不锈钢超窄间隙激光填丝焊未熔合缺陷抑制及多目标优化研究

摘要

本文针对301L-MT 不锈钢超窄间隙激光焊接过程的未熔合缺陷控制措施及综合质量优化问题，研究了未熔合缺陷的产生原因及抑制策略，以及焊丝熔入行为与焊接接头熔合质量的关系规律，揭示了激光能量与介质的相互作用规律。采用响应面分析及多目标优化方法建立了焊接接头质量优化模型，阐明了工艺参数对焊接接头综合性能的影响规律。本研究具有较高的理论研究价值及工程应用意义。 本文以8mm厚奥氏体不锈钢作为对象进行了如下研究：首先结合理论及试验，从超窄间隙坡口设计、激光功率筛选和焊丝熔入过程三个方面对未熔合缺陷的产生原因及预防手段进行了研究；随后，利用响应面分析法剖析了焊接参数与焊接接头质量参数指标的关系，进一步探索了超窄间隙激光焊接的工艺过程；最后，采用多目标参数优化理论获得了最优工艺参数，并对其进行了验证。本文主要得到了以下结论： 从坡口设计角度抑制了未熔合缺陷。考虑到超窄间隙设计原则、激光束的适应性、坡口的收缩及保护气效果，选用钝边2mm 深、1.4mm 宽、坡口角度为3°的超窄间隙坡口较为合适。 通过超窄间隙激光焊的熔丝行为观察及机理分析，获得了从焊丝熔入角度抑制未熔合缺陷的控制措施。焊接接头的侧壁熔合主要依靠激光作用在母材表面后产生的熔池热传导及热辐射作用。在滴状过渡条件下，状态复杂的反冲力、大滴对激光束能量的阻挡及大熔滴对熔池剧烈扰动会严重影响了熔池热传导效果，造成侧壁未熔合缺陷；此外，由于缺乏过渡驱动力，滴状过渡还会造成层间未熔合。液桥过渡模式下，焊丝的熔入、过渡过程平稳，对熔池及其热传导效果影响极小，故在合理参数下能实现母材与填充金属的良好熔合。 基于RSM（Surface response method）响应面分析法，建立了焊接速度、激光功率、送丝速度等输入因素与抗拉强度、焊缝完整度、熔宽、重叠形状因子、焊接层道数等表征焊缝质量与焊接效率的响应之间的数学模型，揭示了接头综合性能受参数影响的变化规律。线能量（激光功率、焊接速度）对响应作用明显，随着线能量的增加，抗拉强度、完整度、熔宽及重叠形状因子均呈现上升趋势，焊接层道数明显下降；较大的送丝速度可提升焊接效率、降低重叠形状因子，但会严重影响接头熔合质量，降低焊缝强度，故该参数应根据功率、焊接速度进行合理匹配。除此之外，抗拉强度、完整度及重叠形状因子模型中存在显著的多因素交互作用；较高的焊接速度下选用较小送丝速度可保证每一层道焊缝熔合良好，提高接头抗拉强度；较高的激光功率能够获得理想的焊缝完整度，并且能够降低焊接速度的负面影响程度；在保证熔合质量的前提下，选择适中的焊接速度与送丝速度可减小重叠形状因子，保证焊缝形貌美观。 在上述数学模型及参数影响规律的基础上，为了进一步抑制未熔合，提高接头综合性能，利用多目标优化理论对焊接参数进行了优化。优化后所得工艺参数为：焊接速度9.62mm/s，激光功率1.45kW，送丝速度1.07m/min，最终优化平均期望值为0.81。对优化参数下的焊接接头进行分析及测试可得：抗拉强度为 763.28MPa，焊缝完整度为99.75%，熔宽为2106.38μm，重叠形状因子为202.13μm，焊接层道数3层；优化模型的平均准确度为96.68%。在优化参数下进行焊接效率较高，所得焊接接头无未熔合缺陷，抗拉强度优良且较传统MAG焊接接头提高了24.72%，同时合理的熔宽和重叠形状因子保证焊缝形貌美观，有利于减小热影响区范围、消除应力集中。 优化参数下焊接接头微观特征观察表明：焊缝区主要由奥氏体柱状晶及板条状铁素体构成；焊缝中心为大量自发形核产生的等轴晶，所观察区域的晶粒尺寸平均数为24.94μm。超窄间隙激光焊能量密度高、热输入小、高温停留时间短等特点有助于减小热影响区范围、细化晶粒、提高强度。 综上所述，超窄间隙激光焊能够在较小的热输入下实现焊接接头的良好熔合，提高接头综合性能。

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