急冷工艺对镍基合金焊接热裂纹影响的数值模拟研究

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1、分类号：TG407密级：公开UDC：620编号：201431804019河北工业大学硕士学位论文急冷工艺对镍基合金焊接热裂纹影响的数值模拟研究论文作者：齐佳宁学生类别：全日制专业学位类别：工程硕士领域名称：材料工程指导教师：郑振太职称：教授DissertationSubmittedtoHebeiUniversityofTechnologyforTheMasterDegreeofMaterialsEngineeringNUMERICALSIMULATIONOFTHEEFFECTOFWELDINGWITHRAPIDCOOLINGONHOTCR

2、ACKINGSUSCEPTIBILITYOFNICKEL-BASEALLOYSbyQiJianingSupervisor:Prof.ZhengZhentaiMay2017摘要镍基合金焊接接头热裂纹问题一直是一个研究热点，其机理为：在凝固临近完成阶段，低熔点共晶物形成的液态薄膜存在于已凝固的晶粒边界或枝晶间，因无法承受焊接过程中的拉伸应变而在晶界处开裂，从而形成结晶裂纹或液化裂纹。此外，在某一低于镍基合金熔点的温度区间内，焊接接头金属延性较低，在焊接过程中拉应力的作用下开裂，从而形成高温失延裂纹。目前对于镍基合金焊接热裂纹冶金机理方面的研究

3、很多，但对于如何控制焊接过程应力来减少热裂纹的研究还很少。课题组考虑到正常焊接情况下焊接过程中的应力很难控制，故采用急冷工艺来调控焊接过程瞬时应力从而降低镍基合金焊接热裂纹敏感性。本文利用有限元分析方法，对镍基合金随焊急冷的冷却位置、冷却强度、冷源与热源之间的距离以及冷源半径对焊接过程瞬时应力的影响进行了研究。研究结果表明，当冷源放置在热源后侧时，焊接接头的瞬时应力下降最多。当冷却强度从4000W/m2·K增大到15000W/m2·K时，瞬时应力随之降低，但继续增大冷却强度对于应力降低并没有更好的效果。此外，在本文设定条件下，将冷源与热源

4、之间的距离设置为15mm最有利于降低瞬时应力从而得到降低热裂纹敏感性的效果。对于冷源半径的影响，在一定范围内瞬时应力随着其增大而降低。另一方面，为了探究在有交互作用的情况下多因素共同作用对焊接过程应力及镍基合金焊接热裂纹敏感性的影响情况，对冷却强度、冷源与热源之间的距离和冷源半径进行了三因素三水平的正交试验数值模拟分析,并由此确定正交试验设计中最优方案为冷却强度为8000W/m2·K，冷源与热源之间距离为15mm，冷源半径为8mm。在此基础上进行追加试验得出最佳急冷方案为冷却强度为15000W/m2·K，冷源与热源之间距离为15mm，冷源

5、半径为12mm，此时焊接过程应力降低58%。经过上述的研究可以得出，通过设计合理的随焊急冷方案可以降低焊接过程中的应力，得到降低镍基合金焊接热裂纹敏感性的效果。关键字：镍基合金热裂纹敏感性随焊急冷有限元法IABSTRACTWeldinghotcrackinginthejointofnickel-basealloyshasbeenthesubjectofconsiderableinvestigationandthecrackingmechanismisthatduringtheterminalstagesofsolidification,t

6、heliquidfilmsaredistributedalongsolidificationgrainboundariesandinterdendriticsitesandcannotsustainthetensilestrainsgeneratinginweldingprocess,thentheboundariesseparatetoformacrackwhichresultsinsolidificationcrackingorliquationcracking.Besides,theductilitydipcrackingforms

7、inatemperaturerangelowerthanthemeltingpointinwhichtheweldmetalisinlowductilityandwillcrackunderthetensilestressesinweldingprocess.Therehavebeenplentyofstudyonthemetallurgicalmechanismofhotcracking,butthestudyonthecontrolofstressinweldingprocesstoresisthotcrackingisfew.The

8、groupconsidersthatthetransientstressinweldingprocessisdifficulttocontrolinconventionalwelding,so