本文是一篇工程硕士论文，本文为了选取AH36船用钢CO2气体保护焊最优焊接工艺参数，采用单因素影响试验及正交试验的方法探究了使用不同焊接参数对焊接接头形貌、微观组织及力学性能的影响；通过对最优焊接工艺参数焊接接头微观组织观察、焊接残余应力检测和焊接数值模拟的方式验证；
第一章绪论
1.1前言
随着渔业的不断发展，对远海资源的开发以及捕捞和运输需求的增加，对渔船和海洋牧场平台所使用的钢材在厚度、强度和低温韧性等方面的要求也日益提高。为了简化建造过程并提高建造质量，传统的厚度钢板已经被具有综合性能优异特点的高强度钢所取代[1]。目前，远洋渔船和海洋牧场平台常采用优质碳素钢和优质低合金钢的船用钢，主要包括一般强度钢（A、B、D、E级）、高强度钢板（AH32~EH40）、超高强度船板钢（AH42~FH69）等[2]。另外随着海洋资源开发向深海和极地发展，船用钢不仅向中厚度方向发展（尺寸为4mm~60mm），导致需要多道焊接工艺。基于海洋工程装备多样化、大型化的发展需求，其制造中不可避免地采用焊接工艺。海洋工程装备总体焊缝数目可达到几十万到上百万条，占整个制造工时30%~50%。因此，焊接质量和效率影响着船舶制造的质量、周期和成本[3]。但由于远洋渔船和海洋牧场平台需要承受海洋中风浪的冲击、海水腐蚀，甚至日夜交替引起的温差等各种恶劣环境，因此要求焊接结构具有一定的强度、韧性、耐低温和耐腐蚀性能[4]。
焊接坡口尺寸大且随板厚增加，焊接层数增多，需焊前预热和焊后保温，这增加了准备工序，降低了生产效率，也增加了成本[5]。过大的热输入可能导致焊后变形和接头性能下降，需焊后热处理、预热工作量巨大且耗时[6]。远洋渔船和海洋牧场平台建造越来越自动化、专业化、大型化，对焊接工艺要求提高。但焊接工艺的复杂性、大型焊接件和环境多变性，导致中厚板焊接质量难保。在选择正确的焊接材料前提下，合理的焊接参数能提高接头力学能力。综上所述，考虑到远洋渔船及海洋牧场平台对船用钢使用环境及需求，本文旨在优化中厚度船用钢焊接，降低维修，延长使用寿命，达到减少成本，提高经济效益的目的。
1.2中厚度船用钢的应用及其焊接技术
1.2.1中厚度船用钢
经过多年的发展，中国已经建立了相对完善的船舶和海洋工程用钢体系，并通过发布相关规范和国家标准进行了规范化。这些规范包括CCS（中国船级社）规范和GB6712《船舶及海洋工程用钢》标准。该体系涵盖了早期大型船体所采用的一般强度钢，并且还包括目前海洋工程设备常用的焊接结构超高强度钢[7]。
由于远洋渔船和海上牧场平台常年暴露在海水中，需要承受各种恶劣海况，对船舶和海洋平台用钢的要求非常高。钢材需要具备卓越的耐腐蚀性能，以抵御海水的侵蚀，并能承受水面上的风流冲击。此外，还需要具备优异的低温冲击性能、优异的力学能力和良好的加工性能等特点。中厚度船用钢能够满足更严苛的工作环境要求，提供更好的结构强度和耐用性，从而增强船舶和海洋平台的安全性和可靠性[8]。中国在远洋资源开发方面起步相对较晚，直到20世纪80年代才建成自己的海洋石油平台。目前，我国海洋平台主要采用屈服强度为355~460MPa的D、E和F级钢板，并已基本实现国产化，如DH36~Z35、EH36~Z35等，其各项性能指标符合相关标准规范要求。舞钢公司成功开发了A、B、D、E、AH32~EH32、AH36~EH36级船用钢以及EH40、FH40、E500、E550、A514GrQ和A517GrQ等高强度钢板。其强度、低温韧性和规格等指标均达到国际先进水平[9]。中厚度船用钢在远洋渔船及海洋牧场平台建造领域中扮演重要角色，随着船舶建造技术的发展和新材料的引入，中厚度船用钢的性能和应用将继续得到改进和扩展，以满足远洋渔船和海洋牧场平台的需求，并提高船舶和平台的安全性、效率和环保性能。这些钢材的研发和规范化为船舶和海洋工程的设计、建造和维护提供了重要的技术支持，如表1-1所示[10]。
第二章试验材料与试验方法
2.1试验材料
试验采用厚度为10mm的AH36高强度船用钢，对接试板尺寸为100mm×100mm×10mm并对其采用直读光谱仪检测成分，结果如表2-1所示，化学成分符合ASTM A131/A131M规定范围，规定范围如表2-2所示。对试验钢材样块使用金相研磨机进行研磨，并使用4%硝酸溶液进行腐蚀后使用光学显微镜400倍下对样块进行微观组织观察分析，微观组织图如图2-1所示。试验钢材AH36的显微组织由大量块状铁素体（F）少量珠光体（P）组成。在显微微观组织中，铁素体为母材提供了良好的塑性变形能力，而贝氏体则赋予母材高强度和出色的低温韧性。
2.3试验方案及方法
2.3.1CO2气体保护焊焊接试验
