Fe-36Ni/304L异种合金脉冲GTAW工艺及接头特征尺寸与力学性能预测

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Fe-36Ni合金和304L奥氏体不锈钢具有低温性能好和膨胀系数低等优势,是制备新一代液化天然气(Liquefied Natural Gas,LNG)船液舱围护系统的主要材料,由两种材料焊接而成的复合结构是组成液舱围护系统的重要部分,因此研究Fe-36Ni/304L异种合金的焊接工艺及接头特征尺寸和力学性能预测具有重要意义。本文针对Fe-36Ni和304L搭接脉冲钨极氩弧焊(Gas Tungsten Arc Welding,GTAW),研究脉冲GTAW搭接工艺对接头宏观成形、微观组织与力学性能等的影响规律;结合机器学习算法,分别建立基于反向传播(Back Propagation,BP)神经网络和梯度提升树(Gradient Boosting Decision Tree,GBDT)算法的Fe-36Ni/304L异种合金脉冲GTAW搭接接头特征尺寸和力学性能预测模型,并进行对比分析,找出预测效果优良的预测模型。首先,开展了Fe-36Ni/304L异种合金脉冲GTAW搭接工艺研究,探索了脉冲焊接参数对接头宏观成形的影响规律。研究发现:当钨极横向偏移量为1.0mm(沿上板边缘左侧偏移),峰值电流在90-100 A、基值电流在12-26 A、占空比在55-65%、脉冲频率在10-15 Hz以及焊接速度在170-200 mm/min时,可获得宏观成形良好的搭接接头。其次,开展了不同焊接参数下接头微观组织和力学性能的研究。研究结果表明:接头焊缝由柱状枝晶和等轴晶组成,并伴有少量的M23C6型碳化物析出,焊缝组织的不均匀性使该区域成为整个搭接接头中性能最薄弱的区域;焊缝的平均硬度值为112 HV1,远低于母材Fe-36Ni(147 HV1)和304L(172 HV1)的硬度;Fe-36Ni/304L搭接接头拉伸试件的最大承载力可达到12.66 k N,试件失效断裂位置均在靠近Fe-36Ni侧的焊缝,断裂形式为韧性断裂。最后,根据Fe-36Ni/304L异种合金脉冲GTAW搭接试验得到的焊接参数与接头特征尺寸及拉伸性能等相关结果,分别建立了基于BP神经网络和GBDT算法的搭接接头特征尺寸和力学性能预测模型,并对模型的预测结果进行了对比分析研究。结果表明:BP神经网络的最大相对误差为11.06%,而GBDT模型最大相对误差为2.59%;GBDT模型对Fe-36Ni/304L异种合金搭接接头特征尺寸和力学性能的预测精度更高、泛化性更好,因此具有更高的实际应用价值。
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