Q345R钢CO2焊的焊接工艺评定及其焊接接头数值模拟研究

摘要

焊接是压力容器制造的主要连接方式，失效分析结果表明，众多事故的发生都与压力容器壳体质量薄弱的焊接接头相关。因此，焊接接头的安全性评定是十分重要的，而焊接工艺参数、道次和顺序是影响焊接接头质量的关键因素。鉴于此，本文针对压力容器用Q345R钢，一方面，采用相关试验设备对实芯和药芯CO2焊的焊接接头力学性能、显微组织及硬度进行测试分析，进而开展焊接工艺评定，为生产实践提供焊接参考；另一方面，采用相关软件模拟CO2焊的焊接接头的温度、残余应力和应变，为实际焊接参数的优化提供理论依据。 同时，企业调研及文献查阅发现，目前有很多关于线能量改变对焊接接头影响的研究，而基于焊接线能量恒定，研究不同焊接速度对焊接接头的影响很少。鉴于此，为进一步提高数值模拟在生产中的适用性，本论文研究了CO2单道次焊的双椭球热源尺寸参数（熔宽、熔深和前、后半球熔长）对熔池的影响以及四种焊接顺序对不同长度焊缝的应力及变形影响。研究结果表明： 1.26 mm厚Q345R钢实芯和药芯CO2焊的两种焊接接头工艺评定： 1）宏观观察、X射线探伤检查和显微组织及硬度测试分析：两个焊缝成型良好，药芯CO2焊的焊缝更均匀、美观、有光泽和不易生锈；两个焊缝射线检查均合格；两个接头的显微组织均为铁素体和珠光体；两个接头的硬度呈相似的分布规律，均为熔合区硬度高，远离该区硬度迅速降低在190HV~240HV。 2）拉伸、弯曲、冲击力学性能试验测试分析：两种接头平均抗拉强度为578.1MPa和555.1MPa均比母材550MPa高，实芯CO2焊的焊接接头强度高，但其韧性较低。 3）两种焊接接头均满足NBT47014-2011承压设备焊接工艺评定要求。 2.Q345R钢CO2单道次焊热源参数的数值模拟研究可知：改变熔宽、熔深和前、后半球熔长参数会对焊缝熔池中心的温度、熔长、熔宽和熔深尺寸有一定的影响。 3.Q345R钢CO2单道次焊不同焊接顺序的数值模拟研究可知：400~600 mm长焊缝适合分段退焊法焊接；600~1000 mm长的焊缝适合跳焊法焊接；长焊缝即大于1000 mm的适用于对称焊法焊接；短焊缝即小于400 mm的适用于连续焊法焊接。 4.26 mm厚Q345R钢两种焊接工艺的数值模拟对比分析表明：模拟的焊缝熔池形貌与实际焊缝熔池形貌结果相符；相同焊接接头区域的残余应力分布规律相似；焊后残余应力值受焊材影响，其中实芯焊丝的残余应力值较大且最大为465MPa。 5.相同焊接线能量不同焊速的26 mm厚Q345R钢药芯CO2焊数值模拟对比分析表明：焊接线能量恒定条件下，随着焊接速度减小，焊件温度梯度和残余应力减小；结合焊接速度正交模拟试验中残余应力及应变大小、冷却时间t8/5模拟结果和焊接效率可知，该模拟条件下，选择焊接速度为5 mm/s的药芯CO2焊效果最优。

目录

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第一章 绪论

1.1 选题背景和意义

1.2 压力容器用Q345R钢

1.3 CO2气体保护焊的概况及应用

1.4 数值模拟在焊接中的研究及国内外研究现状

1.5 主要研究内容

第二章 26 mm厚Q345R钢CO2焊试验方案

2.1 CO2气体保护焊焊接工艺

2.2 焊后检验项目

2.3 本章小结

第三章 26 mm厚Q345R钢CO2焊试验及其接头力学性能分析

3.1 焊接试验

3.2 焊接接头力学性能试验分析

3.3 小结

第四章 26 mm厚Q345R钢CO2焊接头的显微组织及硬度分析

4.1 CO2焊的接头显微组织分析

4.2 焊接接头显微硬度分析

4.3 本章小结

第五章 Q345R钢CO2单道次焊数值模拟热源参数的研究

5.1 CO2焊单道次焊缝厚度的选择

5.2 CO2焊数值模拟理论

5.3 熔宽参数对熔池的影响

5.4 熔深参数对熔池的影响

5.5 前、后半球熔长参数对熔池的影响

5.6 本章小结

第六章 Q345R钢CO2单道次焊不同焊接顺序数值模拟分析

6.1 焊接顺序设定

6.2 200 mm长焊缝CO2单道次焊数值模拟

6.3 400 mm长焊缝CO2单道次焊数值模拟

6.4 600 mm长焊缝CO2单道次焊数值模拟

6.5 800 mm长焊缝CO2单道次焊数值模拟

6.6 1124 mm长焊缝CO2单道次焊数值模拟

6.7 本章小结

第七章 26 mm厚Q345R钢CO2多层多道焊数值模拟分析

7.1 有限元模型建立

7.2 母材性质

7.3 边界条件加载

7.4 26 mm厚Q345R钢GMAW和FCAW数值模拟

7.5 相同焊接线能量不同焊速的26 mm厚Q345R钢FCAW正交数值模拟

7.6 5 mm/s焊接速度的26 mm厚Q345R钢FCAW数值模拟

7.7 本章小结

第八章 结论

参考文献

发表论文和科研情况说明

致谢