10Ni3CrMoV鋼厚板激光焊接穩(wěn)定性與接頭組織及性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)上對(duì)于板厚超過20mm以上的大厚板焊接，廣泛地采用了窄間隙 SAW/GMAW焊接方法，同傳統(tǒng)的電弧焊接相比，激光焊接厚板有著巨大的優(yōu)勢(shì)，由于激光焊接熱源能量密度集中，使得線能量小，熱影響區(qū)窄，焊接變形小，焊接生產(chǎn)效率高，焊接接頭的力學(xué)性能優(yōu)異。本研究以10Ni3CrMoV鋼作為研究對(duì)象，采用激光焊接和激光電弧復(fù)合焊接等多道焊接技術(shù)實(shí)現(xiàn)36mm厚鋼板的高效焊接。
　　為了揭示厚板激光焊接等離子體的耦合機(jī)制以及影響焊接過程穩(wěn)定性的

2、原因，基于電磁場(chǎng)理論，建立了激光光致等離子體和電弧的相互作用模型，從電子、離子等的分布和運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)上分析了激光光致等離子體與單（雙）電弧的相互作用特點(diǎn)及穩(wěn)定性，采用光譜分析法對(duì)等離子體輻射進(jìn)行測(cè)量，建立起輻射強(qiáng)度與等離子體內(nèi)部各參數(shù)之間的定量關(guān)系，從而獲得復(fù)合焊接等離子體的電子溫度、電子密度等重要物理量，建立了復(fù)合焊接熔滴的受力模型，分析了復(fù)合焊熔滴過渡特點(diǎn)。從力和能量的角度，詳細(xì)分析了激光－單(雙)電弧復(fù)合焊的穩(wěn)定性，對(duì)于激光－單電弧復(fù)

3、合焊接，重點(diǎn)研究焊接電流、激光功率和激光與電弧的間距對(duì)激光光致等離子體和電弧的耦合作用，在不同的激光功率和電流下存在一個(gè)最佳的激光與電弧間距范圍；對(duì)于激光－雙電弧復(fù)合焊接，在電弧電壓相等時(shí)，當(dāng)引導(dǎo)電弧對(duì)激光光致等離子體的電磁力等于跟隨電弧對(duì)激光光致等離子體的電磁力時(shí)，激光光致等離子體能夠?qū)蓚€(gè)電弧起到引導(dǎo)、和穩(wěn)定作用，焊接過程最穩(wěn)定。
　　為了認(rèn)識(shí)坡口形狀、尺寸對(duì)激光焊接穩(wěn)定性的影響，采用高速攝影系統(tǒng)，研究在坡口條件下的激光光致等

4、離子體行為，發(fā)現(xiàn)采用合適的U型坡口尺寸，能夠很好的抑制激光光致等離子體，提高焊接過程穩(wěn)定性，最大限度的利用激光能量，增加焊縫熔深, U型坡口的最佳尺寸范圍為：坡口寬度為3~4mm，坡口深度為4~5mm。通過采集電流電壓信號(hào)和觀察坡口內(nèi)的激光光致等離子體和電弧的相互作用情況，確定了坡口上部 V形最小角度為10°，在此角度下，激光光致等離子體對(duì)電弧的吸引和穩(wěn)定作用，使得焊接過程穩(wěn)定。
　　基于計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)，建立了包含噴嘴、氣流和工件

5、的三維數(shù)值模型，模擬在U型坡口和無(wú)坡口條件時(shí)，側(cè)吹氣體的靜壓力、氣體流速和He氣體組分摩爾百分比在整個(gè)環(huán)境氛圍中的流場(chǎng)變化。揭示了在合適的U型坡口尺寸條件下，坡口內(nèi)的氣體靜壓力、氣體流速和He氣體組分摩爾百分比較大，能夠加強(qiáng)對(duì)等離子體冷卻，增大電子的復(fù)合速率，因而能夠有效的抑制激光光致等離子體，獲得較大的熔深和穩(wěn)定的焊接過程。
　　測(cè)試10Ni3CrMoV鋼在純激光焊接和激光復(fù)合焊接下的不同線能量的熱循環(huán)曲線，建立了適用于激光焊接

6、的10Ni3CrMoV鋼的SHCCT圖，為厚板焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化和制定提供重要參考。利用JMatPro軟件模擬計(jì)算10Ni3CrMoV鋼TTT曲線及CCT曲線，模擬計(jì)算10Ni3CrMoV鋼焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)和細(xì)晶區(qū)的組織分布、含量以及焊接接頭的力學(xué)性能，結(jié)果顯示隨冷卻速率的增加，組織轉(zhuǎn)變是按馬氏體+貝氏體+少量鐵素體+少量殘余奧氏體→馬氏體+貝氏體+少量殘余奧氏體→馬氏體+少量殘余奧氏體規(guī)律而變化的。
　　采用Gleeble

7、3500模擬了HAZ的一次熱循環(huán)和二次熱循環(huán)組織，二次熱循環(huán)的HAZ的粗晶區(qū)晶粒大小，馬氏體板條和馬氏體束群尺寸比一次熱循環(huán)粗晶區(qū)進(jìn)一步增加。隨著 t8/5增加，一次熱循環(huán)的HAZ的粗晶區(qū)的微觀組織從板條馬氏體＋碳化物向板條馬氏體＋碳化物＋粒狀貝氏體轉(zhuǎn)變。一次熱循環(huán)的HAZ粗晶區(qū)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最大，沖擊韌性值最低，硬度最大；兩相區(qū)的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最低，在回火區(qū)的硬度最低。二次熱循環(huán)在峰值溫度為900℃時(shí)的細(xì)晶區(qū)的組織主要是由細(xì)

8、小的馬氏體、碳化物以及粒狀貝氏體組成，粒狀貝氏體造成該區(qū)域組織脆化，導(dǎo)致屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度最小，沖擊韌性值普遍較低，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。
　　分析了10Ni3CrMoV鋼在不同線能量下的焊縫和熱影響區(qū)的組織演變規(guī)律，在線能量為11.2kJ/cm時(shí)，焊縫組織主要是粒狀貝氏體組織，線能量為8kJ/cm，組織主要為針狀鐵素體，線能量為6.7 kJ/cm，組織主要為馬氏體。線能量較低的焊接接頭的液態(tài)金屬高溫停留時(shí)間比較短，在冷卻過程中第