为防止AH36船用钢表面污染物对焊接接头质量产生影响，在焊接前采用机械打磨方法去除表面氧化膜，再用酒精清洗油污等杂质。试验采用多层多道CO2气体保护焊的焊接方法进行焊接。焊接试验中为防止焊接过程中产生形变和位移使用焊接夹具将焊接试板固定在自制电动平移台台面上，如图2-4所示，通过旋转电动平移台控制面板旋钮来调节电动平移台移动速度，以此方式调节焊接速度；使用焊枪夹具控制焊枪位置，以保证焊枪倾角在80°~110°之间，近似垂直于焊缝位置。为了在焊接过程中降低熔池内熔化物和熔滴被烫化的可能性，并保护高温金属免受外界气体侵害，采用浓度为99.9%的CO2作为保护气体。根据ISO 2553标准接头采用V型坡口接头形式，接头间隙为3mm，焊丝采用广泛应用于低合金钢焊接的FRN-YT71T-11焊丝，直径为1mm，焊丝焊缝金属化学成分如表2-5所示。焊接方式如图2-5所示，焊接次序示意图如图2-6所示。焊接时，保持统一的焊接方向、焊接顺序、焊枪位置和相同的气体流速，通过电动平移台控制器来调节焊接速度快慢，电焊机调节焊接电流和电弧电压大小，实现不同焊接工艺参数的焊接。
本研究中通过使用不同焊接工艺参数探究对AH36船用钢焊接接头质量的影响，以找到最优的参数。首先采用单因素影响试验，单因素试验参数的选取范围基于陈广涛、刘红先的研究[42,43]，单因素试验参数及试验方案如表2-6所示。在A1~A5试验过程中，研究因素为焊接电流，其值变化范围为65~125A，以15A的增量递增；
第三章 焊接工艺参数对焊接接头性能影响 .......................... 20
3.1 单因素试验焊接接头的宏观形貌 ....................... 20
3.1.1 焊接电流对焊接接头宏观形貌的影响 ..................... 20
3.1.2 电弧电压对焊接接头宏观形貌的影响 ....................... 22
第四章 最优工艺参数焊接接头组织和性能研究 ................................ 50
4.1 正交试验的研究结果及分析 .......................... 50
4.1.1 正交试验焊缝宏观形貌 ................................ 50
4.1.2 正交试验结果及显著性分析 ........................ 52
第五章 最优焊接参数焊接数值模拟研究 .................. 57
5.1 有限元模型的构建 ............................... 57
5.1.1 几何模型的构建 ........................... 57
5.1.2 定义单元类型 ............................. 57
第五章最优焊接参数焊接数值模拟研究
5.1有限元模型的构建
5.1.1几何模型的构建
在温度场和应力场分析中，建立准确的几何模型非常关键。几何模型的目的是精确描述实际焊接的形状和尺寸。在建模过程中，需要将实际试件的约束条件转化为模型的约束条件，并进行适当的网格划分、边界条件设置和加载荷施加。几何模型的构建需要考虑尺寸和形状的准确性，需要对后续网格划分、边界条件设置和加载荷施加的相关信息做准备[62]。使用Solidworks软件按试验用AH36船用钢板尺寸要求进行建模，如图5-1所示。
第六章结论与展望
6.1结论
本论文对10mm的AH36船用钢使用不同焊接工艺参数采用CO2气体保护焊进行焊接，得到的结论如下：
（1）AH36钢的焊接的焊缝区组织主要由大量针状铁素体和微量块状铁素体构成。在热影响区，不完全相变重结晶区的显微组织包括相变重结晶后生成的细小铁素体、少量珠光体以及未经相变重结晶的粗大铁素体。相变重结晶区则由块状铁素体和珠光体组成，呈现细小的组织结构。不同的焊接工艺参数对焊接接头的宏观形貌产生不同影响。较高的焊接电流会增加热输入和熔化率，导致焊缝的熔宽和余高增加，同时晶粒尺寸随电流的增大而增大。增加电弧电压则会导致焊缝的熔宽增大，余高减小，同时晶粒尺寸增大。另一方面，增加焊接速度将导致焊缝的熔宽减小，余高增大，晶粒尺寸随之减小。
（2）通过对AH36钢的CO2气体保护焊在不同焊接参数下进行的室温硬度试验，发现焊缝区域的硬度值明显高于母材。这是由于焊接后焊缝区组织由大量针状铁素体组成，针状铁素体比较细小且取向自由，呈大角度晶界，具有较强的抗裂纹扩展能力，这种组织的存在提高了焊接接头的强度和硬度，因此，该接头能够更好地承受大的载荷和应力；焊接接头维氏硬度值与其微观组织晶粒尺寸呈反比。在拉伸试验中观察到断裂位置分别位于母材和焊缝，呈现不同的形貌特征。在母材处的断口上，存在大量密集的凹陷韧窝，这表明发生了韧性断裂。而焊缝边缘处的断口呈现垂直流水状截面，显示出典型的脆性断裂特征；焊
