异种钢激光焊接头组织性能及焊接温度场研究

摘要

在工程中，使用异种材料制造的焊接结构，不但可以满足不同工作条件对构件的要求，还可以节省大量的贵重材料，异种材料焊接结构在机械、化工、电力等行业得到广泛应用。碳钢和不锈钢异种钢接头可以发挥两种材料各自的优点，并节省大量的不锈钢资源，Q235普通碳素钢和304不锈钢都是很常用的钢种，激光焊是一种先进的焊接技术，研究异种金属激光焊具有重要的意义。 本文对3mm厚的Q235普通碳素钢和304奥氏体不锈钢采用激光自熔焊获得异种钢焊接接头，探讨焊接工艺参数对接头的表面成形以及力学性能的影响，并研究异种钢接头的组织性能。测量若干点的温度热循环曲线，同时，根据热力学理论建立激光焊热源模型，并运用ANSYS软件对焊接热过程进行模拟分析，分析异种钢激光焊的温度场分布规律。 通过调整焊接参数，可以得到表面成形美观并且力学性能优良的焊接接头，其拉伸断裂的位置为碳钢一侧母材，并且焊接接头具有较好的延伸率。如果工艺参数不恰当，在焊接接头中产生未熔合和气孔等缺陷，会大大降低焊接接头的抗拉强度和塑性。 观察焊缝截面发现，焊缝组织为板条状马氏体，板条马氏体的强度和韧性都比较理想，这就是焊接接头具有优良力学性能的原因。在一定的范围内调整焊接参数，焊缝中总是出现板条马氏体组织，只要不在焊缝处产生未熔合等明显缺陷，焊缝的强度总是高于母材。 异种钢焊接过程中，在接头熔合区附近会出现碳迁移现象，有研究指出，碳迁移的方向不仅与熔合区两侧碳元素浓度有关，更会受到熔合区两侧化学位的影响，碳迁移的结果使得化学位的差异减小，当熔合区两侧的化学位相等时，碳元素停止迁移。 从异种钢接头的上点的热循环曲线可以看出，每一个测温点都经历从升温到峰值温度最后降温的过程，距离焊缝中心越近的点峰值温度越高。距焊缝中心相同距离的碳钢和不锈钢，不锈钢一侧的点的峰值温度高于碳钢一侧。从激光焊温度分布云图来看，靠近焊缝区域的温度梯度较大，低温区的面积也很大，说明激光焊接的最高温度很高，但是激光对被焊金属输入的总能量较低。

目录

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第1章 绪论

1.1 研究背景

1.2 异种钢的焊接性

1.3 激光焊简介

1.3.1 激光焊原理

1.3.2 激光焊的特点及应用

1.4 异种钢焊接研究现状

1.5 本文研究内容及意义

第二章 实验材料、设备及方法

2.1 实验材料

2.2 焊接设备及过程

2.2.1 试验设备

2.2.2 焊前准备及焊接过程

2.3 异种钢接头组织及成分分析

2.4 异种钢接头性能测试

2.4.1 力学性能

2.4.2 焊缝显微硬度测试

2.5 异种钢激光焊温度场测试

第3章 异种钢激光焊对接接头的焊缝成形与微观特征

3.1 引言

3.2 工艺参数对焊缝成形的影响

3.2.1 离焦量对焊缝成形的影响

3.2.2 激光功率对焊缝成形的影响

3.2.3 焊接速度对焊缝成形的影响

3.3 异种钢接头微观组织分析

3.3.1 异种钢焊缝的化学成分分析

3.3.2 异种钢接头的组织分析

3.3.3 异种钢接头物相分析

3.4 异种钢焊接的碳迁移扩散

3.4.1 异种钢接头中的碳扩散

3.4.2碳迁移扩散的计算

3.4.3 动力学解释碳迁移扩散现象

3.4.4 异种钢接头熔合区碳迁移的计算

3.5 本章小结

第4章 异种钢接头力学性能

4.1 引言

4.2异种钢接头显微硬度

4.2.1 异种钢接头显微硬度的整体趋势

4.2.2 异种钢接头各层的显微硬度

4.3 异种钢接头拉伸性能

4.3.1 离焦量对异种金属焊接接头拉伸性能的影响

4.3.2 激光功率对异种钢接头拉伸性能的影响

4.3.3 焊接速度对一种钢接头拉伸性能的影响

4.4 异种钢接头断口形貌分析

4.5 本章小节

第5章 异种钢激光焊温度场研究

5.1 引言

5.2 异种钢接头温度场测量

5.2.1 布置特征点

5.2.2 测量结果与分析

5.3 异种钢激光焊温度场模拟

5.3.1有限元软件简介

5.3.2激光焊中的传热模型

5.3.3 激光焊接热源模型

5.3.4激光焊接温度场模拟

5.3.5 数值模拟过程

5.4模拟结果

5.4.1 焊接热源模型分析

5.4.2 材料属性参数 的影响

5.4.3焊缝区域相变过程的影响

5.5 本章小节

结论

参考文献

致谢