Come saldare l'acciaio fuso?

Come processo principale per il collegamento e la riparazione di parti in acciaio fuso, la saldatura dell'acciaio fuso presenta una complessità tecnica dovuta alle caratteristiche organizzative uniche e ai difetti di fusione dei materiali di acciaio fuso. Le parti in acciaio fuso spesso affrontano sfide tecniche come la fessurazione indotta dall'idrogeno, Infragilimento delle zone alterate dal calore e concentrazione di stress residui durante la saldatura a causa dell'elevato contenuto di carbonio equivalente, segregazione degli elementi di lega e struttura a grana grossa. Basato sulle caratteristiche tecniche di cinque processi di saldatura tradizionali, questo documento discute sistematicamente l'adattabilità del processo e il percorso di ottimizzazione della qualità della saldatura dell'acciaio fuso in combinazione con il controllo del ciclo termico, regolazione del comportamento metallurgico e analisi dinamica del bagno di fusione. Lo studio fornisce una base teorica e una guida pratica per la selezione dei processi di saldatura dell'acciaio fuso attraverso l'ottimizzazione dell'accoppiamento dei parametri, analisi del meccanismo di funzionamento e verifica del caso ingegneristico.

1. Confronto delle caratteristiche tecniche e analisi di adattabilità dei processi di saldatura
La scelta dei processi di saldatura dell'acciaio fuso richiede una considerazione completa della composizione del materiale, caratteristiche geometriche strutturali e carichi di servizio. Con la sua flessibilità di processo e la semplicità delle attrezzature, saldatura ad arco metallurgico (SMAW) ha un vantaggio nella riparazione della fusione e nelle operazioni in loco. Il cuore della tecnologia è regolare la reazione metallurgica attraverso il rivestimento dell'elettrodo. Dopo la cottura, elettrodi a basso contenuto di idrogeno (come E5015) può ridurre efficacemente il contenuto di idrogeno diffusibile della saldatura, e la resistenza alle crepe è migliorata di oltre 40% rispetto agli elettrodi acidi. Tuttavia, la fluttuazione dell'apporto termico causata dal funzionamento manuale può facilmente causare difetti come mancata fusione e inclusione di scorie, e le specifiche di funzionamento ad arco corto (lunghezza dell'arco ≤ diametro dell'elettrodo) e il processo di pulizia dello strato intermedio deve essere seguito rigorosamente.

Saldatura sotto protezione di gas (GMAW/MIG) raggiunge un apporto termico preciso attraverso il controllo della corrente pulsata. La sua efficienza di deposizione (10-15kg/h) è significativamente superiore a quello della saldatura ad arco con elettrodo, ed è adatto alla saldatura in piano e alla saldatura in batch di lamiere di medio e grosso spessore. Protezione dal gas inerte (come l'Ar puro) può isolare l'ossidazione dell'aria. Con la regolazione della frequenza degli impulsi (50-200Hz) e ciclo di lavoro (40-60%), la purezza e la densità della saldatura sono notevolmente migliorate. Tuttavia, la sua resistenza al vento è debole (sono necessarie misure ausiliarie quando la velocità del vento è >2SM), che ne limita l'applicazione nelle operazioni all'aperto.

Saldatura a gas inerte di tungsteno (GTAW/TIG) utilizza elettrodi di tungsteno non fondenti e protezione argon per ottenere una saldatura a basso apporto di calore. La larghezza della zona interessata dal calore può essere controllata entro 1 mm, particolarmente adatto per la saldatura di acciai fusi altolegati e lamiere sottili. La stabilità dell'arco e la qualità della formazione della saldatura sono migliori rispetto ad altri processi, ma il tasso di deposizione è basso (1-3kg/h) e la perdita dell’elettrodo di tungsteno aumenta i costi a lungo termine. È più adatto per scenari di saldatura di precisione come giunti di testa di piastre sottili di acciaio fuso o saldatura di radice.

Saldatura ad arco sommerso (SEGA) è diventato il processo preferito per saldature lunghe e diritte di getti spessi grazie alla sua elevata efficienza di deposizione (20-50kg/h). La composizione del flusso ha un effetto significativo sulle reazioni metallurgiche. La combinazione di flusso sinterizzato (come SJ101) e il filo di saldatura H08MnA è adatto per acciaio fuso a basso tenore di carbonio, mentre fonde il flusso (come HJ431) migliora la resistenza alle crepe migliorando l'effetto di desolforazione. Tuttavia, la sua attrezzatura è ingombrante e limitata a posizioni di saldatura in piano, e la precisione di lavorazione della scanalatura e la temperatura dell'interstrato (≤300℃) devono essere strettamente controllati.

