10Ni3CrMoV钢厚板激光焊接稳定性与接头组织及性能研究

摘要

传统上对于板厚超过20mm以上的大厚板焊接，广泛地采用了窄间隙 SAW/GMAW焊接方法，同传统的电弧焊接相比，激光焊接厚板有着巨大的优势，由于激光焊接热源能量密度集中，使得线能量小，热影响区窄，焊接变形小，焊接生产效率高，焊接接头的力学性能优异。本研究以10Ni3CrMoV钢作为研究对象，采用激光焊接和激光电弧复合焊接等多道焊接技术实现36mm厚钢板的高效焊接。
　　为了揭示厚板激光焊接等离子体的耦合机制以及影响焊接过程稳定性的原因，基于电磁场理论，建立了激光光致等离子体和电弧的相互作用模型，从电子、离子等的分布和运动特点上分析了激光光致等离子体与单（双）电弧的相互作用特点及稳定性，采用光谱分析法对等离子体辐射进行测量，建立起辐射强度与等离子体内部各参数之间的定量关系，从而获得复合焊接等离子体的电子温度、电子密度等重要物理量，建立了复合焊接熔滴的受力模型，分析了复合焊熔滴过渡特点。从力和能量的角度，详细分析了激光－单(双)电弧复合焊的稳定性，对于激光－单电弧复合焊接，重点研究焊接电流、激光功率和激光与电弧的间距对激光光致等离子体和电弧的耦合作用，在不同的激光功率和电流下存在一个最佳的激光与电弧间距范围；对于激光－双电弧复合焊接，在电弧电压相等时，当引导电弧对激光光致等离子体的电磁力等于跟随电弧对激光光致等离子体的电磁力时，激光光致等离子体能够对两个电弧起到引导、和稳定作用，焊接过程最稳定。
　　为了认识坡口形状、尺寸对激光焊接稳定性的影响，采用高速摄影系统，研究在坡口条件下的激光光致等离子体行为，发现采用合适的U型坡口尺寸，能够很好的抑制激光光致等离子体，提高焊接过程稳定性，最大限度的利用激光能量，增加焊缝熔深, U型坡口的最佳尺寸范围为：坡口宽度为3~4mm，坡口深度为4~5mm。通过采集电流电压信号和观察坡口内的激光光致等离子体和电弧的相互作用情况，确定了坡口上部 V形最小角度为10°，在此角度下，激光光致等离子体对电弧的吸引和稳定作用，使得焊接过程稳定。
　　基于计算流体动力学，建立了包含喷嘴、气流和工件的三维数值模型，模拟在U型坡口和无坡口条件时，侧吹气体的静压力、气体流速和He气体组分摩尔百分比在整个环境氛围中的流场变化。揭示了在合适的U型坡口尺寸条件下，坡口内的气体静压力、气体流速和He气体组分摩尔百分比较大，能够加强对等离子体冷却，增大电子的复合速率，因而能够有效的抑制激光光致等离子体，获得较大的熔深和稳定的焊接过程。
　　测试10Ni3CrMoV钢在纯激光焊接和激光复合焊接下的不同线能量的热循环曲线，建立了适用于激光焊接的10Ni3CrMoV钢的SHCCT图，为厚板焊接工艺参数的优化和制定提供重要参考。利用JMatPro软件模拟计算10Ni3CrMoV钢TTT曲线及CCT曲线，模拟计算10Ni3CrMoV钢焊接接头热影响区粗晶区和细晶区的组织分布、含量以及焊接接头的力学性能，结果显示随冷却速率的增加，组织转变是按马氏体+贝氏体+少量铁素体+少量残余奥氏体→马氏体+贝氏体+少量残余奥氏体→马氏体+少量残余奥氏体规律而变化的。
　　采用Gleeble3500模拟了HAZ的一次热循环和二次热循环组织，二次热循环的HAZ的粗晶区晶粒大小，马氏体板条和马氏体束群尺寸比一次热循环粗晶区进一步增加。随着 t8/5增加，一次热循环的HAZ的粗晶区的微观组织从板条马氏体＋碳化物向板条马氏体＋碳化物＋粒状贝氏体转变。一次热循环的HAZ粗晶区的屈服强度和抗拉强度最大，冲击韧性值最低，硬度最大；两相区的屈服强度和抗拉强度最低，在回火区的硬度最低。二次热循环在峰值温度为900℃时的细晶区的组织主要是由细小的马氏体、碳化物以及粒状贝氏体组成，粒状贝氏体造成该区域组织脆化，导致屈服强度和抗拉强度最小，冲击韧性值普遍较低，是焊接接头的薄弱环节。
　　分析了10Ni3CrMoV钢在不同线能量下的焊缝和热影响区的组织演变规律，在线能量为11.2kJ/cm时，焊缝组织主要是粒状贝氏体组织，线能量为8kJ/cm，组织主要为针状铁素体，线能量为6.7 kJ/cm，组织主要为马氏体。线能量较低的焊接接头的液态金属高温停留时间比较短，在冷却过程中第二相粒子集聚和长大的倾向小，使得针状铁素体的形核核心增加，焊缝金属中针状铁素体的含量增加。
　　测试了焊接接头和焊缝金属的力学性能，结果表明，在线能量为8kJ/cm，焊缝金属的冲击韧性最高，焊缝金属的抗拉强度和屈服强度较高，远大于母材，具有一定的塑性，延伸率略小于母材，焊接接头的最大硬度小于360HV，焊接接头的抗拉强度和屈服强度高于母材，延伸率略小于母材，弯曲性能合格。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 厚板的激光焊接研究进展

