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精密成形工程 2023年第3期15卷 138-146页

作者：宋旷达朱加雷苗春雨蔡志海颜秉宇李松钊焦向东北京石油化工学院机械工程学院北京102617 陆军装甲兵学院机械产品再制造国家工程研究中心北京100072 鞍钢股份有限公司辽宁鞍山114000

目的对厚度为16 mm的921a舰船钢进行激光-MAG复合焊接,得到最佳工艺参数,从数值模拟的角度验证焊接工艺的可靠性。方法利用SYSWELD+Visual-Environment软件对激光-MAG复合焊接过程进行数值模拟,选用3D高斯热源与双椭球热源相结合的复合... 详细信息

目的对厚度为16 mm的921a舰船钢进行激光-MAG复合焊接,得到最佳工艺参数,从数值模拟的角度验证焊接工艺的可靠性。方法利用SYSWELD+Visual-Environment软件对激光-MAG复合焊接过程进行数值模拟,选用3D高斯热源与双椭球热源相结合的复合热源模型对激光-MAG复合焊接过程进行仿真,绘制不同时刻及不同焊缝区域的时间-温度曲线,采用热弹塑性有限元法对应力变形场进行仿真计算。结果双椭球热源模型与3D高斯热源模型相结合的复合热源模型能够获得较为理想、接近真实热源形貌的热源形态;焊缝区域的焊接热源在行进过程中温度稳定,模拟热源温度可达3200℃,具有典型的焊接热循环曲线特征,且距离焊缝越远,升温速率和冷却速率越慢;焊接残余应力主要集中在焊缝处,约为440 MPa,且焊缝两端的结合部位具有较高的残余应力。结论复合热源模型适用于16 mm厚的921a钢激光-MAG复合焊接数值模拟,焊后板材的残余应力低于材料的屈服强度,冷却后板材的变形程度较小,最大变形量为1.13 mm,表明激光-MAG复合焊接方法及工艺适用于16 mm厚921a钢的焊接。

关键词： 921a舰船钢激光-MAG复合焊数值模拟热源模型温度场残余应力

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921a舰船钢高压干法水下激光熔覆数值模拟

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应用激光 2023年第10期43卷 22-31页

作者：周飞鸿朱加雷寇荣魁焦向东李丛伟张仁祥北京石油化工学院机械工程学院北京102600 中国石化青岛石油化工有限责任公司山东青岛266041

921a高强钢因其优良的机械性能与耐腐蚀性能被广泛用作船体材料,高压干法水下激光熔覆修复是海洋复杂环境舰船在线修复的优选技术之一。为探究921a舰船钢高压干法水下激光填丝熔覆修复的温度场、应力场以及应变场分布规律,通过SYSWELD... 详细信息

921a高强钢因其优良的机械性能与耐腐蚀性能被广泛用作船体材料,高压干法水下激光熔覆修复是海洋复杂环境舰船在线修复的优选技术之一。为探究921a舰船钢高压干法水下激光填丝熔覆修复的温度场、应力场以及应变场分布规律,通过SYSWELD软件进行了常压及0.3 MPa压力环境的数值模拟,结果表明,随环境压力变化,试件各阶段温度场均呈纺锤形,高压下熔化同样的试件需要比常压更高的激光功率;高压与常压等效应力以及不同方向上的应力均小于921a舰船钢的屈服强度;高压环境试件的横向、纵向、轴向变形略微大于常压环境,在轴向上分布较为明显。

关键词： 921a舰船钢激光熔覆数值模拟高压干法

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921a舰船钢高压干法水下激光熔覆修复工艺及性能研究

921A舰船钢高压干法水下激光熔覆修复工艺及性能研究

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作者：寇荣魁北京石油化工学院

学位级别：硕士

921a舰船钢因其优良的性能和耐腐蚀性能而被越来越多地被用作船体的材料。舰船长期服役后船体表面容易产生各种类型的表面裂纹,需及时修复。传统的舰船维修是在船坞中进行,经济成本高且在航率低。由于激光熔覆层与基体冶金材料结合紧密... 详细信息

