高功率激光焊接接头成形与其性能相关性研究

摘要

《“十三五”国家科技创新规划》在太空、海洋、地质和信息等领域的战略部署，以及《中国制造2025》在我国制造业的宏伟规划，对现代智能制造、精确制造、绿色制造的创新与发展提出了高标准的要求。激光焊接工艺设计简单、焊接效率高、热输入小、接头性能好，为大型复杂结构件制造提供了新手段。 激光焊接相对传统的焊接方法具有更高的接头质量。然而由于激光热源作用下极高峰值温度、超高加热/冷却速度的影响，焊接接头存在明显的宏观形貌差异、微观组织不均匀性，以及力学性能不均匀性，对其宏观接头成形、介观熔池扰动、微观组织分布和实际力学性能之间的相关性评价方法也缺乏系统深入的探讨。因此本文以薄板/中厚板高功率激光自熔焊接头性能评价为应用背景，进行了激光焊接成形过程特征分析，并深入开展了激光焊接工艺、焊缝形状、组织分布与接头性能相关性研究。 首先，简要概述了薄板不锈钢激光焊接过程相关特性，以及激光作用下接头焊缝形状、组织分布与性能转变规律。激光SUS201薄板焊接具有良好的接头成形，少见明显焊接缺陷，焊接过程相对稳定。焊接接头形状变化单一，只是 “直筒型”形状焊缝的整体宽度随着焊接速度的增加而减小。焊缝硬度稍大于母材，接头拉伸性能略低于母材且不受焊缝形状的改变而变化，总体上接头焊接质量良好。 其次，采用中厚板高功率激光焊接数值模拟和焊接过程高速摄像直接观察相结合的方法，研究了高功率激光焊接过程中小孔和熔池的动态行为。建立了考虑金属熔凝、液态流动和表面张力等因素的激光深熔焊过程热力作用的物理模型，并基于VOF+LevelSet 方法小孔界面追踪的数学模型，解释了高功率激光作用下小孔演化机理和熔池成形特征;小孔动态行为主要概括为“钻深”效果显著的形成初期和整体失稳的震荡阶段，不同焊缝形状下小孔运动特性存在显著差异，并发现了高功率激光焊接过程中束腰形焊缝中小孔成形“准稳态”工况;熔池中金属蒸汽逸出对液态金属产生的摩擦力，以及小孔前壁面上局部突起处产生的强烈金属蒸汽对小孔后壁造成反冲压力，是导致熔池中下部轴向涡流的形成原因。 第三，采用高功率激光焊接单因素工艺试验方法，分别获得了激光功率、焊接速度和离焦量等主要工艺参量对焊缝成形的影响规律。在此基础上，提出了基于高功率激光焊接特征的焊缝形状模型，采用了焊缝形状因子背宽比WB/WU和腰深比HM/H对焊缝形状进行分类，揭示了钉形、束腰形和楔形焊缝等三种典型焊缝接头成形的分区分布特性，并形成了7mmSUS201焊透工况下三种典型形状焊缝的工艺成形窗口;高功率激光作用下SUS201接头熔合线清晰可见，母材为退火态等轴奥氏体组织，焊缝区为奥氏体+少量细小残余δ-Fe，热影响区由于没有明显晶粒长大或相变可基本忽略。不同焊缝形状影响下，不均匀的加热、冷却过程导致接头组织在胞状晶取向、晶粒大小、一次枝晶间距以及元素分布等方面存在显著的组织不均匀性。 第四，基于钉形、束腰形和楔形等三种典型形状的 7mm 厚 SUS201 高功率激光自熔焊对接接头的硬度分布、静载拉伸性能、动载疲劳性能和腐蚀性能分析，系统探讨了高功率激光焊接焊缝形状和接头组织与接头性能的相关性联系。SUS201 高功率激光焊接焊缝区硬度稍高于母材，但基本可以忽略;高功率激光焊接会对 7mm 厚SUS201 拉伸、疲劳性能产生显著的恶化作用，接头性能由优到劣的顺序为：钉形>束腰形>楔形。熔池凝固结晶理论分析表明，垂直于熔池后沿边界生长的轴晶区的存在是导致中厚板高功率激光焊接接头拉伸性能下降、断口中心存在较大面积平整断裂面的主要原因，而焊缝形状在接头厚度方向的差异，使得接头在疲劳过程中存在显著的厚度方向变形不协调性是接头疲劳破坏的主要原因;接头抗腐蚀性能较母材有一定提高，主要是由于热影响区焊接热循环对奥氏体晶界处碳化物的固溶效果以及焊缝区δ铁素体的生成，大大降低了接头的晶间腐蚀倾向。 第五，基于SUS201/Q460/A7N01-T6中厚板高功率激光焊接中工艺参数—接头形状和组织—力学性能的相关性分析，提出了中厚板高功率激光焊接形状和组织相关的接头性能评价理念。采用简化的接头性能评价理论模型和数学分析方法实现了焊缝形状和组织相关的接头强度匹配对接头抗拉强度的定量相关性研究，并具体给出了面向接头抗拉强度工程预测的形状影响因子和强度匹配因子的大小。

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