【摘要】：隨著國家海洋戰(zhàn)略的逐步實施,自升式鉆井平臺作為近海石油勘探開發(fā)的主流產(chǎn)品之一,平臺工作區(qū)域水深不斷向更深的海域發(fā)展,工作環(huán)境也越來越苛刻,相應(yīng)的用來建造海洋結(jié)構(gòu)的海洋工程用鋼的強度級別和厚度規(guī)格隨之增加。樁腿齒條是自升式鉆井平臺升降系統(tǒng)的核心零部件,承載著整個平臺的全部重量和載荷,其焊接質(zhì)量將直接決定海洋平臺的作業(yè)安全和服役效果。目前國內(nèi)大厚壁高強度齒條用鋼主要采用手工焊條電弧焊,工藝復雜落后,焊接效率低下,產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定,工作環(huán)境惡劣,急需一種綠色、優(yōu)質(zhì)、高效的高強鋼厚板焊接新工藝。本文正是在這種背景下,提出并采用窄間隙旋擺電弧M AG(NG-S2MAG)機器人立焊工藝實現(xiàn)了 400ft(～189m)自升式鉆井平臺樁腿齒條分段接長,相比于傳統(tǒng)工藝,節(jié)約焊材消耗約80%,縮短焊接周期近50%。在此基礎(chǔ)上,研究了 177.8mm厚Q690E先進調(diào)質(zhì)高強鋼NG-S2MAG立焊的工藝特點、熱特點、接頭組織與性能特點。發(fā)掘了坡口間隙18～22mm時的"窄間隙-細絲-氣體保護-一層一道-旋擺電弧-立焊"的接頭成形特點及其熱成因。NG-S2MAG立焊實質(zhì)是電弧移動在坡口兩側(cè)壁之間的往復旋擺加熱以及旋擺停頓時沿坡口近側(cè)壁長度方向的直線行進加熱。采用坐標變換法建立了 NG-S2MAG立焊三維動態(tài)數(shù)學熱源模型,溫度場模擬結(jié)果表明,與傳統(tǒng)直通或小擺幅焊接坡口雙側(cè)側(cè)壁的同步熔合不同,NG-S2MAG立焊雙側(cè)側(cè)壁的熔合是"分時"完成的,單側(cè)母材"脈沖"熱輸入量(～12.5kJ/cm)約占電弧總能量的1/2,也正是該部分熱量造成了母材HAZ總寬度較窄(～3.0mm),而過熱粗晶區(qū)(CGHAZ)僅約0.8mm。NG-S2MAG立焊電弧"近側(cè)壁直線段長時慢移動、坡口間旋擺段短時快移動"的特點以及液態(tài)熔敷金屬的動態(tài)再分配,決定了新工藝的焊縫成形似"積木"以及焊層厚度較薄(2.5～4.0mm)。闡明了"窄間隙-細絲-氣體保護-一層一道-旋擺電弧-立焊"熱循環(huán)曲線的雙重"多峰"熱特點,并明晰了 NG-S2MAG單道多層立焊接頭母材原CGHAZ的亞區(qū)劃分。提出并采用一種近側(cè)壁隱藏布置熱電偶測溫法,直接獲取了 NG-S2MAG多層立焊母材CGHAZ的熱循環(huán)曲線。分析發(fā)現(xiàn),在實現(xiàn)坡口雙側(cè)側(cè)壁"分時"熔合過程中,電弧的逐次逼近而后遠離造成溫度的"多峰"性,使得母材CGHAZ在1200℃以上的高溫區(qū)停留時間不及傳統(tǒng)直通電弧MAG立焊的1/3,且在較小線能量條件下即可獲得傳統(tǒng)直通電弧MAG立焊大線能量時的冷卻速度;后焊層熱源對先焊層的多次重熱過程造成的"多峰",使得母材原CGHAZ可細分為七個亞區(qū),FG3-CG2-CG1HAZ、IC3-CG2-CG1HAZ、SC3-CG2-CG1HAZ、SC3-FG2-CG1HAZ、FG2-CG1HAZ、IC2-CG1HAZ 和 SC2-CG1HAZ,各區(qū)面積比例約為 4%、8%、28%、16%、23%、12%和 9%,無 CGHAZ 和 CG2-CG1HAZ,并且經(jīng)歷較低溫度重熱(包括亞溫處理和回火處理)的亞區(qū)面積達到70%左右,說明NG-S2MAG立焊工藝本身具有獨特的"自優(yōu)化"功能。揭示了 Q690E鋼NG-S2MAG立焊母材原CGHAZ的脆化與增韌機制。焊接熱模擬試驗結(jié)果表明,試驗鋼對1200℃以上高溫時原奧氏體晶粒長大敏感,母材CGHAZ和CG2-CG1HAZ主要是粗大的板條馬氏體,組織硬而脆,低溫沖擊斷裂主要為穿晶解理斷裂。峰值溫度低于1200℃的重熱過程對改善試驗鋼原CGHAZ的低溫韌性有利,但同珠光體鋼或貝氏體鋼不同的是,高溫回火和亞溫處理后的韌性提高比例(40～50%)較正火后的(20～40%)要高,說明母材原CGHAZ的板條馬氏體回火成回火馬氏體或回火索氏體要比正火成新鮮馬氏體具有更好的抑制裂紋擴展能力。找到了優(yōu)化Q690E鋼NG-S2MAG立焊接頭性能的工藝措施。從控制試驗鋼CGHAZ韌性惡化的角度出發(fā),可通過進一步微調(diào)焊接電流、焊接速度以及坡口兩側(cè)停留時間等參數(shù),縮短1200℃以上高溫停留時間和控制焊層厚度在3.5mm以內(nèi)。而對于近表層焊縫及其熱影響區(qū)的性能,可采用回火焊道技術(shù)來改善。上述研究結(jié)果,一方面豐富了 800MPa級先進高強鋼厚板"窄間隙-細絲-氣體保護-一層一道-旋擺電弧-立焊"的工程試驗數(shù)據(jù)及相關(guān)焊接理論;另一方面為船舶與海洋工程裝備行業(yè)大厚壁高強鋼結(jié)構(gòu)件的高效焊接提供了新的工藝方法和理論基礎(chǔ)。
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【學位授予單位】：哈爾濱理工大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2016
【分類號】：TG457.11;TE95

【參考文獻】

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本文編號：2436609