高强钢T型搭接接头激光焊接动态过程与成形特征研究

摘要

高功率激光焊接是一种快速和灵活制造金属三明治板的方法，已逐渐成为金属三明治板的优选制造技术。I芯金属三明治板结构简单，腹板容易制造，是最具代表性的一类三明治结构，而T型搭接接头是其最基本的焊接结构单元。研究T型搭接接头激光焊接过程行为及焊缝成形规律，能够为激光焊接技术在金属三明治板制造中应用提供必要的技术基础和指导，对相关部门制定金属三明治板的工业激光焊接规范提供解决方案，具有重要的现实意义。
　　针对I芯金属三明治板激光焊接过程稳定性与焊缝成形控制问题，本文建立了T型搭接接头激光焊接工艺试验平台，系统研究了焊接参数、装配参数和板厚等对焊缝成形的影响规律；构建了焊接过程高速摄像和光谱监测系统平台，研究了 T型搭接接头激光焊接等离子体、熔池和小孔动态行为及其相互耦合作用机制；采用微型X射线透视成像设备观测了 T型搭接接头激光焊接过程小孔行为和熔池流动，探讨了气泡和气孔形成机理及抑制方法，其主要的研究结果如下：
　　T型搭接接头激光焊接过程最主要的特征是面板和腹板间的间隙导致等离子体、熔池和匙孔的动态行为变化。首先，间隙存在时，在间隙处匙孔前壁发生坍塌，等离子从匙孔前壁坍塌处逸出，则等离子体可分为熔池上方的等离子体（上部等离子体）和从间隙处逸出的等离子体（间隙等离子体）；随间隙量的增加，上部等离子体的高度和倾角呈二次函数递减，面积呈线性递减，面积和强度的峰值频率呈三次函数递减，而间隙等离子体从间隙逸出的时间与间隙呈二次函数递增关系。另外，间隙也改变了熔池和孔口的尺寸和动态行为，随间隙增加，熔池上表面的长度和面积呈二次函数递减，孔口面积呈线性递减，且熔池尾部的流动状态从层流向涡流转变，且熔池的波动频率增加。T型搭接接头激光焊接过程可以分为小间隙下准稳定态、中等间隙下不稳定态及大间隙下假稳定状态。基于以上等离子体和熔池与间隙量的定性和定量关系能够实现对激光搭接焊间隙的实时监测和定量预测。
　　T型搭接接头激光连续焊接焊缝气孔为“工艺特征型”气孔，焊缝气孔主要集中在间隙为0.4-0.8mm之间的焊缝，其中0.8mm的焊缝气孔率最高，气孔呈平行两列分布在焊缝底部和间隙焊缝处，间隙焊缝气孔多为圆形的孔洞，焊缝底部的气孔形状不规则。间隙较小时，T型搭接接头激光焊接过程匙孔和熔池较安静，产生的气泡较少；间隙较大时，小孔尖端振荡加剧，大量的气泡生成，且间隙把熔池分割为三个部分，分别为上部熔池、下部熔池和间隙处的熔池。熔池底部为液态金属的结晶前沿及间隙处熔池金属较少且流动性较差，导致大量的气泡很难从熔池底部和间隙处熔池逸出，在焊缝底部和间隙处焊缝产生了大量的气孔。
　　依据对匙孔和气泡动态行为的X摄线透视成像观察和分析，提出了匙孔尖端震荡气泡产生模型。气泡产生的主要原因一是匙孔前壁周期性的坍塌和闭合，改变了匙孔壁的受力状态；二是孔内和孔外等离子体发生改变，引起激光能量在小孔内部不均衡分布，匙孔壁和尖端发生不稳定的周期性波动。其中，气泡的产生是气孔产生的必要条件，而间隙改变了熔池的流动状态是气孔产生的充分条件。保证小的间隙量和采用高的焊接速度有利于维持小孔和熔池的稳定性，气泡和气孔产生较少。
　　激光焊接T型搭接接头存在三种典型的焊缝形貌：“Y”型、“V”型和“碗”型。“Y”型焊缝易在较低的焊接速度下得到，“V”型焊缝能在较高的焊接速度得到，而“碗”型只有面板背面的熔池宽度大于腹板厚度时才能得到。面板厚度大于3mm时腹板和面板结合处焊缝宽度较窄，很难通过调整焊接工艺提高；腹板厚度小于3mm时，焊缝容易发生偏移，导致下塌、熔合不好等缺陷。T型搭接接头腹板和面板结合处焊缝宽度主要取决于面板厚度和焊接速度，腹板和面板结合处位于“Y”型焊缝拐点上部容易获得较宽的结合处焊缝宽度。
　　依据工艺实验结果分别建立了面板腹板结合处焊缝宽度和熔深的二元和三元回归模型，结果表明板厚和激光功率分别对结合处焊缝宽度和熔深的影响更为显著。间隙对焊缝几何尺寸和熔化效率影响不大，但大间隙下，焊缝中大量的气孔生成。采用较慢的焊接速度，并控制小的间隙和偏移量，面板厚度小于3mm和腹板厚度大于3mm时，焊缝成形容易控制，能够获得优异的激光焊接T型搭接接头，且焊接效率和能量利用率较高。
　　高强钢 T型搭接接头热影响区和焊缝的微观组织包括板条马氏体和少量的贝氏体铁素体。部分相变区的微观组织保持了母材轧制态的带状组织特征，小的块状马氏体在沿晶界形成，割断了组织间的连续性。母材中存在大量的(Nb, Ti)(C, N)第二相，而HAZ较少。焊接接头的平均硬度为母材>热影响区>焊缝，软化区位于过回火区与部分相变区的过渡区，相对于母材硬度下降了约18％。通过降低焊接热输入，软化区和HAZ的宽度降低，硬度提高。

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第一章 绪论

1.1 课题的研究背景及意义

1.2 国内外研究概况

1.3 本文研究目标及主要内容

第二章 试验材料、系统平台及研究方法

2.1 试验材料

2.2 试验设备

2.3 试验方法

2.4 本章小结

第三章 T型搭接接头激光焊接动态过程行为

3.1 前言

3.2 实验方案

3.3 T型搭接接头激光焊接等离子体行为研究

3.4 等离子体信号光谱分析

3.5 T型搭接接头激光焊接熔池和孔口动态行为研究

3.6 间隙对等离子体和熔池动态行为影响机理

3.7 T型搭接接头激光焊接过程稳定性

3.8 本章小结

第四章 T型搭接接头激光焊接气孔形成机理

4.1 前言

4.2 T型搭接接头激光焊接气孔特征与影响因素

4.3 T型搭接接头激光焊接气泡和气孔形成机理

4.4 匙孔和熔池稳定性对气孔形成的影响

4.5 本章小结

第五章 T型搭接接头激光焊接焊缝成形特征

5.1 前言

5.2 焊缝几何形状参数的确定

5.3 热输入对焊缝成形的影响规律

5.4 板厚对焊缝成形的影响规律

5.5 装配参数对焊缝成形的影响规律

5.6 T型搭接接头激光焊接焊缝成形控制及回归分析

5.7 T型搭接接头激光焊接熔化效率

5.8 高强钢T型搭接接头微观组织和硬度

5.9 本章小结

第六章 论文主要结论及创新点

参考文献

发表的学术论文及申请的专利

致谢