Saldatura con filo animato sotto gas di protezione (FCAW) combina la transizione del flusso e la protezione del gas e dispone sia della modalità di autoprotezione che di protezione del gas. Filo per saldatura autoprotetto (come E71T-1) è adatto per la saldatura in tutte le posizioni e ha una forte resistenza al vento (resiste alla velocità del vento di 5 m/s), che è ideale per la costruzione esterna e la riparazione di strutture complesse. La sua tenacità di saldatura è migliore di SMAW, ma gli schizzi sono più estesi, e la formazione della saldatura è approssimativa. La stabilità del processo deve essere migliorata attraverso l'ottimizzazione dei parametri (come una lunghezza di estensione di 15-25 mm).

2.Analisi multidimensionale della strategia di ottimizzazione dei processi
L'ottimizzazione della qualità della saldatura dell'acciaio fuso richiede innovazioni coordinate in tre aspetti: controllo del ciclo termico, regolazione del comportamento del bagno fuso e soppressione della deformazione. Il fulcro del controllo del ciclo termico è ridurre il rischio del contenuto di idrogeno diffusibile e dell’infragilimento della ZTA. Tramite preriscaldamento a gradini (150-300℃) combinato con post-riscaldamento (200-350℃×2-4h), il tasso di crack può essere ridotto di più 60%. Controllo della temperatura dell'interstrato (≤400℃) combinato con il monitoraggio in tempo reale della misurazione della temperatura a infrarossi può evitare efficacemente l'ingrossamento del grano. Gli esperimenti dimostrano che per ogni 50°C aumenta la temperatura di preriscaldamento, la resistenza alla fessurazione della saldatura aumenta di 15%-20%.

Il controllo del comportamento del bagno di fusione migliora la fluidità del bagno di fusione ottimizzando i parametri dell'impulso (frequenza 50 200, ciclo di lavoro 40-60%). Controlla la geometria del bagno di fusione con la tecnologia di oscillazione della pistola di saldatura (come ad esempio a “zigzag” forma). I risultati della simulazione mostrano che aumentando la frequenza degli impulsi di 100 Hz è possibile ridurre la larghezza del bagno di fusione 15%, aumentare la profondità di penetrazione di 8%, e migliorare significativamente la densità della saldatura. Per saldature multistrato, si consiglia che lo spessore del singolo strato sia ≤4 mm. Il metodo del martello viene utilizzato per eliminare lo stress residuo, che può ridurre la sensibilità alle crepe di circa 30%.

Il controllo della deformazione deve essere combinato con l'ottimizzazione della sequenza di saldatura e i vincoli delle attrezzature. La sequenza di saldatura simmetrica e la saldatura a salto segmentato possono ridurre la deformazione 40%, e preimpostare la deformazione inversa (prendendo 50-80% della deformazione) può migliorare ulteriormente la precisione. La simulazione agli elementi finiti mostra che i dispositivi rigidi possono ridurre la deformazione angolare di oltre 50%. Per strutture complesse, Si raccomandano il monitoraggio della deformazione in tempo reale e strategie di regolazione dinamica dei parametri.

3.Applicazione ingegneristica e direzione dello sviluppo futuro
Effettuare la riparazione della fessura di un grande ingranaggio in acciaio fuso (materiale ZG34CrNiMo) come esempio, saldatura MIG pulsata (Filo di saldatura E71T-GS, φ1,2 mm, corrente 160A, tensione 20V) è stato utilizzato, combinato con preriscaldamento a 200 ℃ e metodo di saldatura a salto segmentato, la resistenza alla trazione della saldatura ha raggiunto 720 MPa, resistenza allo snervamento 580MPa, -40℃ energia d'impatto 85J, pienamente rispondente alle esigenze del servizio. Questo caso verifica l'effetto sinergico tra parametri di processo e specifiche operative.

In futuro, la tecnologia di saldatura dell'acciaio fuso si svilupperà nella direzione dell'intelligenza e della precisione. Tecnologia di saldatura digitale (come la saldatura robotizzata) combinato con il riconoscimento visivo e gli algoritmi dei big data è possibile realizzare l'ottimizzazione online dei parametri di saldatura e degli avvisi di difetti. Allo stesso tempo, lo sviluppo di nuovi materiali di saldatura (come il filo per saldatura con anima metallica) e gas di protezione composito (come il gas misto Ar+He) migliorerà ulteriormente le prestazioni di saldatura e l’efficienza del processo. Attraverso la cooperazione dell'industria, mondo accademico e della ricerca per promuovere l’innovazione tecnologica, Si prevede che la saldatura dell'acciaio fuso consentirà di raggiungere una gamma più ampia di innovazioni applicative nel campo della produzione di apparecchiature di fascia alta.