T型结构激光深熔焊接过程中小孔型气孔形成机理研究

摘要

三明治结构板是一种新的夹层结构形式,一般由上下两块面板和中间芯板构成,具有比强度高、比刚度大等优点,在造船、海洋平台制造等行业有良好的应用前景。但其制造过程比较复杂,特别是面板和芯板的连接成为阻碍其广泛应用的最大障碍。激光焊接作为先进的焊接制造方法,其焊接变形小,焊缝质量高,特别是可实现一次深熔焊接的优点,使其成为快速高效地制造 I形夹芯板三明治结构的有效手段。然而由于激光深熔焊过程中匙孔的复杂形成过程,使得面板和I芯板(T型接头)的焊接时易出现不规则的气孔(称为“小孔型”气孔)。气孔的存在能够降低焊缝强度,韧性,抗疲劳以及耐腐蚀等性能,甚至直接导致焊件的报废,成为激光焊接T型接头制备I芯三明治结构的瓶颈之一。研究激光焊接T型结构过程中小孔型气孔产生的过程以及影响小孔型气孔形成的因素,从而揭示激光深熔焊过程中小孔型气孔形成的机理,为提出有效降低该类型气孔的控制措施提供理论依据,从而有利于制造高质量三明治结构。
　　本文采用试验与数理建模相结合的方式,系统研究激光焊接T型接头中气孔产生的过程、表征方法、影响因素,以找出过程参数对气孔产生的影响规律,并从理论上分析气孔产生的本质及条件。
　　首先采用光纤激光焊接系统对船用低合金高强钢T型结构开展实验研究。通过改变激光焊接功率、焊接速度,面板与肋板之间的间隙等工艺参数研究了不同因素对于小孔型气孔数量和分布的影响。并通过金相统计法、X射线无损探伤法对小孔型气孔进行检测,进而对气孔的大小尺寸及分布进行初步表征。文中引入了新型的三维纳米电脑断层扫描(Nano-CT)检测技术,对焊缝中气孔的三维尺寸、形貌以及空间分布情况进行细节表征。Nano-CT检测结果可以清晰的分布气孔的尺寸、形貌和三维分布等信息,可为分析气孔的产生过程与气孔对T型结构的性能的影响提供依据。
　　其次,本文基于传热学及流体动力学理论建立了激光焊接T型结构的数学模型,该模型中同时引入了凝固相变模型、驱动力模型以及绝热气泡模型,通过设定合理的边界条件,成功实现了对激光深熔焊接过程中小孔型气孔的产生以及演变过程的模拟。模拟结果表明:在T型接头激光深熔焊接过程中,由于匙孔的不稳定性,及出现不断坍塌现象,导致气泡不断在匙孔根部产生,其中一部分气泡产生后在熔池流动以及浮力作用下浮出熔池,而一部分气泡来不及上浮或在熔池中迁移过程中被凝固界面捕获,最终残留在焊缝的中下部,形成尺寸形貌各异的气孔。
　　基于上述模型同时计算了不同工艺参数对于小孔型的气孔的影响,结果表明:激光功率越大,匙孔的稳定性越差,越容易产生气孔;焊接速度越快,匙孔相对稳定,越不容易产生气泡,但是焊接速度越快,熔池后壁凝固速度也加快,气泡向气孔的转变率增大;材料粘度越大,匙孔和熔池的稳定性越差,且气泡产生后迁移上浮更加困难,焊接过程产生气孔增多;激光光斑直径越小,焊接过程中小孔愈加不稳定,导致更多的气泡产生,从而演变为较多的气孔;T型结构面板与肋板间隙的存在导致匙孔稳定性变差,使得更多气孔产生。
　　通过建模和试验研究表明,激光深熔焊接过程中小孔型气孔产生的根本原因是由于激光焊接工艺参数与材料物理结构参数的不匹配导致匙孔发生不稳定现象,从而诱发了气泡的形成。气泡迁移过程中与熔池液体金属流动的交互作用及其与冷却速率的竞争,是导致气泡迁移行为发生变化从而演变为气孔的重要原因。

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第一章 绪论

1.1课题背景

1.2激光焊接小孔型气孔产生机理研究

1.3激光深熔焊模拟研究

1.4本文研究意义和研究内容

第二章 T型接头激光深熔焊小孔型气孔敏感性试验研究

2.1焊接试验材料设备与方法

2.2小孔型气孔的表征

2.3影响气孔的因素

2.4本章小结

第三章 激光深熔焊接T型结构数理模型建立

3.1激光焊接T型结构数理模型的建立

3.2数理模型数值求解

3.3本章小结

第四章 小孔型气孔形成过程与机理研究

4.1网格划分与计算参数

4.2匙孔动态行为研究

4.3气泡的形成与演变过程

4.4试验验证

4.5本章小结

第五章 焊接过程参数对气孔影响规律研究

5.1激光功率对气孔的影响

5.2焊接速度对气孔的影响

5.3材料粘度对气孔的影响

5.4光斑直径对气孔的影响

5.5间隙量对气孔的影响

5.6本章小结

第六章 结论

参考文献

致谢

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