材成分多样，不同种类焊材采取了不同的合金设计，即使同一厂家的不同批号产品也存在一定成分波动，不同的成分导致了焊缝中非金属夹杂物具有不同的特征参数。为了获得较好的低合金钢焊接接头韧性，需要设计合理的焊缝金属成分从而获得较好的非金属夹杂物的特征参数。目前，主要是通过大量焊接实验及昂贵的测量设备来测定焊缝金属中非金属夹杂物的特征参数，这不仅消耗大量人力、物力和时间，而且适用范围较窄。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提出了一种快速、适用于大规模使用、低成本的预测低合金钢焊缝金属中非金属夹杂物特征参数的方法。

本发明解决该技术问题所采用的技术方案是：

预测低合金钢焊缝金属中非金属夹杂物特征参数的方法，包括步骤：

步骤1，基于合金热力学理论设计一系列低合金钢焊缝金属组分，并获取各组分的低合金钢焊缝金属相图；

步骤2，分析低合金钢焊缝金属相图获得各低合金钢焊缝金属内非金属夹杂物的特征参数，所述的非金属夹杂物特征参数包括非金属夹杂物的平均直径、体积分数、数量密度和平均间隔，其中，数量密度为单位体积的非金属夹杂物数量；

步骤3，对低合金钢焊缝金属中非金属夹杂物特征参数的实测数据样本进行拟合，基于焊缝金属中硅、锰、铝、钛、氮、氧元素含量和所对应的非金属夹杂物特征参数建立回归模型；

步骤4，运用多元线性回归法分析所设计的低合金钢焊缝金属中硅、锰、铝、钛、氮、氧元素含量与非金属夹杂物特征参数的关系，获得回归模型的回归系数，利用残差图修正回归系数即得到非金属夹杂物特征参数预测模型；

步骤5，采用低合金钢焊缝金属中非金属夹杂物特征参数的实测数据样本进一步修正非金属夹杂物特征参数预测模型；

步骤6，根据低合金钢焊缝金属中硅、锰、铝、钛、氮、氧元素含量，采用非金属夹杂物特征参数预测模型即可预测低合金钢焊缝金属中夹杂物的特征参数。

上述步骤1中所述的设计一系列低合金钢焊缝金属组分具体为：

根据低合金钢焊缝金属化学成分和各主要合金元素可能的含量变化范围，改变低合金钢焊缝金属中硅、锰、铝、钛、氮、氧六种主要影响夹杂物特征参数的元素含量，得到多种不同组分的焊缝金属；

上述步骤1中所述的低合金钢焊缝金属相图是采用Thermo-Calc热力学软件计算得到。

上述低合金钢焊缝金属内非金属夹杂物的特征参数是通过分析低合金钢焊缝金属相图中液体、体心立方钢、面心立方钢、熔渣、氧化物和氮化物的含量得到。