T型結(jié)構(gòu)激光深熔焊接過程中小孔型氣孔形成機理研究.pdf

1、三明治結(jié)構(gòu)板是一種新的夾層結(jié)構(gòu)形式,一般由上下兩塊面板和中間芯板構(gòu)成,具有比強度高、比剛度大等優(yōu)點,在造船、海洋平臺制造等行業(yè)有良好的應(yīng)用前景。但其制造過程比較復(fù)雜,特別是面板和芯板的連接成為阻礙其廣泛應(yīng)用的最大障礙。激光焊接作為先進(jìn)的焊接制造方法,其焊接變形小,焊縫質(zhì)量高,特別是可實現(xiàn)一次深熔焊接的優(yōu)點,使其成為快速高效地制造 I形夾芯板三明治結(jié)構(gòu)的有效手段。然而由于激光深熔焊過程中匙孔的復(fù)雜形成過程,使得面板和I芯板(T型接頭)的焊

2、接時易出現(xiàn)不規(guī)則的氣孔(稱為“小孔型”氣孔)。氣孔的存在能夠降低焊縫強度,韌性,抗疲勞以及耐腐蝕等性能,甚至直接導(dǎo)致焊件的報廢,成為激光焊接T型接頭制備I芯三明治結(jié)構(gòu)的瓶頸之一。研究激光焊接T型結(jié)構(gòu)過程中小孔型氣孔產(chǎn)生的過程以及影響小孔型氣孔形成的因素,從而揭示激光深熔焊過程中小孔型氣孔形成的機理,為提出有效降低該類型氣孔的控制措施提供理論依據(jù),從而有利于制造高質(zhì)量三明治結(jié)構(gòu)。
　　本文采用試驗與數(shù)理建模相結(jié)合的方式,系統(tǒng)研究激光

3、焊接T型接頭中氣孔產(chǎn)生的過程、表征方法、影響因素,以找出過程參數(shù)對氣孔產(chǎn)生的影響規(guī)律,并從理論上分析氣孔產(chǎn)生的本質(zhì)及條件。
　　首先采用光纖激光焊接系統(tǒng)對船用低合金高強鋼T型結(jié)構(gòu)開展實驗研究。通過改變激光焊接功率、焊接速度,面板與肋板之間的間隙等工藝參數(shù)研究了不同因素對于小孔型氣孔數(shù)量和分布的影響。并通過金相統(tǒng)計法、X射線無損探傷法對小孔型氣孔進(jìn)行檢測,進(jìn)而對氣孔的大小尺寸及分布進(jìn)行初步表征。文中引入了新型的三維納米電腦斷層掃描(

4、Nano-CT)檢測技術(shù),對焊縫中氣孔的三維尺寸、形貌以及空間分布情況進(jìn)行細(xì)節(jié)表征。Nano-CT檢測結(jié)果可以清晰的分布?xì)饪椎某叽?、形貌和三維分布等信息,可為分析氣孔的產(chǎn)生過程與氣孔對T型結(jié)構(gòu)的性能的影響提供依據(jù)。
　　其次,本文基于傳熱學(xué)及流體動力學(xué)理論建立了激光焊接T型結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型,該模型中同時引入了凝固相變模型、驅(qū)動力模型以及絕熱氣泡模型,通過設(shè)定合理的邊界條件,成功實現(xiàn)了對激光深熔焊接過程中小孔型氣孔的產(chǎn)生以及演變過程的

5、模擬。模擬結(jié)果表明:在T型接頭激光深熔焊接過程中,由于匙孔的不穩(wěn)定性,及出現(xiàn)不斷坍塌現(xiàn)象,導(dǎo)致氣泡不斷在匙孔根部產(chǎn)生,其中一部分氣泡產(chǎn)生后在熔池流動以及浮力作用下浮出熔池,而一部分氣泡來不及上浮或在熔池中遷移過程中被凝固界面捕獲,最終殘留在焊縫的中下部,形成尺寸形貌各異的氣孔。
　　基于上述模型同時計算了不同工藝參數(shù)對于小孔型的氣孔的影響,結(jié)果表明:激光功率越大,匙孔的穩(wěn)定性越差,越容易產(chǎn)生氣孔;焊接速度越快,匙孔相對穩(wěn)定,越不容

6、易產(chǎn)生氣泡,但是焊接速度越快,熔池后壁凝固速度也加快,氣泡向氣孔的轉(zhuǎn)變率增大;材料粘度越大,匙孔和熔池的穩(wěn)定性越差,且氣泡產(chǎn)生后遷移上浮更加困難,焊接過程產(chǎn)生氣孔增多;激光光斑直徑越小,焊接過程中小孔愈加不穩(wěn)定,導(dǎo)致更多的氣泡產(chǎn)生,從而演變?yōu)檩^多的氣孔;T型結(jié)構(gòu)面板與肋板間隙的存在導(dǎo)致匙孔穩(wěn)定性變差,使得更多氣孔產(chǎn)生。
　　通過建模和試驗研究表明,激光深熔焊接過程中小孔型氣孔產(chǎn)生的根本原因是由于激光焊接工藝參數(shù)與材料物理結(jié)構(gòu)參數(shù)的