304不锈钢水下激光焊接排水装置设计及焊接工艺研究

摘要

随着人类的活动范围向更深、更广的海洋领域扩展，以及新材料的大量使用，传统水下焊接方法受到了越来越多的限制。另外，在核电修复领域，高压、高辐射的水下环境也对水下焊接技术提出了更高的要求。与水下电弧焊接相比，水下激光焊接具有受水压影响小，焊接材料广泛，热输入量低，冷却速度快，热影响区小，残余应力低等优点。然而，由于技术封锁等原因，我国的水下激光焊接技术仍然处于十分落后的地位，尤其是在高功率激光与水中金属相互作用机理以及水下激光焊接排水装置设计等方面尚未取得实质性突破。
　　本文首先对高功率激光与水中金属相互作用机理进行了研究，采用传统可见光成像系统，获得了不同水深下水下湿法激光焊接过程视频序列及焊接等离子体形态图片，建立了水下湿法激光焊接过程中“光束通道”形成、长大、关闭的力平衡和能量平衡模型。研究发现，随着水深的增加，水下湿法激光焊接过程稳定性和焊接质量逐渐变差，在激光功率6.0 kW，焊接速度0.1 m/min，离焦量0 mm时，水下湿法激光焊接的可焊接水深超过了20 mm。
　　在此基础上，从进气方式设计以及内部流体动力学模拟计算入手，利用SolidWorks和ANSYS Workbench14.5，自主设计了两套水下激光焊接排水装置——单层气体辅助排水装置和双层气体辅助排水装置。针对所设计的排水装置分别进行了气液两相流的流场数值模拟计算，通过对流体流线图、速度矢量图、速度云图和压力云图的分析，验证了排水装置设计的可靠性。其中，单层气体辅助排水装置采用带等距离出气孔的环向进气方式，双层气体辅助排水装置外层筒体采用侧切向进气方式，内层筒体采用斜切向进气方式。
　　最后搭建了局部干法水下激光焊接试验系统。利用所设计的两套水下激光焊接排水装置分别进行了304不锈钢水下激光焊接工艺研究。试验结果表明，本文所设计的两套水下激光焊接排水装置均能够得到外观成形良好、内部无缺陷、性能优异的水下焊接接头。其中，利用单层气体辅助排水装置得到的水下焊缝抗拉强度和冲击韧性分别为665 MPa和107 J/cm2；利用双层气体辅助排水装置得到的水下焊缝抗拉强度和冲击韧性分别为620 MPa和152 J/cm2。与陆上焊接相比，水下焊缝中铁素体除了以树枝状形态存在外，还能够以板条状形态存在，焊缝强度满足要求，韧性有所降低，微观硬度相差不大。

目录

第1章 绪 论

1.1课题背景与研究意义

1.2国内外研究现状

1.3主要研究内容

第2章 试验材料、设备及方法

2.1试验材料

2.2试验设备

2.3试验方法

第3章 高功率激光与水中金属相互作用机理

3.1水深对水下湿法激光焊接过程的影响

3.2水深对水下湿法激光焊接质量的影响

3.3本章小结

第4章 水下激光焊接排水装置设计

4.1水下激光焊接排水装置设计注意事项

4.2水下激光焊接排水装置结构及进气方式设计

4.3水下激光焊接排水装置流体动力学分析

4.4水下激光焊接排水装置装配设计及实物

4.5本章小结

第5章 局部干法水下激光焊接工艺研究

5.1水下激光焊接排水装置排水性能研究

5.2单层气体辅助排水装置工艺研究

5.3双层气体辅助排水装置工艺研究

5.4本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的学术论文及其他成果

声明

致谢