不绣钢中厚板激光焊接底部驼峰抑制机理的研究

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激光焊接具有热影响区小、深宽比大、焊接变形小等特点,在核电、船舶、汽车等领域得到了广泛的应用。然而,目前对于激光焊接不锈钢中厚板过程中出现的底部驼峰缺陷抑制手段和抑制机理方面尚有待深入研究。为了有效解决激光焊接中厚板过程中底部驼峰缺陷,本文提出了一种基于预制流道的激光焊接中厚板的方法,并对预制流道激光深熔焊接中厚板过程中小孔和熔池动态行为、底部驼峰缺陷抑制机理进行了试验和理论研究。开展的主要工作如下:(1)基于改进的“三明治”方法,采取高速摄像的方式,从侧面对预制流道激光深熔焊接中厚板的内部小孔和熔池进行了观测。发现由于预制流道的存在,使得小孔前沿壁上的熔融金属和孔内的金属蒸汽向流道内流动,小孔后沿壁趋向光滑平整,小孔稳定性好,底部熔池流动平稳。(2)通过高速摄像试验和数值模拟分析,揭示了预制流道激光深熔焊接中厚板底部驼峰抑制机理。首先,小孔内的金属蒸汽流入预制流道,反冲压力减小,底部熔池所受的冲击减弱,小孔稳定性提高。其次,预制流道分流了小孔前壁部分高速向下的熔融金属,底部熔池所承受的重力减小,使得底部熔池运动平稳。同时,由于焊接小孔前沿壁下方的熔融金属沿着倾斜的流道往上流动时,使得母材的上半部分熔化速率大于下半部分,母材的下半部分可以支撑住小孔前沿壁的熔池,减缓了小孔前沿壁熔融金属往下流动速度,从而避免了底部驼峰的形成。(3)对预制流道激光深熔焊接中厚板焊接参数和流道参数优化进行了研究,结果表明,预制流道对底部驼峰的抑制效果显著,但上表面存在塌陷。在一定范围内,流道倾斜角度对焊缝表面成形的影响较大,流道倾斜角度越大,上表面塌陷越小;随着流道间距的增大,焊缝上表面塌陷逐渐得到改善;当流道直径为0.5 mm-1.0 mm时,对焊缝上表面成形影响不太明显。激光功率为3.6 kW-4.0 kW时,焊缝的上表面成形逐渐改善,飞溅较少,当激光功率为4.0 kW时,焊缝成形最佳。随着焊接速度的增大,焊缝的上表面成形质量逐渐提高。离焦量对焊缝的熔宽影响比较明显,正离焦时的焊缝熔宽较宽。(4)对预制流道激光深熔焊接中厚板接头的显微组织和拉伸强度进行了研究,焊接接头的组织主要是奥氏体,并保留了少许的铁素体,铁素体以骨架状、板条状和蠕虫状存在。焊缝横截面上熔合区两侧组织以柱状晶存在,且呈对称分布,柱状晶生长方向是向焊缝中心生长,焊缝横截面中心区域组织主要是等轴晶。焊缝接头的抗拉强度为880 MPa,试件的拉伸强度接近母材。
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