921a舰船钢因其优良的性能和耐腐蚀性能而被越来越多地被用作船体的材料。舰船长期服役后船体表面容易产生各种类型的表面裂纹,需及时修复。传统的舰船维修是在船坞中进行,经济成本高且在航率低。由于激光熔覆层与基体冶金材料结合紧密,且可以达到较低的稀释率,比较适合于船舶裂纹的修复。针对海洋现场的舰船维修需求,本课题以921a舰船钢为试验材料,采用高压干法水下激光熔覆修复方法,研究在0.3MPa(相当于30m水深)范围内的熔覆层的宏观成形、显微组织演变行为、力学性能和耐腐蚀性能。主要内容包括以下几点:(1)常压激光填丝熔覆工艺研究。通过正交实验得到了质量优良的单道熔覆层;通过搭接率和竖直抬升量试验得到了宏观截面与性能良好的多层多道熔覆层。(2)高压干法水下坡口填充激光熔覆工艺研究。首先,比较不同坡口类型、坡口尺寸熔覆层的综合性能,结果表明:U型坡口(即180°)熔覆层表面成形好,无内部缺陷。熔覆层拉伸检测时的纵向断裂位置为基体,横向最大拉伸强度为924.21MPa,断后伸长率为20.14%,横向拉伸断口处出现了较深且密集的韧窝;其次,探究环境压力对修复工艺的影响规律,结果表明:熔覆层的熔宽逐渐增大,堆高与之相反;随着压力增大,熔覆层成形质量逐渐变差,出现了飞溅、咬边等缺陷,可以通过调节激光功率和扫描速度进行改善;熔覆层中Ni元素的质量分数随着环境压力增大呈下降趋势,C元素呈现大幅度上升趋势。(3)高压干法水下激光填丝熔覆数值模拟。开展了921a舰船钢在不同环境压力下的熔覆过程模拟,结果表明:常压及高压(0.3MPa)熔覆区各个节点温度随着环境压力的变化产生温度差,最低为25.531°C,最高为359.03°C;高压环境熔覆区等效应力的峰值约573.49MPa,常压环境下为543.07MPa,常压环境下熔覆区横向、纵向应力分别为109.01MPa、514.23MPa,高压环境下分别为118MPa、592.59MPa。环境压力对轴向应力影响较小,常压和高压下熔覆区轴向应力分别为87.112MPa、99.96MPa。等效应力以及不同方向上的应力均小于921a舰船钢的屈服强度。高压环境试件的横向、纵向、轴向变形均大于常压环境,基材区变形分别为7.50mm、1.51mm、3.42mm,熔覆区变形分别为3.45mm、1.63mm、1.46mm。(4)高压干法水下激光填丝熔覆综合性能和组织演变行为分析,结果表明:不同环境压力下试件均无熔覆缺陷,底层熔覆区主要为柱状晶组织,表层熔覆区主要为先共析铁素体和各类碳化物组织,粗晶区为不规则的板块状马氏体组织,细晶区主要为马氏体+铁素体组织,随着环境压力增大,表层熔覆区内出现了针状铁素体,上贝氏体含量逐渐增多,粗晶区组织变得粗化,马氏体组织含量增加,细晶区铁素体变得粗大,珠光体数量明显减少;试样纵向拉伸均断裂在基体,满足AWS D3.6M:2017修复标准。随着压力增大,熔覆区平均吸收功呈现下降趋势,当冲击温度降低至-40°C时,所有环境压力下熔覆层断口形式均表现为韧性-脆性混合断裂,当冲击温度降低至-60°C时,断口表面存在部分解理形貌;熔覆层试样面弯、背弯没有出现裂纹缺陷;不同环境压力下热影响区及熔覆区的硬度值随着环境压力的增大而升高,底层熔覆区的硬度最高,其次为中层熔覆区和表层熔覆区。(5)高压干法水下激光填丝熔覆层耐腐蚀性能研究。结果表明:不同环境压力下熔覆区开路电位稳定在-430m V～-530m V之间;随着环境压力增大,熔覆区的开路电位呈上升趋势,容抗半径逐渐减小,电荷转移电阻R逐渐减少;熔覆区的微区电位变化区间和电流腐蚀密度随着环境压力增大而增大;不同环境压力下试件腐蚀浸泡周期越长,试样的腐蚀坑的深度越深;成形时环境压力越大,试样表面的点蚀坑的尺寸越大,随着浸泡时间增长,腐蚀产物中Ni、Cr元素含量逐渐增多,O元素含量减少,随着成形时环境压力增加,C元素含量逐渐增多,O元素含量减少。综上结果可知,激光填丝熔覆技术在舰船在线修复上具有较高的工艺适应性和性能。在高压环境模拟情况下,环境压力(即水深)对921a舰船钢激光填丝熔覆过程、熔覆层组织成分、力学性能和耐腐蚀性能均有不同程度的影响。30m水深压力范围内的熔覆层综合性能均可满足舰船水下修复质量标准要求,为实际水下环境的舰船维修应用奠定了良好基础。

关键词：水下激光熔覆修复 921a舰船钢显微组织力学性能腐蚀性能

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