详情

原文传递深远海原油转驳装备T型接头激光锻造复合电弧焊接工艺与性能研究

论文题名：	深远海原油转驳装备T型接头激光锻造复合电弧焊接工艺与性能研究
关键词：	原油转驳船;电弧焊接;激光锻造;T型接头;数值模拟
摘要：	石油被誉为“工业血液”，远海深水区蕴藏着全球44%和我国南海80%的油气资源。深远海油气资源开发是国家战略，由于远离陆地和缺乏远海原油转驳技术，我国远海油气尚未能有效开发。浮式生产储油船（FPSO）和原油转驳船（CTV）是海油开发核心装备，如何将原油从FPSO直接转驳到超大型油轮（VLCC），而无需陆地储油库中转，一直是亟待解决的世界性难题，更是我国南海油气资源开发的关键技术难题。由于原油转驳装备作业环境较为固定，长期处于风浪、海水腐蚀等恶劣工况下，CTV船体的T型接头焊缝易产生裂纹、腐蚀等隐患。因此，研发更先进的复合焊接技术对于提高焊缝质量和装备安全性具有积极意义。　　激光锻造复合电弧焊接是本课题组提出的一种新型焊接技术。该技术利用短脉冲激光的力效应锻打高温金属熔池，以减少焊缝中气孔、未熔合等缺陷，并细化焊缝区晶粒，提高焊接接头的力学性能。本实验选用Q345低碳合金钢作为基体，ER50-6焊丝作为焊接材料，采用激光锻造复合电弧焊接技术研究了T型接头的焊接工艺，对焊缝处的微观组织与力学性能进行研究，同时通过数值模拟技术研究了焊接过程中的温度场与应力场变化情况。本文的主要研究内容如下：　　（1）通过正交试验法研究了不同参数（焊接电流、电压、焊接速度以及激光锻打频率）对于T型接头的焊缝成形系数、截面结合率和焊道表面质量的影响，并通过极差分析法确定了最优焊接参数。实验结果发现，焊接电流是三个指标中影响最大的因素，而焊接电压、焊接速度和激光锻打频率则分别对焊缝成形系数、截面结合率和焊道表面质量具有显著影响。最终确定的最佳工艺参数为：电流250A、电压29.5V、焊接速度5mm/s、激光锻打频率5Hz。采用这组工艺参数进行焊接后，T型接头的焊缝成形系数、截面结合率和焊道表面质量均得到了有效提高。　　（2）使用Abaqus有限元仿真软件，模拟了传统电弧焊接和激光锻造复合电弧焊接的温度场与应力场变化情况。研究结果表明，焊接温度场在焊接过程中随着电弧热源运动而改变，不同焊接阶段的熔池温度具有不同的特点。针对焊接应力场模拟结果，激光锻造技术的应用有效降低了焊道表面的残余拉应力，同时引入压应力，有利于提高疲劳寿命。　　（3）本研究基于最优焊接工艺参数，探究了不同激光锻打频率对T型接头的微观组织、硬度、残余应力和拉伸性能的影响。结果显示，高频率激光冲击锻打可以使焊缝区晶粒细化并提高显微硬度，同时加速熔池冷却速度，促进HAZ中的过热区发生马氏体转变，从而显著提高了该区域的硬度。随着激光锻打频率的增加，焊缝区和HAZ的残余压应力增加，有利于提高该区域的抗疲劳性能。此外，在激光冲击锻打作用下，拉伸试样断裂位置由焊缝区转移到热影响区再至母材区，断裂方式也从脆性断裂转变为韧性断裂，抗拉强度明显提高，表明激光冲击锻打可增强T型接头的塑性和拉伸性能。
作者：	韦霖涛
专业：	机械
导师：	张永康;吴凤民
授予学位：	硕士
授予学位单位：	广东工业大学
学位年度：	2023