1.3 纯激光焊接研究进展

1.4 激光－GMAW电弧复合焊接研究进展

1.5低合金高强钢的焊接热影响区热模拟组织和性能研究进展

1.6 低合金高强钢的激光焊接接头组织与性能研究进展

1.7 本文的研究意义和主要内容

第二章 试验材料、设备及研究方法

2.1 引言

2.2 试验材料

2.3激光焊接试验设备及数据采集系统

2.4 焊接接头微观结构分析表征

2.5 焊接接头性能测试方法及设备

2.6 本章小结

第三章 激光－电弧复合焊稳定性的研究

3.1 前言

3.2 激光－电弧复合焊耦合机制

3.3 激光－单电弧复合焊接的试验结果与分析

3.4 激光－双电弧复合焊接的试验结果与分析

3.5 本章小结

第四章 CO2激光多道焊接厚板的坡口对激光焊接稳定性影响研究

4.1 前言

4.2 坡口底部形状和尺寸对激光焊接稳定性影响研究

4.3 基于计算流体动力学的U型坡口分析

4.4 坡口上部V形角度对激光复合焊接稳定性影响研究

4.5 厚板激光复合焊接工艺参数的优化

4.6 厚板激光多层焊接工艺

4.7 本章小结

第五章10Ni3CrMoV钢厚板激光焊接HAZ组织与性能研究

5.1 前言

5.2 10Ni3CrMoV钢激光焊接接头热循环曲线测试及结果分析

5.3 10Ni3CrMoV钢激光焊接的SHCCT曲线的建立及结果分析

5.4 10Ni3CrMoV钢激光焊接HAZ组织的数值模拟

5.5 一次热循环的焊接热影响区的微观组织与性能

5.6二次热循环的焊接热影响区的微观组织与性能

5.7 本章小结

第六章 厚板激光焊接接头的微观组织与性能研究

6.1 前言

6.2 不同热输入的多层焊接工艺

6.3 不同热输入的多层焊接头微观组织

6.4 多层焊焊接接头的力学性能

6.5 本章小结

第七章 主要结论及创新点

参 考 文 献

致谢

攻读博士学位期间已发表或录用的论文

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