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LANZHOUUNIVERSITYOFTECHNOLOGY毕业设计(论文)题目高强钢三明治板激光焊焊接接头冲击性能研究学生姓名白瑞学号12850219专业班级焊接技术与工程2班指导教师徐仰涛副教授学院材料科学与工程学院答辩日期2016年6月16日兰州理工大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特另tlDi：l以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名：饿煮义日期：文台f髟年石月歹日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权兰州理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密口，在年解密后适用本授权书。2、不保密酿(请在以上相应方框内打“√”)日期：文Dt肜年∥月多日日期：奠Df夕年∥月∥日目录摘要⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．IAbstract⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯⋯⋯．⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．⋯．．⋯⋯⋯．⋯．．．．．．．．．．．．．．．．⋯II第一章绪论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯11．1课题研究背景及三明治板⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．11．2高强钢的焊接性⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．21．3激光焊接技术简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯一31．4激光焊三明治板的研究现状及其应用⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．41．5激光焊T型接头的研究⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯，61．6本课题的研究内容⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．8第二章T型接头组织分析及力学性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．1试验材料简介⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯102．2激光焊三明治板结构介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112．3焊缝的组织⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯112．3．1960钢同种材料焊接焊缝的组织⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。112．3．2960钢和780钢异种金属焊机时焊缝的组织⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．132．4试验材料的力学性能⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯142．4．1960钢和780钢母材和焊缝拉伸⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．I52．4．2960钢和780钢母材和焊缝拉伸的断口⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．172．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯18第三章不同焊接工艺及接头几何对T型接头力学性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯193．23．33．43．5I型芯三明治板的剪切行为⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯19T型接头弯曲刚度的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯20T型接头强度的定义⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯21T型接头失效方式⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯223．6应力集中系数⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯243．73．8T型接头弯曲试验和剪切试验介绍⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯25960T型接头弯曲试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯263．8．1焊接线能量对960T型接头载荷一挠度曲线的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯263．8．2间隙对T型接头承载能力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯293．8．3偏移量对T型接头承载能力的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯32激光焊高强钢三明治板T型接头力学性能研究3．93．103．1l780T型接头弯曲试验⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．33T型接头的屈服强度与连接宽度及焊接线能量的关系⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．35T型接头的剪切行为⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。373．12本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．38第四章T型接头弯曲试验模拟及T型接头对三明治板性能的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯404．1引言⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯404．2960T型接头弯曲试验的模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯。404．2．1不同连接宽度的T型接头模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯404．