针对高强度要求的激光堆焊修复工艺的研究

摘要

激光堆焊是利用堆焊原理在基体上堆覆一定厚度的、具有特殊性能的堆焊材料的工艺过程,近年来成为国内外学者研究的热点。目前,大型高强度材料在工业上的应用主要集中在长时间、重载荷、腐蚀性较强的工作环境中,其表面容易产生裂纹、磨损或疲劳失效。采用激光堆焊工艺对其进行修复,可以延长零件的使用寿命,节省设备换新成本,提高生产效率。目前,国内外针对具有高强度要求的材料的激光堆焊修复工艺的研究较少。因此,本文针对恶劣工况下长期承受交变载荷的高强度材料的特点,对其激光堆焊修复工艺进行了研究。首先,采用有限元方法建立了参数化激光堆焊数值模型,分析了温度场对堆焊层组织的影响,堆焊层的温度场分布、堆焊层节点的温度时间历程;研究了堆焊层不同位置的温度梯度,不同工艺参数对温度梯度和冷却速率的影响;提出了根据基体熔深来选取最佳激光堆焊工艺参数的方法,由此获得了激光堆焊的最佳工艺参数,并在试验中得到了验证。为了评估激光堆焊工艺的效果,本文采用基于模拟仿真及实验验证得到的最佳工艺参数,在34CrNi3Mo上激光堆焊了高强度的DLF-301材料。同时,对该材料采用手工电弧堆焊进行修复,并对这两种工艺堆焊层及热影响区的组织及性能进行了研究。然后分别从堆焊稀释率、熔合区的成分、组织与性能、多层堆焊热循环的影响以及堆焊热应力四个方面详细对比了两种工艺的组织、性能方面的差异。结果显示,激光堆焊热影响区小,稀释率小,熔合区组织比较单一,硬度、强度和韧性等都比手工电弧焊突出,多层堆焊界面明显,且产生的应力也较小。综上所述,激光堆焊成形技术为恶劣工况下工作的高强度材料零件的形状尺寸恢复和功能修复提供了一条有效途径,对于延长零件使用寿命,节约再制造成本以及实现资源的再生利用和可持续发展具有重要的实际意义。

目录

摘要

ABSTRACT

第一章 绪论

1.1 引言

1.2 堆焊概述

1.2.1 堆焊的特点

1.2.2 堆焊的用途

1.2.3 几种常见的堆焊工艺

1.3 激光堆焊技术

1.3.1 激光堆焊技术的特点

1.3.2 激光堆焊材料

1.3.3 激光堆焊技术的应用

1.3.4 衡量激光堆焊层质量的技术指标

1.3.5 激光堆焊层主要缺陷及原因

1.3.6 激光堆焊工艺的研究现状

1.4 针对高强度要求的激光堆焊修复的研究

1.4.1 高强度要求的材料的特点及应用场所

1.4.2 针对高强度要求的高强度钢进行修复的原因

1.4.3 课题的研究背景及意义

参考文献

第二章 激光堆焊温度场仿真及验证

2.1 引言

2.2 目前焊接温度场有限元仿真的现状

2.3 焊接热源模式介绍

2.4 热源分布函数的选用

2.5 有限元软件介绍及仿真分析

2.5.1 有限元仿真的基础理论

2.5.2 预置模型温度场数值模拟

2.6 激光堆焊温度场模拟的验证

2.7 本章小结

参考文献

第三章 针对高强度要求的激光堆焊修复工艺的研究

3.1 引言

3.2 试验研究内容

3.2.1 试验方法

3.2.2 试验过程

3.3 堆焊试验结果及分析

3.3.1 堆焊层组织分析

3.3.2 硬度分析

3.3.3 冲击韧性分析

3.3.4 拉伸强度分析

3.3.5 断口扫描

3.3.6 能谱分析

3.3.7 电镜线扫描

3.4 本章小节

参考文献

第四章 针对高强度要求的手工电弧堆焊修复工艺的研究

4.1 引言

4.2 试验方法

4.2.1 试验材料

4.2.2 试验过程

4.3 试验结果与分析

4.3.1 组织

4.3.2 抗拉强度、塑性和韧性

4.3.3 硬度

4.3.4 基体断口分析

4.3.5 能谱分析

4.4 本章小节

参考文献

第五章 激光堆焊与手工电弧堆焊修复工艺的对比和分析

5.1 引言

5.2 两种堆焊组织稀释率的对比

5.3 两种堆焊工艺熔合区的成份、组织与性能的对比

5.3.1 熔合区成分的比较

5.3.2 熔合区组织的比较

5.3.3 熔合区硬度的比较

5.3.4 熔合区抗拉强度和韧性的比较

5.4 两种堆焊工艺多层堆焊的比较

5.5 两种堆焊工艺热应力的比较

5.6 本章小节

参考文献

第六章 总结与展望

致谢

攻读学位期间发表的学术论文