中厚钢板的深熔TIG焊工艺研究及温度场数值模拟

摘要

深熔TIG焊是在K-TIG的基础上，进一步加强钨极冷却来获得电弧相对收缩、能量密度更为集中的焊接电弧，从而在焊接过程中形成小孔效应，最终实现大熔深的焊接工艺方法。深熔TIG焊可以实现中厚板材料的单面焊双面成型，一般不需要焊前坡口加工和添加焊丝，焊接效率大大提高，焊接成本也大大降低。本文针对深熔TIG焊进行了以下几个方面的研究：
　　针对工业领域中广泛应用的不锈钢，对其深熔 TIG焊接工艺和接头质量进行了全面的分析。针对热导率较高的低合金钢材料，提出使用增加背部水冷的方法进行深熔TIG焊工艺改进，并对接头进行组织性能分析。采用ANSYS软件对深熔 TIG水冷焊进行温度场模拟，并将模拟得到的水冷焊温度场和常规空气环境中的焊接温度场进行对比，对增加水冷改善碳钢深熔 TIG焊接工艺的机理进行分析解释。通过以上内容的研究主要可以得出如下结论：
　　（1）使用深熔TIG焊成功实现了厚度为10mm的316L不锈钢板对接接头的单面焊双面成型，证明了深熔TIG焊的有效性。奥氏体不锈钢焊接常见的热裂纹在深熔TIG焊中可以有效避免。焊接接头的拉伸强度、延伸率以及焊缝的冲击性能分别达到了母材的96.64％、88.02%、92.20%。焊缝的腐蚀电流密度和速率为母材的69.78%、69.81%，焊缝的耐腐蚀性能高于母材。焊缝质量良好。
　　（2）通过增加背部循环水冷却，使用深熔TIG焊方法成功实现了厚度为8mm的Q345低合金钢板对接接头的单面焊双面成型。焊缝中没有发现冷裂纹和气孔缺陷。接头的拉伸强度与母材等强，达到了560MPa，塑韧性也较好。水冷焊缝的冲击性能有较大下降，只有母材的48.21%，热影响区处的冲击功数值相较于母材下降不多，达到了母材的82.14%。总体来说，水冷焊接头的质量比较优良。
　　（3）采用ANSYS软件对Q345低合金钢板的深熔TIG水冷焊接温度场进行了模拟。采用上半部双椭球热源与下半部圆柱体热源的组合热源，获得了与实际实验结果吻合度很高的模拟结果。通过对比分析水冷和空气环境的焊接温度场，解释了采用背部水冷来改善焊接工艺的理论依据。首先背部循环水冷的加入可以减小液态熔池的体积，空气环境中的完全熔透焊缝截面积为91mm2，是水冷环境下焊缝截面积的2.12倍；第二，水冷环境中根部液态熔池的温度可以快速降低，从最高温度冷却到400℃只需要2.7s，而在空气环境中根部液态金属温度在冷却时间为10s时仍然在1600℃以上，根部液态金属温度的迅速降低使其表面张力迅速增大，有利于深熔TIG焊中小孔的形成与保持。

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第一章 绪论

1.1课题背景意义

1.2 常用中厚板焊接方法简介

1.3深熔TIG焊工艺方法简介

1.4 深熔TIG焊相关国内外研究综述

1.5 本文的主要研究内容

第二章 不锈钢的深熔TIG焊工艺研究

2.1 焊接材料与实验方法

2.2 焊接工艺参数对于316L焊缝轮廓的影响

2.3 316L深熔TIG焊缝的宏观形貌和微观组织

2.4 316L深熔TIG焊缝的无损检测和腐蚀性能

2.5 316L深熔TIG焊缝的力学性能

2.6 本章小结

第三章 低合金钢的深熔TIG焊接工艺改进研究

3.1 实验材料

3.2 水冷焊方法的理论

3.3 实验设备与方法

3.4 Q345深熔TIG水冷焊缝的宏观形貌和微观组织

3.5 Q345深熔TIG水冷焊接头的力学性能

3.6 本章小结

第四章 低合金钢深熔TIG水冷焊的温度场模拟研究

4.1 有限元模型的建立

4.2 有限元模型的模拟和验证

4.3 Q345背部水冷和常规空气环境下的焊接温度场对比分析

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

致谢