激光焊接形成FeMnSi记忆合金焊缝组织的工艺及性能研究

摘要

本文选用304不锈钢为连接对象，以激光填粉焊接原位形成Fe-Mn-Si记忆合金焊缝组织为目标，通过填加粉末成分设计、激光工艺参数优化选择，利用CO2激光焊接系统获得具有Fe-Mn-Si记忆合金焊缝组织的304不锈钢焊接接头，并研究其力学性能和焊缝的组织性能。选取激光功率、焊接速度、离焦量三个主要工艺参数，利用单因素试验法，分析了各工艺参数对激光填粉形成Fe-Mn-Si记忆合金焊缝性能的影响规律。结果表明，工艺参数改变，焊缝的热输入量也随之改变，从而影响焊缝熔宽、成分、抗拉强度及硬度。基于单因素试验结果，以抗拉强度为试验指标进行正交试验，通过极差分析和方差分析得出2mm厚304不锈钢板激光填粉焊接试验的最佳工艺参数为P=2.7kW、v=160 mm/min、z=5 mm，其焊接接头的抗拉强度为745.4 MPa，达到了母材抗拉强度(751MPa)的95％; Fe-Mn-Si记忆合金焊缝成型良好，304不锈钢基材至焊缝中心依次由奥氏体、平面晶、胞状树枝晶、树枝晶、等轴晶组成。为实现激光填粉焊接原位形成Fe-Mn-Si记忆合金焊缝组织的目标，采用混料均匀设计方法，借助DPS数据处理系统得到填加Fe/Mn/Si/Cr/Ni粉末配比和焊缝组织成分之间的回归方程。Fe-Mn-Si记忆合金焊缝区域的平均显微硬度为HV242.8，较304不锈钢焊缝硬度更高，这是因为Fe-Mn-Si记忆合金焊缝内部有较高硬度的马氏体组织，并且焊缝区域Mn、Si含量较高，有助于硬度的提高;Fe-Mn-Si记忆合金焊接接头的抗拉强度和抗弯曲疲劳性能明显优于304不锈钢焊接接头，6％变形下的应变疲劳强度能达到母材的90％; Fe-Mn-Si记忆合金焊缝的残余应力较低，明显小于304不锈钢焊缝的残余应力。表明Fe-Mn-Si记忆合金焊缝的力学性能更好。Fe-Mn-Si记忆合金焊缝组织具有明显的形状记忆效应，Fe-Mn-Si记忆合金应力诱发γ(→)ε马氏体正逆相变及其变形协调是降低不锈钢焊接接头残余应力并提高焊缝疲劳强度的根本原因。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 激光焊接技术

1．1．1 激光焊接原理

1．1．2 激光焊接技术的特点及不足

1．2 激光填料焊接

1．2．1 激光填丝焊接

1．2．2 激光填粉焊接

1．2．3 激光填粉焊接国内外研究现状

1．3 激光填粉焊接粉末体系研究现状

1．3．1 自熔性合金粉末

1．3．2 Ni基自熔性合金粉末

1．3．3 Co基自熔性合金粉末

1．3．4 Fe基自熔性合金粉末

1．4 Fe-Mn-Si形状记忆合金

1．5 本文研究目的及研究内容

第2章 材料及试验方法

2．1 试验材料及其预处理

2．1．1 基体材料

2．1．2 焊接粉末

2．2 激光焊接设备

2．3 试验步骤

2．4 分析测试方法

2．4．1 显微组织分析

2．4．2 X射线衍射分析

2．4．3 化学成分分析

2．4．4 拉伸断口分析

2．4．5 显微硬度分析

2．4．6 抗拉强度分析

2．4．7 弯曲疲劳分析

2．4．8 残余应力分析

第3章 激光填粉焊接工艺参数对Fe-Mn-Si记忆合金焊缝性能的影响

3．1 激光填粉焊接工艺参数选取

3．2 激光填粉焊接工艺参数对焊缝熔宽的影响

3．2．1 激光功率对焊缝熔宽的影响

3．2．2 焊接速度对焊缝熔宽的影响

3．2．3 离焦量对焊缝熔宽的影响

3．3 激光填粉焊接工艺参数对焊缝成分的影响

3．3．1 激光功率对焊缝成分的影响

3．3．2 焊接速度对焊缝成分的影响

3．3．3 离焦量对焊缝成分的影响

3．4 激光填粉焊接工艺参数对抗拉强度的影响

3．4．1 激光功率对抗拉强度的影响

3．4．2 焊接速度对抗拉强度的影响

3．4．3 离焦量对抗拉强度的影响

3．4．4 拉伸断口分析

3．5 激光填粉焊接工艺参数对焊缝硬度的影响

3．5．1 激光功率对焊缝硬度的影响

3．5．2 焊接速度对焊缝硬度的影响

3．6 本章小结

第4章 激光填粉焊接工艺参数优化和填加粉末成分设计

4．1 正交试验设计

4．1．1 正交试验结果与分析

4．1．2 正交试验方差分析

4．1．3 正交试验结论

4．2 激光填粉焊接形成Fe-Mn-Si记忆合金焊缝的填加粉末设计

4．2．1 试验方案

4．2．2 均匀设计

4．2．3 混料试验

4．2．4 混料均匀设计

4．2．5 试验方案

4．2．6 试验结果与分析

4．3 本章小结

第5章 Fe-Mn-Si记忆合金焊缝的组织性能和力学性能分析

5．1 焊缝组织性能分析

5．1．1 Fe-Mn-Si记忆合金焊缝和304不锈钢焊缝的表面形貌

5．1．2 Fe-Mn-Si记忆合金焊缝和304不锈钢焊缝的组织形貌

5．1．3 Fe-Mn-Si记忆合金焊缝固溶后的组织形貌

5．2 焊缝的力学性能分析

5．2．1 硬度分析

5．2．2 弯曲疲劳分析

5．2．3 抗拉强度分析

5．2．4 残余应力分析

5．3 Fe-Mn-Si记忆合金焊缝的形状记忆效应

5．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士期间公开发表论文

致谢

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