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海工平台工作环境恶劣,平台桩腿对用钢强度的要求越来越高,但是海工平台桩腿焊接时会出现冷裂纹、接头韧性降低和脆性断裂等问题,因而桩腿材料焊接成为海工平台桩腿建造的技术难点之一。本文以海工平台桩腿用高强钢Q345/Q690焊接接头为研究对象,结合数值模拟分析、焊接试验和金相分析的方法,对Q345/Q690焊接接头进行裂纹和力学性能的研究,通过分析不同焊接材料和焊接工艺参数对接头强度、韧性和显微组织的影响,确定合理的焊接工艺参数。(1)采用弹塑性有限元方法分析异种高强钢焊缝的抗裂性,应用ANSYS软件对Q345/Q690斜Y型坡口焊接接头进行模拟,分析预热温度和热输入量对焊接残余应力的影响。结果表明:通过焊前预热,可以有效降低焊接残余应力;焊接热输入越大,焊接接头处残余应力越大;在焊接热输入12~20kJ/cm时,焊接接头应力最大值不超过Q690屈服强度的30%,焊接冷裂纹率较低。(2)采用三种强度等级焊丝JQ.MG50-3、JQ.TH550-NQ-Ⅱ、JQ.MG70-G-2,对Q345/Q690进行斜Y坡口焊接裂纹试验,研究焊接裂纹形成机理,以及预热温度、焊接热输入、焊接材料对接头裂纹率的影响。试验结果表明:随着焊丝强度等级增加,焊缝断面裂纹率降低;焊接热输入在12~20kJ/cm时,焊缝断面的裂纹率随焊接热输入增加而增大;通过焊前预热,焊缝断面的裂纹率会显著降低;采用焊丝JQ.MG70-G-2的焊接接头裂纹率最低;且通过预热,三种焊丝焊缝断面裂纹率均能满足生产要求;通过金相显微组织分析,当焊接接头中组织细小,位错密度大时,裂纹不容易扩展,反之亦然。(3)对采用三种强度等级焊丝JQ.MG50-3、JQ.TH550-NQ-Ⅱ、JQ.MG70-G-2的焊接接头进行力学性能试验,研究焊接热输入和焊接材料对Q345/Q690焊接接头的影响。试验结果表明:拉伸试样断裂位置均位于Q345侧离焊缝较远处;三种焊丝焊接接头伸长率均随焊丝强度等级增加而增大,且随焊接热输入增加而减小;三种焊丝焊接接头冲击功均随焊接热输入增大而减小。同等条件下,采用JQ.MG70-G-2焊丝焊接的接头可以获得最佳的冲击韧性。(4)通过激光共聚焦显微镜和扫描电镜观察Q345/Q690焊接接头,研究显微组织对Q345/Q690焊接接头强韧性的影响。结果表明:随着焊丝强度等级升高,焊缝组织中针状铁素体含量增加,先共析铁素体含量减少,有利于提高焊接接头的强韧性;采用JQ.MG70-G-2焊丝,焊缝中铁素体含量随焊接热输入增加而减少,且焊接接头熔合区和热影响区内贝氏体和马氏体含量增加、奥氏体粗化,会降低接头的强韧性。综上研究发现,当在预热为150℃且焊接热输入为12.4kJ/cm时,选用JQ.MG70-G-2焊丝进行Q345/Q690材料焊接,获得的焊接接头裂纹率最低且力学性能最优。