2．2不同间隙的T型接头模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯444．3780T型接头弯曲试验的模拟⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．454．4T型接头对三明治大板的影响⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯474．4．1960三明治板模拟及试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．474．4．2780三明治板模拟及试验分析⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．504．5本章小结⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯53结论⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯54参考文献⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．56致{射⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯60攻读硕士期间已发表的论文⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯．．61硕士学位论文摘要随着资源节约型社会的提出，对工业装备轻量化和可靠性提出了更高的要求。金属三明治板是由上面板、下面板和连接上下面板的芯板组成。三明治结构具有高的比刚度、低密度、绝热和防火、抗冲击等优点。焊接工艺以及三明治板的结构设计影响着整个三明治板的性能。本文以对舰船结构的轻量化为研究背景，以激光焊接船用960钢和780钢三明治板T型接头为主要研究对象，研究了T型接头弯曲刚度和屈服强度，以及接头失效的应力变化状态。本文首先分析了两种焊接母材的成分及焊接性，并测试了母材及不同焊接参数的焊缝的力学性能，试验结果表明，960母材具有较高的抗拉强度及屈服强度，其屈强比较高，母材的延伸率为16％，塑性较差。780母材也具有较高的屈服强度和抗拉强度，但是其延伸性较好。其次，对T型接头进行弯曲和剪切试验，分析了焊接功率、间隙、和偏移量对T型接头弯曲刚度和屈服强度的影响，试样结果表明连接宽度是影响接头弯曲刚度的主要因素，连接宽度越大则接头的弯曲刚度越大，焊接功率影响接头的组织及晶粒大小，焊接功率越高接头的屈服强度越大，当焊接功率较低时，弯曲断口为脆性断口。间隙和偏移量对接头的弯曲刚度影响不大，但是会降低接头的屈服强度。对试验结果进行统计分析，结合相关经验公式，定义了T型接头弯曲刚度和屈服强度。最后，使用商业有限元软件Abaqus模拟T型接头的弯曲过程及三明治板的三点弯曲试验，通过对T型接头弯曲过程的模拟，研究T型接头弯曲失效过程中的应力变化情况，同时研究了间隙、偏移及连接宽度对T型接头弯曲刚度和屈服强度的影响。使用有限元法对三明治板三点弯曲试验的模拟，分析了三明治板屈服到失效过程中接头及面板的应力变化情况，其中960三明治板的薄弱环节位于T型接头的焊缝，而780三明治板的薄弱环节位于面板，模拟所得的载荷挠度曲线与试验结果吻合，为三明治板的进一步优化提供了条件。关键词：三明治板；T型接头；弯曲刚度：屈服强度；激光焊接激光焊高强钢三明治板T型接头力学性能研究III硕士学位论文第一章绪论1．1课题研究背景及三明治板近年来，在建设资源节约型和环境友好型社会的大背景下，资源和能源的高效节约利用成为了社会发展的主线。在此背景下，船舶制造业要改变传统制造设计方法，转向轻量化设计理念变得尤为重要。提高结构的比刚度和比强度，可以节省资源消耗，降低成本，提高运载能力。而在航空航天军事等领域，轻量化设计的要求就更高，除此之外还要求结构具有更高的可靠性，因此轻量化设计尤为重要。在传统的制造业中，钢铁的使用最广泛，但是随着科学技术的发展，轻质结构设计对材料提出了更高的要求，除了开发更高强度的钢材外，其他性能更优的材料也可以用来制作轻质结构，铝合金和钛合金具有很高的比强度，密度低，耐腐蚀等特点，使其成为轻质结构的首选材料fl】，但是考虑到经济效益，钛合金一般用在高端制造领域。近年来发展迅猛的新型功能材料和复合材料，比如玻璃纤维、碳纤维、连续玄武岩纤维、不饱和聚酯树脂、环氧树脂等，因为它们具有以下优点：轻质、优良的机械性能，抗疲劳型好，无磁性，抗磨性能好，耐腐蚀，热膨胀系数低[2-3】，所以它们都可以作为理想的轻质结构材料。用复合材料制作的轻质三明治板具有高的弯曲刚度，轻质三明治板被越来越多的用在车辆、建筑上，一般来说夹芯板的面板由高强度的金属或者层状的复合材料组成，芯板通常由瓦楞板或者泡沫材料组成[4-5】。在高速公路、河流的桥梁墩柱周围安装的防护板，采用的三明治结构可以抵抗汽车、轮船的冲击[61。金属三明治板是近年来广泛研究的新型轻质结构，三明治板的种类很多，通过改变三明治板芯板的结构，使其具有更高的比强度，是研究三明治结构的主要内容。常见的芯部形状有x型、v型、O型、Z型和F型，如图1．1所示为常见的几种三明治结构。激光埠高强钢三明治板T型接头力学性能研究鲞鱼蠡禽彰图l1三明治板常见的几种形状在三明治板中，面板的刚度较大，主要承受弯曲和面内载荷，芯板的密度很小，主要固定面板和传递剪切载荷。三明治板具有低密度、高比强度、高比刚度和抗冲击等优点．此外三明治板具有隔热隔音等物理性能。因此在很多领域，三明治板都能够得到广泛应用17。⋯。金属三明治板的制造可用多种方法，使用整体成型或者拼接成型。整体成型的三明治板比拼接成型的三明治整体强度要高，但是材料、工艺制造成本会制约整体成型三明治板的发展，故在目前来看，拼接成型是比较理想的方法。拼接成型可以包括焊接、胶接和机械连接等方式。KumarP．Dharmascna等人把一张平板通过剪切、弯曲等机械加工工艺把芯板制作成空间网状结构，然后使用激光点焊的方法制作三明治板【l”。1．2高强钢的焊接性随着工业技术的发展，对钢材的性能也提出了更高的要求，在航空航天、军工等领域要求在高温、高压及高应力下零部件还能保持足够的刚度和强度，比如火箭的发动机和高铁的车轴等。显然，普通碳素钢已经无法满足特种领域的使用要求，为了获得性能更优的钢材。经常在普通钢材中加入质量分数为5％以下的合金元素组成低合金铜，由于合金元素能提高钢的淬透性，从而能够保证钢在经过热处理之后可以获得优良的综合力学性能，同时也保证其具有较高的强度和足够的韧性Il“。低合金高强钢分为热轧钢、正火钢和调质钢，其中调质钢又分为低碳调质钢和中碳调质钢。低台金高强钢焊接缺陷主要由以下几个方面：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂和脆化软化等⋯J。对于含c量较低的热轧钢和正火钢，含锰量也较高，因此其具有较好的抗热裂纹的能力，但是当材料局部发生偏析或者碳和硫的含量高时，也会出现热裂纹。低碳调质钢因其碳含量低，且锰的含量高t一般不会硕士学位论文出现热裂纹。中碳调质钢含碳量和合金元素都较高，所以它具有较大的热裂纹倾向II川。低合金调质高强钢在焊接过程中，焊接接头会出现严重的软化现象。低合金高强钢接头软化的原因是，焊接热影响区在焊接预热的作用下，硬度明显低子母材。研究表明预热温度和热输入量对30MnCrNiMoB钢的最大软化程度影响不大，但是对软化区的宽度的影响呈线性关系。30M