激光焊接工艺对Fe-Ni合金焊缝质量的影响

摘要

Fe-Ni（36 wt.％）合金因其在室温到230℃的温度范围内具有极低的热膨胀系数和良好的塑性，被广泛应用于工业生产中。随着科学技术的发展，该合金的应用领域也逐渐从传统精密仪器领域向电子工业领域拓展。基于Fe-Ni（36 wt.％）合金的应用背景及使用环境，对合金焊接性能研究的重要性也日益凸显出来。由于该合金在使用传统加工方法（如TIG、MIG）进行焊接的过程中，极易形成焊接热裂纹。但是用来避免该合金高裂纹敏感性的方法（如添加其他元素），往往会在不同程度上破坏Fe-Ni(36 wt.％)合金的低膨胀特性，使焊缝处热膨胀系数在一定程度上得到增大。文献表明，小热输入量以及较高的冷却速率有利于防止Fe-Ni（36 wt.％）合金热裂纹的产生，因此选用合适的自熔焊接方法可能会解决高热裂纹敏感性与改变合金元素成分带来热膨胀系数提高之间的矛盾。基于激光焊接具有传统焊接方法所不具备的一些优势、特点以及Fe-Ni(36wt.％)合金的焊接特性，本文采用Nd∶YAG激光器对Fe-Ni（36 wt.％）合金板材实施自熔焊接，主要研究内容包括:
　　焊接缺陷机理分析及改善。在对Fe-Ni（36 wt.％）合金进行焊接实验的过程中发现该合金具有很高的气孔倾向，分析工艺参数对焊接气孔的影响规律，并总结气孔以及带气孔焊道的一些典型特征，通过使用EDS检测手段对气孔内壁进行元素成分分析并结合气孔特征推断出气孔的形成机理。结合气孔形成机理，提出气孔缺陷的解决方案以及可在实验中实际应用的工艺改进措施。
　　工艺参数对焊缝形貌影响分析及性能检测。在焊接气孔得到解决的基础上，进一步对焊缝形貌和焊接质量进行研究，包括:(1)连续激光单道扫描实验。根据实验设计参数，采用单因素实验方法对Fe-Ni(36 wt.％)合金板材进行连续激光单道扫描实验，截取焊缝截面并使用光学显微镜观察、测量，以获得焊缝截面形貌的特征尺寸数值，研究连续激光焊接工艺参数变化对焊缝截面几何特征的影响规律并分析其原因。(2)脉冲激光与连续激光单道扫描对比分析。采用单因素实验方法对Fe-Ni（36 wt.％）合金板材进行脉冲（方波/正弦波）激光单道扫描实验，研究脉冲激光工艺参数对焊缝截面形貌几何特征的影响规律并与连续激光焊接进行对比，得出不同激光焊接模式之间的异同点并分析产生原因。(3)焊接接头质量检测及分析。根据以上实验分析得到的结论选出合理的焊接参数，对2mm厚Fe-Ni(36 wt.％)合金板材实施焊接并对该合金焊缝的显微组织、接头拉伸性能以及热膨胀性能进行测试，分析其形成和与基材性能差异之间的原因，为Fe-Ni（36 wt.％）合金的工业应用提供参考。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 激光焊接技术

1．1．1 激光与材料的相互作用

1．1．2 激光焊接特点及分类

1．2 Fe-Ni(36 wt．％)合金概述

1．2．1 Fe-Ni(36 wt．％)合金特性

1．2．2 Fe-Ni(36 wt．％)合金应用背景

1．2．3 Fe-Ni(36 wt．％)合金国内外研究现状

1．3 本课题研究背景及主要工作内容

1．3．1 研究背景

1．3．2 主要工作内容

2 激光焊接Fe-Ni(36 wt．％)合金实验条件与方法

2．1 激光焊接实验材料、设备及工艺参数

2．1．1 实验材料

2．1．2 激光焊接实验设备

2．1．3 激光焊接工艺参数

2．2 激光焊接实验设计

2．2．1 连续激光焊接实验设计

2．2．2 方波脉冲激光焊接实验设计

2．2．3 正弦波脉冲激光焊接实验设计

2．3 样品制备与性能检测

2．3．1 样品制备

2．3．2 样品性能检测

2．4 本章小结

3 Fe-Ni(36 wt．％)合金激光焊接缺陷机理分析及改善方法

3．1 连续激光工艺参数对Fe-Ni(36 wt．％)合金焊接缺陷的影响

3．1．1 工艺参数对焊接缺陷的影响规律

3．1．2 焊接缺陷及带缺陷焊道的特征

3．2 连续激光焊接Fe-Ni(36 wt．％)合金缺陷机理分析

3．2．1 气孔主要种类

3．2．2 气孔元素成分检测分析

3．2．3 Fe-Ni(36 wt．％)合金气孔形成机理分析

3．3 Fe-Ni(36 wt．％)合金激光焊接缺陷改善方法

3．3．1 Fe-Ni(36 wt．％)合金激光焊接缺陷工艺改进措施

3．3．2 Fe-Ni(36 wt．％)合金激光焊接缺陷改善前后效果对比

3．4 本章小结

4 激光焊接Fe-Ni(36 wt．％)合金焊缝形貌及性能检测

4．1 连续激光焊接工艺参数对焊缝形貌的影响规律

4．1．1 焊接角度对焊缝形貌的影响规律

4．1．2 离焦量对焊缝形貌的影响规律

4．1．3 激光功率、扫描速度对焊缝形貌的影响规律

4．1．4 热输入量对焊缝形貌的影响规律

4．2 脉冲与连续激光焊接工艺参数对焊缝形貌影响对比分析

4．2．1 方波脉冲激光焊接工艺参数对焊缝形貌的影响规律

4．2．2 正弦波、方波脉冲及其连续激光工艺参数影响规律对比分析

4．3 激光焊接Fe-Ni(36 wt．％)合金质量检测及分析

4．3．1 激光焊接Fe-Ni(36 wt．％)合金微观组织分析

4．3．2 激光焊接Fe-Ni(36 wt．％)合金拉伸性能检测及分析

4．3．3 激光焊接Fe-Ni(36 wt．％)合金热膨胀性能检测及分析

4．4 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