超高强钢Q960E焊接性研究及焊接残余应力数值模拟

作     者：骆文泽 

作者单位：重庆大学 

学位级别：硕士

导师姓名：邓德安

授予年度：2022年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：超高强钢 焊接性 数值模拟 焊接残余应力 固态相变 

摘      要：低合金调质超高强钢Q960E由于综合力学性能较好,目前已开始用于代替传统的低合金高强钢而进一步实现工程结构的轻量化。Q960E是采用淬火+高温回火工艺制造的结构钢,其具有碳当量较高和冷裂纹敏感倾向较大的特点,因此它的焊接性相对较差,其接头的粗晶区会出现脆化以及部分相变区和紧邻热影响区的母材会出现软化等问题。理论上而言,焊接接头脆化会促进裂纹扩展和脆性断裂,而软化问题也会导致该结构钢不能达到预定的承载能力。因此,研究Q960E焊接性并探索出合适的焊接工艺非常重要。与此同时,由于该钢种屈服强度高,焊接时很容易产生峰值很高且分布复杂的残余应力。对于薄板和中厚板而言,也容易产生较显著的焊接变形。因此有必要研究Q960E对接接头残余应力的大小和分布以及焊接变形。本课题为得到使用性能良好的Q960E焊接接头,首先对Q960E母材进行力学性能测试,并采用碳当量法和冷裂纹敏感指数法初步评估了Q960E的焊接性。在对Q960E钢焊接性理论分析的基础上,以等强匹配和低强匹配为原则,分别选取了XY-J100SD焊条和ER120S-G焊丝进行了对接实验。重点研究了两种不同焊接方法以及不同预热温度对焊接接头组织和性能的影响。基于SYSWELD焊接有限元分析软件,建立了考虑固态相变的Q960E材料模型,采用“热-冶金-力学多场耦合方法计算了焊接温度场、残余应力和变形。此外,本文还对Q960E进行了堆焊温度场模拟,讨论了板厚、热输入、预热温度和环境温度对粗晶区焊接热循环曲线及主要特征参量(高温停留时间t和t冷却时间)的影响规律。在Q960E对接实验完成后,采用X射线探伤,其结果显示焊接得到的接头无缺陷且气密性较好。拉伸实验和冲击实验显示,XY-J100SD接头和ER120S-G接头的拉伸强度和冲击性能虽然都能达到使用要求,但是XY-J100SD接头抗拉强度比ER120S-G抗拉强度更大。硬度和金相结果表明,预热温度相同的XY-J100SD接头和ER120S-G接头热影响区的组织和性能差异不大。此外,不同预热温度的ER120S-G接头力学性能和微观组织显示,预热温度从150℃下调至100℃,对Q960E焊接接头力学性能和组织影响不显著。Q960E焊接数值模拟结果表明,采用所建立的Q960E材料模型,能模拟出Q960E对接接头的焊接温度场、残余应力分布和焊接变形,与实验结果进行比较验证了材料模型和计算方法的准确性。残余应力的大小和分布显示,Q960E焊接将会产生较高残余应力,其中纵向残余应力峰值最高,超过了母材屈服强度。此外,不同热输入、预热温度、环境温度和板厚的Q960E钢粗晶区的热循环结果表明,Q960E高温停留时间t对热输入和板厚最为敏感,其次是预热温度,对其影响最小的是环境温度,t呈现出与高温停留时间一致的规律。