管体弧面角焊缝焊接数值模拟及组织性能分析

作     者：林旺 

作者单位：中国矿业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：张金勇

授予年度：2023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：旋挖钻杆 焊接残余应力及变形 组织和力学性能 

摘      要：旋挖钻机是一种用于取土灌注桩成孔的工程机械设备,被广泛应用于城市交通、铁路桥梁等基础工程的施工。钻杆作为旋挖钻机的核心部件,因其实际工作中受力较为复杂,易发生失效导致较大的经济损失。钻杆管体与外键条是异种钢焊接,因其优异的综合性能被广泛应用于各种复杂恶劣的工况。而焊接材料成分和性能的差异会造成焊后残余应力和变形较大,这会大大降低焊接接头的质量。因此,对钻杆管体与外键条的弧面角焊缝焊接残余应力及变形的研究和综合性能的评估具有重大意义。本文以钻杆管体与外键条的弧面角焊缝为研究对象,基于实际焊接条件及工艺参数,采用Marc软件进行数值模拟计算,研究焊材组合、焊接顺序、结构尺寸组合对弧面角焊缝焊接残余应力及焊接变形的影响规律。结果表明:焊接残余应力及变形主要集中在焊缝处,最大残余应力值均处于弧面角焊缝两侧熔合区。对比六种焊材组合,HG850与20Cr Mn Ti组合、HG850与30Cr Mn Ti组合时焊缝处残余应力及变形较小。通过对焊接顺序的优化,管体与单键条的弧面角焊缝轴向残余应力值最大降幅约24.2%,焊接变形量最大降幅约28.6%;管体与多键条的弧面角焊缝轴向残余应力值最大降幅约41.6%,焊接变形量最大降幅约55.6%。六种不同尺寸组合的钻杆管体弧面角焊缝焊接残余应力及变形变化显著。管径为200 mm时焊缝焊接残余应力较大,管径为420 mm时焊缝焊接残余应力较小,管径为200 mm和320 mm时焊缝整体焊接变形较小。焊缝焊接残余应力随管体壁厚的增加而增大,随键条高度的增大而逐渐降低。最后,通过对焊接材料的热力学和动力学模拟计算,得到不同条件下的显微组织分布和相变规律。焊接母材的显微组织为铁素体和回火索氏体。焊缝处为粗大的柱状晶,其组织为铁素体和珠光体。热影响区出现了部分马氏体组织,会提高该区域的硬度和强度。包裹热处理后的焊接母材显微组织、焊缝组织及两侧熔合区组织均未发生变化,但组织变得更加均匀。拉伸测试表明不同焊接接头的强度均处于焊材母材和焊丝之间。不同区域的显微硬度测试表明焊缝处硬度最低,两侧熔合区硬度因部分马氏体组织的出现而升高。热处理后HG850与20Cr Mn Ti焊接接头焊缝横向强度和延伸率显著提高,热处理后焊缝纵向强度和延伸率降低。热处理后HG850与30Cr Mn Ti焊接接头焊缝横向和纵向的强度和延伸率均降低。热处理后焊接母材和焊缝处的硬度降低,焊缝两侧熔合区硬度升高。该论文有图72幅,表9个,参考文献79篇