32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳焊接和热处理后的残余应力分布规律研究

作     者：孔玭玭 

作者单位：上海海洋大学 

学位级别：硕士

导师姓名：王芳

授予年度：2023年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 082401[工学-船舶与海洋结构物设计制造] 

主      题：Ti-6Al-4V ELI 耐压球壳 赤道焊接 电子束焊接 残余应力 

摘      要：水下装备为海洋科学研究提供探测平台,其中,深海潜水器是水下装备的前沿领域,而耐压性能是深海潜水器研制首先要考虑的设计要求。球形耐压壳是深海载人和无人潜水器最为常用的耐压结构形式。钛合金因其优异的性能被广泛应用于各种用途,已成为潜水耐压球壳的首选材料。在制造耐压球壳的过程中,一般是将几个大的瓜瓣形壳体或两个半球形壳体焊接成一个完整的球壳。影响壳体承载能力的焊接残余应力会在焊缝处产生,焊后热处理是降低焊接残余应力的有效手段,评估最终残余应力大小和分布规律对保证耐压球壳服役安全具有重要的意义。本论文以Ti-6Al-4V ELI(800MPa级)耐压球壳为研究对象,进行焊接和热处理后的残余应力分布规律研究。首先,对32 mm厚Ti-6Al-4V ELI平板进行电子束焊接及焊后残余应力测量;其次,利用计算机编程语言Fortran编写了用于数值模拟分析的焊接热源DFLUX子程序,并基于Abaqus有限元模拟软件热弹塑性仿真方法对32 mm厚Ti-6Al-4V ELI平板的电子束焊接过程进行了数值模拟,并获得焊缝处的温度场和残余应力场分布;然后,通过平板残余应力测量值与计算值的对比,验证了非线性有限元模拟的有效性。据此,对32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳赤道焊缝位置处进行了三维非线性数值模拟,计算得到耐压球壳赤道焊缝的焊接温度场及其焊接残余应力场,研究了球壳电子束焊缝处的焊接残余应力分布特征与变化规律。最后,对32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳赤道焊缝的焊接残余应力场进行热力耦合热处理分析,获得应力重新分布规律。根据本论文研究内容,可以得出以下结论:(1)对32 mm厚Ti-6Al-4V ELI板在真空电子束焊接过程中的温度场和应力场进行三维非线性数值模拟,结果显示板材中的残余应力以纵向残余应力为主,且纵向拉伸残余应力集中在焊缝中心线的两侧和靠近焊缝处,残余应力大小和分布与试验结果基本一致;板材焊接过程中,高温区集中在焊缝中心线附近,焊池呈针孔形,模拟焊缝形貌与试验结果基本吻合。对比结果表明了数值模拟方法的合理性,可用于Ti-6Al-4V ELI耐压球壳焊接过程分析。(2)对32 mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳焊接过程中的温度场分布进行数值模拟,结果与复合热源电子束焊接的温度分布规律一致。壳体温度场主要集中在焊接中心线30 mm范围内,在此范围内温度变化明显,焊接温度梯度较大。壳体的其他区域温度较低,温度梯度较小。32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳中垂直于焊缝的纵向和横向残余应力是拉应力,而壳中的横向残余应力是压应力。纵向拉伸残余应力多数大于横向应力,最大纵向拉伸残余应力几乎等同于材料的屈服强度。焊接残余应力主要分布在焊缝附近的一个小区域。32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳的焊接应力梯度和应力随距离焊缝的增加而减小;峰值出现在起点附近,残余应力水平增加。(3)在焊后热处理期间,32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳的横向残余应力和纵向残余应力在升温阶段持续下降,赤道焊缝处和附近的残余应力明显下降,差异减小,变得高度均匀,32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳的总体残余应力重新分布。耐压球壳外表面的焊缝,纵向残余应力为拉伸状态,横向残余应力为压缩状态;耐压球壳内部焊缝区的纵向和横向残余应力均为拉伸,且纵向拉伸残余应力大于横向拉伸残余应力。(4)在对32mm厚Ti-6Al-4V ELI耐压球壳进行热处理时,保温热处理达到蠕变激活温度时,使得焊接残余应力得到充分消除,升温速率与保温时长在焊接残余应力的消除中影响作用较小。因此,在有限元仿真中,为提高计算效率,可提高升温速率,减少保温时间,而实际制造中,在保证热处理对结构部件的稳定情况下,也可适当缩短保温时间,提高加热速率和冷却速率。