800MPa超细晶粒钢焊接接头组织和性能控制

论文摘要

本文通过数值模拟与实际试验相结合,对微碳低合金800MPa超细晶粒钢在不同焊接热循环作用下接头的组织和性能变化规律进行了系统研究。主要研究内容如下:(1)对800MPa超细晶粒钢焊接接头性能进行了分析,结果表明:焊接HAZ各区硬度均低于母材,并存在两个明显软化区,一个是熔合线附近的过热区,另一个是不完全相变区,其最大软化幅度达到28.5%;在本实验焊接工艺下,800MPa超细晶粒钢焊接接头强度比母材低10%,拉伸试验断裂部位在熔合线附近的过热区。(2)对800MPa超细晶粒钢焊接HAZ各区组织进行了分析,发现:过热区主要组织结构为粗大的板条状铁素体和超低碳贝氏体,这也是造成过热区软化,引起接头强度和韧性下降的主要原因;相变重结晶区主要组织是正火后形成的较细小的针状铁素体和贝氏体组织,强度高并且韧性好;由于出现大量强度较低的块状铁素体,原始母材形变晶粒再结晶,以及来自于控制轧制和低温相变的位错密度大大降低等原因,不完全相变区强度明显低于母材,但组织分布均匀,综合力学性能好,拉伸时易产生加工硬化,使强度明显提高。(3)运用ANSYS有限元模拟软件,首次建立了800MPa超细晶粒钢TIG焊接热源的数值模型;在与实际试验相同的工艺条件下对焊接过程进行了数值模拟,获得了焊接温度场分布和HAZ不同区域的焊接热循环曲线;并通过焊接热循环曲线获得了给定焊接工艺条件下过热区的t8/5冷却时间。模拟结果表明:采用较小的焊接热输入量,可以减小HAZ尤其是过热区的宽度,同时可以缩短过热区的t8/5冷却时间,使其获得理想组织形态和晶粒尺寸,进而提高接头性能。(4)针对800MPa超细晶粒钢焊接过程中存在的HAZ过热区软化和性能下降问题,着重分析研究了t8/5对HAZ过热区组织和性能的影响规律,结果表明:当t8/5<10s时,尽管过热区晶粒尺寸比原始母材相比有所长大,但内部组织以针状铁素体和贝氏体为主,具有较好的强度和韧性,因此焊接接头整体强度与母材相比差距不大;随着t8/5的增加,当t8/5>11s之后,过热区组织明显粗化,合金元素偏聚越来越严重,对塑性变形和裂纹萌发扩展的抵挡作用减弱,使整个焊接接头的强度和韧性与母材相比明显下降。(5)在800MPa超细晶粒钢实际应用中,采用较小的焊接线能量(不超过620J/mm),以控制过热区t8/5不超过10s,配合选用与母材化学成份和力学性能相匹配的填充金属,能够获得满足使用要求的焊接接头。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 前言
• 1.2 超细晶粒钢的特征和存在的焊接问题
• 1.2.1 超细晶粒钢的特征
• 1.2.2 超细晶粒钢的焊接问题
• 1.3 超细晶粒钢研究现状
• 1.3.1 钢铁材料组织的超细化理论研究
• 1.3.2 超细晶粒钢焊接性研究现状
• 1.4 本课题的选题意义及主要研究内容
• 1.4.1 选题意义
• 1.4.2 本课题研究内容
• 第2章 800MPa超细晶粒钢焊接接头组织和性能分析
• 2.1 试验材料和方案
• 2.1.1 试验材料
• 2.1.2 实验方案
• 2.2 800MPa 超细晶粒钢原始组织
• 2.3 焊接接头组织和性能分析
• 2.3.1 焊接接头硬度分布
• 2.3.2 焊接接头微观组织分析
• 2.3.3 焊接接头力学性能分析
• 2.4 本章小结
• 第3章 800MPa超细晶粒钢焊接过程数值模拟
• 3.1 800MPa 超细晶粒钢TIG 焊接热源有限元模型的建立
• 3.1.1 实际TIG 焊三维模型
• 3.1.2 控制方程
• 3.1.3 热源模型的选取
• 3.1.4 800MPa 超细晶粒钢物理性能参数
• 3.1.5 焊接电弧功率有效利用系数η的选取
• 3.2 基于移动高斯热源的TIG 焊数值模拟
• 3.2.1 建立几何模型
• 3.2.2 确定单元类型
• 3.2.3 划分网格
• 3.2.4 加载移动热源
• 3.2.5 焊接热模拟的后处理
• 3.3 本章小结
• 第4章 试验结果与数值模拟结果综合分析
• 4.1 试验方案
• 4.1.1 试验材料和方法
• 4.1.2 试验设计
• 4.2 数值模拟结果分析
• 4.2.1 焊接温度场分布
• 4.2.2 焊接热输入对接头瞬时温度场的影响规律
• 4.2.3 焊接热循环的变化规律
• 4.3 本章小结
• 第5章 800MPa超细晶粒钢HAZ组织和性能控制
• 5.1 实验材料和工艺
• 5.2 焊接接头硬度分析
• 5.2.1 不同热输入量条件下HAZ 的硬度分布
• 5.2.2 提高焊接速度条件下的接头硬度
• 5.2.3 不同冷却条件下接头硬度分布
• 5.2.4 脉冲电源条件下焊接接头硬度分布
• 5.3 焊接接头拉伸试验结果及分析
• 5.3.1 拉伸试验方案
• 5.3.2 拉伸试验结果和分析
• 5.4 对焊接HAZ 微观组织的分析
• 5.4.1 不同热输入条件下过热区组织变化规律
• 5.4.2 相变重结晶区组织的基本特征
• 5.4.3 不完全相变区组织的基本特征
• 5.5 对控制800MPa 超细晶粒钢焊接接头组织和性能的讨论
• 5.6 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文
• 致谢