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用数值模拟的方法研究电站材料的焊接工艺

作　者: 赵红
导　师: 祝美丽
学　校: 大连理工大学
专　业: 材料加工工程
关键词: 新型耐热钢焊接数值模拟 Ⅳ型裂纹异种钢焊接接头电极材料
分类号: TG457
类　型: 硕士论文
年　份: 2006年
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内容摘要

为了满足国民经济的迅猛发展及对电力能源日益增长的需求，超(超)临界机组已经成为我国提高电站运行效率、降低成本、加大环境保护力度的首选途径。以T／P91钢为代表的新型细晶强韧型铁素体耐热钢及以TP347H为代表奥氏体不锈钢等超超临界机组锅炉用钢，已经不断被开发和应用。这些新型钢的共同特点是热强性、耐蚀性得到显著的提高，且工艺性能优良，但也存在一些焊接问题。本文通过Marc的用户子程序接口，建立了有限元的T／P91耐热钢TIG焊数值模拟模型，经检验能够与实际焊接符合得很好。数值模拟T／P91焊接接头800／1000℃区宽度(实际焊接过程无法得到的量)和应力状况，研究T／P91焊接接头Ⅳ型裂纹倾向与规范的关系，得出结论：减小线能量能减小焊接接头800／1000℃区宽度和拉应力，且电流、电压、速度三值有一个好的配合点；增大电流同时提高速度来减小线能量，能非常明显减小800／1000℃宽度，从而减小焊接接头Ⅳ型裂纹倾向。本文还用因次分析法和方程分析法的相似准则建立中厚板的焊接数值模拟热源模型，模拟5mm中厚板新型耐热钢温度场，经检验与实际焊接过程也有较好的吻合；在T／P23与T／P91异种钢焊接接头残余应力场的模拟中，高匹配的横(Y)向拉应力低、变形分布也均匀，低匹配的横(Y)向拉应力高，变形在焊接接头有峰值，但从工艺操作的难易程度，T23的可焊性好，低匹配容易保证焊接质量；在TP347H与T／P91异种钢焊接接头残余应力场的模拟中，低匹配的残余拉应力低，变形分布也均匀，高匹配残余拉应力和应变分布最高，镍基匹配的应力和应变都介于高低匹配之间，但从冶金的角度镍基匹配最合理。本文还对大厚度铝电极和铜铁异种电极的焊接过程做模拟，对工艺进行优化，再通过实际工艺试验验证和矫正。实际焊接试验得出：用非熔化极手工交流氩弧焊可以得到外观成型美观、质量满意的20mm厚的铝母线焊缝；焊接时，电流和电压需要加大；为了控制气孔，焊接速度不能过大；验证了焊接模拟预测的铝电极焊接工艺的准确性。铜铁异种电极焊接试验中，对焊接模拟产生的预热温度进行了修正，此异种钢焊接不适合预热；线能量也不能太小，以防焊接速度大，熔池存在时间过短，氢气来不及逸出；与薄板焊相比，电流要稍大，补偿铜大的散热。

全文目录

摘要  4-5
Abstract  5-9
1 绪论  9-15
  1.1 引言  9
  1.2 本文研究材料简介  9-12
  1.3 焊接数值模拟概述  12-13
  1.4 T/P91和TP347H材料的焊接及数值模拟模拟研究现状  13-14
  1.5 本实验拟定研究的问题  14-15
2 用数值模拟的方法研究焊接规范参数对T/P91钢焊接接头Ⅳ型裂纹倾向的影响  15-26
  2.1 有限元数值模拟模型的建立及模拟  15-18
    2.1.1 生成有限元网格  15-16
    2.1.2 边界条件  16-17
    2.1.3 材料参数  17
    2.1.4 初始条件  17
    2.1.5 定义载荷工况和作业参数  17-18
    2.1.6 数值模拟与试验结果的分析  18
  2.2 Ⅳ型裂纹区的温度场和应力场的模拟及分析  18-24
    2.2.1 Ⅳ型裂纹简介  18-21
    2.2.2 Ⅳ型裂纹的模拟研究  21-24
  2.3 本章小结  24-26
3 新型耐热钢中厚板焊接数值模拟模型的建立及异种钢焊接接头残余应力场的模拟  26-36
  3.1 有限元数值模拟  26-29
    3.1.1 焊接温度场、高斯热源和应力应变场相似条件  26-27
    3.1.2 模拟计算  27-28
    3.1.3 实际焊接过程验证焊接模数值拟模型  28-29
  3.2 中厚板新型耐热钢异种焊接接头应力场和变形的模拟  29-35
    3.2.1 新型耐热钢异种焊接接头简介  29-30
    2.2.2 T/P23与T/P91异种钢焊接接头的模拟与分析  30-33
    3.2.3 TP347H与T/P91异种钢焊接接头的模拟与分析  33-35
  3.3 本章小结  35-36
4 电极材料焊接工艺性研究  36-51
  4.1 用模拟的方式预测大厚度铝母线焊接工艺  37-41
    4.1.1 数值模拟模型的产生  37-38
    4.1.2 数值模拟结果及分析  38-41
  4.2 大厚度铝母线焊接验证试验  41-45
    4.2.1 手工交流钨极氩弧焊的特点  41
    4.2.2 焊接工艺  41-43
    4.2.3 检验结果  43-45
  4.3 铜铁异种电极的焊接  45-49
    4.3.1 关于数值模拟预测铜铁异种电极材料焊接工艺修正的说明  45
    4.3.2 焊接电源  45-46
    4.3.3 焊接工艺  46-47
    4.3.4 检验结果  47-49
  4.4 本章小结  49-51
结论  51-52
参考文献  52-54
攻读硕士学位期间发表学术论文情况  54-55
致谢  55-56
大连理工大学学位论文版权使用授权书  56

用数值模拟的方法研究电站材料的焊接工艺

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