高温焊接对16MnR钢焊接残余应力的影响及机理

论文摘要

焊接残余应力是焊接技术带来的一个几乎是无法避免的缺陷,其危害甚大。焊接过程中高度集中的瞬时热输入将会引起构件材料局部的不均匀加热,在构件材料将产生不均匀的温度场,使构件材料产生不均匀的膨胀,从而产生不均匀的弹塑性变形,在焊后就会产生相当大的焊接残余应力。而焊接残余应力对焊接构件抗疲劳、脆断、应力腐蚀破坏、尺寸稳定性有很大的影响,往往是造成设备损坏的最根本原因。因此最大限度地降低或消除焊接残余应力具有很大的现实意义。高温焊接工艺方法是无焊接残余应力焊接技术研究的一个新方法。它是焊前把构件材料加热到一定高的温度,保证构件材料整体温度一致,然后在保持温度不变或尽量不变的条件下,即保持焊件各部位的温度梯度为零或最小进行焊接,从而减小焊件焊接残余应力产生的一种方法。高温焊接工艺的指导思想就是通过减小焊接残余应力来提高焊接结构及焊接构件的使用性能。本课题用16MnR钢板为实验材料,采用高温焊接的处理工艺,将材料在常温,750℃和850℃条件下进行焊接。通过对焊接残余应力的测量、腐蚀实验、疲劳实验、金相分析实验,以实验数据为依据,对比分析高温和常温条件下焊接试件的残余应力、耐腐蚀性能、抗疲劳性能的数值变化,来表明高温焊接处理工艺可使焊接残余应力明显减小,材料抗应力腐蚀性能、抗疲劳性能,都有显著提高。在本实验条件下,经750℃高温焊接后试件焊缝周围残余应力最大值与常温条件下焊接的试件相比,其降低率为：纵向ηx=55%,横向qy=56%。经850℃高温焊接后试件焊缝周围残余应力与常温条件下焊接的试件相比,其降低率为：纵向ηx=68%,横向ηy=68%。本实验16MnR钢在酸性腐蚀环境下,经750℃高温焊处理的接试件比常温焊接处理的试件年腐蚀速率降低了37.93%,经850℃高温焊接处理的试件比常温焊接处理的试件年腐蚀速率降低了50.05%。在碱性腐蚀环境下,经750℃高温焊接处理的试件比常温焊接处理的试件年腐蚀速率降低了35.24%。经850℃高温焊接处理的试件比常温焊接处理试件的年腐蚀速率降低了44.85%。在盐腐蚀环境下,经750℃高温焊接处理的试件比常温焊接处理的试件年腐蚀速率降低了47.91%。经850℃高温焊接处理的试件比常温焊接处理的试件年腐蚀速率降低了54.47%。本实验16MnR钢在经750℃高温焊接处理后,试件的疲劳循环次数比常温焊接处理的试件疲劳循环次数提高了η=30.7%。经850℃高温焊接处理的试件疲劳循环次数比常温焊接处理的试件疲劳循环次数提高了η=51.8%。本文还对高温焊接工艺为什么能降低焊接残余应力,提高材料抗应力腐蚀性能、抗疲劳性能进行了机理分析。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 前言
• 1.1 课题研究的背景与意义
• 1.2 国内外焊接及应力消除的研究状况
• 1.3 高温焊接处理工艺介绍
• 1.4 本课题研究的主要目的
• 2 焊接残余应力的介绍
• 2.1 焊接残余应力的定义
• 2.2 焊接残余应力的产生机理
• 2.3 焊接残余应力的分类
• 2.4 焊接残余应力的分布
• 2.4.1 纵向残余应力的分布
• 2.4.2 横向残余应力的分布
• 2.4.3 沿焊厚方向的残余应力说明
• 2.5 焊接残余应力的影响
• 2.5.1 焊接残余应力对构件静载强度的影响
• 2.5.2 焊接残余应力对硬度的影响
• 2.5.3 焊接残余应力对应力腐蚀开裂的影响
• 2.5.4 焊接残余应力对疲劳强度的影响
• 2.5.5 焊接残余应力的测量
• 2.6 焊接残余应力的调整与消除的常用方法
• 3 实验路线及研究方案
• 3.1 试验材料的制备
• 3.2 焊接方法及要求
• 3.3 试验设备介绍
• 3.4 试验方案
• 4 焊接残余应力的测量实验
• 4.1 焊接残余应力的测定方法的确定
• 4.2 电阻应变片测量应变的基本原理
• 4.3 电阻应变片测量应变的基本原则
• 4.4 焊接残余应力的测量过程
• 4.5 实验测量结果
• 4.5.1 计算方法
• 4.5.2 测量结果
• 4.5.3 测量结果分析
• 5 腐蚀试验
• 5.1 试样制备
• 5.2 测试仪器及工作原理
• 5.3 实验过程
• 5.4 实验数据
• 5.5 结论
• 6 疲劳实验
• 6.1 试样制备
• 6.2 实验参数
• 6.3 试验过程
• 6.4 实验数据
• 6.5 数据分析
• 7 焊缝区金相分析
• 7.1 实验目的
• 7.2 试样的制备
• 7.3 金相实验设备
• 7.4 焊缝及热影响区金相组织
• 7.5 焊缝金相组织分析
• 8 机理分析
• 8.1 对调整和消除焊接残余应力的机理分析
• 8.2 对提高抗应力腐蚀能力的机理分析
• 8.3 对提高材料的疲劳寿命的机理分析
• 8.4 对焊缝区金相组织的机理分析
• 9 结论
• 符号说明
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文目录