X80管线钢激光电弧复合焊应力场数值模拟及接头性能

发布时间：2017-08-07 22:00

  本文关键词：X80管线钢激光电弧复合焊应力场数值模拟及接头性能

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【摘要】：激光电弧复合焊是一种新兴特种加工技术,其在焊接厚板时具有所开坡口角度小、熔敷量小,能量密度高、热输入小等优势,但在焊接试验中发现,焊缝上易出现结晶裂纹。为此,针对X80管线钢进行了激光电弧复合焊,并采用有限元软件ANSYS计算了焊接温度场及应力场。综合考虑焊接工艺参数、激光与电弧的相互作用及窄间隙坡口对热源分布的影响,分别建立了平板堆焊和适用于窄间隙坡口焊的激光电弧复合热源模型。基于所建热源模型,对X80管线钢进行了不同焊接工艺参数下的温度场数值模拟。经对比,模拟结果与实际焊缝形貌相符,验证了热源模型的准确性。对窄间隙坡口多层焊进行了温度场数值模拟,结果表明:激光电弧复合焊具有加热速度快、高温停留时间短、冷却速度快的特征。为分析不同焊接工艺参数下接头的残余应力分布情况、冷却过程中沿焊缝长度方向横向瞬时应力的演化规律及沿板厚方向的横向瞬时应力分布,采用热—结构顺序耦合的方法对焊接应力场进行了计算。结果表明:采用大激光功率小电弧电流复合焊时,产生的残余应力较大且在熔合区附近最高,残余变形较小;激光功率越大,产生瞬时横向拉应力越大,结晶裂纹的倾向也越大;结晶裂纹易出现在焊缝的起焊端与止焊端;相同焊接工艺参数下窄间隙坡口焊比平板堆焊更易出现结晶裂纹。研究了不同焊接工艺参数下激光电弧复合焊接头的微观组织及力学性能。结果表明,焊缝由大量针状铁素体、一定量的粒状贝氏体和板条马氏体组成;粗晶区由板条马氏体和粒状贝氏体组成;激光电弧复合焊接头的屈服强度和抗拉强度分别为620MPa和710MPa,均高于母材、焊缝冲击韧性高,满足使用要求。
【关键词】：X80管线钢 激光电弧复合焊 应力场 数值模拟 微观组织
【学位授予单位】：石家庄铁道大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG457.11
【目录】：

• 摘要3-4
• Abstract4-9
• 第一章 绪论9-17
• 1.1 引言9-10
• 1.2 课题研究背景及意义10-11
• 1.2.1 激光电弧复合焊接存在的问题分析10-11
• 1.2.2 研究的意义11
• 1.3 国内外研究现状11-15
• 1.3.1 激光电弧复合焊研究现状11-12
• 1.3.2 激光电弧复合焊热源模型研究进展12-14
• 1.3.3 厚板多层焊应力场数值模拟研究进展14-15
• 1.4 研究内容及创新点15-17
• 1.4.1 主要研究内容15-16
• 1.4.2 主要创新点16-17
• 第二章 厚板激光电弧复合焊接温度场数值模拟17-39
• 2.1 有限元模型的建立17-19
• 2.1.1 材料参数17-18
• 2.1.2 有限元模型18-19
• 2.2 激光电弧复合热源模型的建立19-23
• 2.2.1 激光深熔焊热源模型的建立19-20
• 2.2.2 MAG焊热源模型的建立20-21
• 2.2.3 激光电弧复合堆焊热源的建立21-22
• 2.2.4 窄间隙坡口激光电弧复合热源模型的建立22-23
• 2.3 边界条件和移动热源的加载23-27
• 2.3.1 传热控制方程及边界条件23-25
• 2.3.2 边界条件的加载25
• 2.3.3 移动热源的加载25-27
• 2.4 单层焊温度场数值模拟结果及分析27-31
• 2.4.1 激光电弧复合堆焊温度场数值模拟结果28-29
• 2.4.2 窄间隙坡口激光电弧复合焊温度场模拟结果29-30
• 2.4.3 焊接工艺对焊缝形貌的影响30-31
• 2.5 厚板激光电弧复合多层焊温度场模拟结果及分析31-37
• 2.5.1 激光电弧复合多层焊瞬态温度场31-35
• 2.5.2 激光电弧复合多层焊热循环35-37
• 2.6 本章小结37-39
• 第三章 厚板激光电弧复合焊接应力场数值模拟39-52
• 3.1 基于ANSYS的焊接热应力分析方法39-40
• 3.1.1 焊接应力场及其影响因素39
• 3.1.2 ANSYS热应力分析方法39-40
• 3.2 焊接应力和变形的理论分析40-41
• 3.3 激光电弧复合多层焊接应力场的求解41-43
• 3.3.1 有限元模型的建立及约束条件的设置41-42
• 3.3.2 应力场的求解42-43
• 3.4 残余应力场模拟结果及分析43-46
• 3.4.1 平板堆焊残余应力及残余变形43-45
• 3.4.2 窄间隙坡口焊残余应力及残余变形45-46
• 3.5 冷却过程中瞬时应力场模拟结果及分析46-50
• 3.5.1 平板堆焊焊缝瞬时应力场的演化47-48
• 3.5.2 窄间隙坡口焊焊缝瞬时应力场的演化48-49
• 3.5.3 板厚方向的瞬时应力分布49-50
• 3.6 本章小结50-52
• 第四章 X80管线钢激光电弧复合焊接头组织及性能52-73
• 4.1 试验材料52-53
• 4.2 试验设备53-57
• 4.2.1 激光焊接设备53-55
• 4.2.2 微观组织观察设备55-56
• 4.2.3 力学性能测试设备56-57
• 4.3 X80管线钢激光电弧复合焊接工艺57-60
• 4.3.1 X80管线钢激光电弧复合焊接工艺参数57-59
• 4.3.2 焊缝宏观形貌59-60
• 4.4 X80管线钢激光电弧复合焊焊接接头微观组织60-67
• 4.4.1 焊接接头低倍金相分析60-61
• 4.4.2 焊接接头微观组织分析61-67
• 4.5 激光电弧复合焊接接头力学性能67-72
• 4.5.1 焊接接头显微硬度测试67-69
• 4.5.2 焊接接头拉伸性能测试69-70
• 4.5.3 焊接接头冲击性能测试70-72
• 4.6 本章小结72-73
• 第五章 结论73-74
• 参考文献74-78
• 致谢78-79
• 个人简历、在学期间的研究成果及发表的学术论文79

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本文编号：636889