10Ni3CrMoV鋼厚板激光焊接穩(wěn)定性與接頭組織及性能研究.pdf

1、傳統(tǒng)上對于板厚超過20mm以上的大厚板焊接，廣泛地采用了窄間隙 SAW/GMAW焊接方法，同傳統(tǒng)的電弧焊接相比，激光焊接厚板有著巨大的優(yōu)勢，由于激光焊接熱源能量密度集中，使得線能量小，熱影響區(qū)窄，焊接變形小，焊接生產效率高，焊接接頭的力學性能優(yōu)異。本研究以10Ni3CrMoV鋼作為研究對象，采用激光焊接和激光電弧復合焊接等多道焊接技術實現(xiàn)36mm厚鋼板的高效焊接。
　　為了揭示厚板激光焊接等離子體的耦合機制以及影響焊接過程穩(wěn)定性的

2、原因，基于電磁場理論，建立了激光光致等離子體和電弧的相互作用模型，從電子、離子等的分布和運動特點上分析了激光光致等離子體與單（雙）電弧的相互作用特點及穩(wěn)定性，采用光譜分析法對等離子體輻射進行測量，建立起輻射強度與等離子體內部各參數(shù)之間的定量關系，從而獲得復合焊接等離子體的電子溫度、電子密度等重要物理量，建立了復合焊接熔滴的受力模型，分析了復合焊熔滴過渡特點。從力和能量的角度，詳細分析了激光－單(雙)電弧復合焊的穩(wěn)定性，對于激光－單電弧復

3、合焊接，重點研究焊接電流、激光功率和激光與電弧的間距對激光光致等離子體和電弧的耦合作用，在不同的激光功率和電流下存在一個最佳的激光與電弧間距范圍；對于激光－雙電弧復合焊接，在電弧電壓相等時，當引導電弧對激光光致等離子體的電磁力等于跟隨電弧對激光光致等離子體的電磁力時，激光光致等離子體能夠對兩個電弧起到引導、和穩(wěn)定作用，焊接過程最穩(wěn)定。
　　為了認識坡口形狀、尺寸對激光焊接穩(wěn)定性的影響，采用高速攝影系統(tǒng)，研究在坡口條件下的激光光致等

4、離子體行為，發(fā)現(xiàn)采用合適的U型坡口尺寸，能夠很好的抑制激光光致等離子體，提高焊接過程穩(wěn)定性，最大限度的利用激光能量，增加焊縫熔深, U型坡口的最佳尺寸范圍為：坡口寬度為3~4mm，坡口深度為4~5mm。通過采集電流電壓信號和觀察坡口內的激光光致等離子體和電弧的相互作用情況，確定了坡口上部 V形最小角度為10°，在此角度下，激光光致等離子體對電弧的吸引和穩(wěn)定作用，使得焊接過程穩(wěn)定。
　　基于計算流體動力學，建立了包含噴嘴、氣流和工件

5、的三維數(shù)值模型，模擬在U型坡口和無坡口條件時，側吹氣體的靜壓力、氣體流速和He氣體組分摩爾百分比在整個環(huán)境氛圍中的流場變化。揭示了在合適的U型坡口尺寸條件下，坡口內的氣體靜壓力、氣體流速和He氣體組分摩爾百分比較大，能夠加強對等離子體冷卻，增大電子的復合速率，因而能夠有效的抑制激光光致等離子體，獲得較大的熔深和穩(wěn)定的焊接過程。
　　測試10Ni3CrMoV鋼在純激光焊接和激光復合焊接下的不同線能量的熱循環(huán)曲線，建立了適用于激光焊接

6、的10Ni3CrMoV鋼的SHCCT圖，為厚板焊接工藝參數(shù)的優(yōu)化和制定提供重要參考。利用JMatPro軟件模擬計算10Ni3CrMoV鋼TTT曲線及CCT曲線，模擬計算10Ni3CrMoV鋼焊接接頭熱影響區(qū)粗晶區(qū)和細晶區(qū)的組織分布、含量以及焊接接頭的力學性能，結果顯示隨冷卻速率的增加，組織轉變是按馬氏體+貝氏體+少量鐵素體+少量殘余奧氏體→馬氏體+貝氏體+少量殘余奧氏體→馬氏體+少量殘余奧氏體規(guī)律而變化的。
　　采用Gleeble

7、3500模擬了HAZ的一次熱循環(huán)和二次熱循環(huán)組織，二次熱循環(huán)的HAZ的粗晶區(qū)晶粒大小，馬氏體板條和馬氏體束群尺寸比一次熱循環(huán)粗晶區(qū)進一步增加。隨著 t8/5增加，一次熱循環(huán)的HAZ的粗晶區(qū)的微觀組織從板條馬氏體＋碳化物向板條馬氏體＋碳化物＋粒狀貝氏體轉變。一次熱循環(huán)的HAZ粗晶區(qū)的屈服強度和抗拉強度最大，沖擊韌性值最低，硬度最大；兩相區(qū)的屈服強度和抗拉強度最低，在回火區(qū)的硬度最低。二次熱循環(huán)在峰值溫度為900℃時的細晶區(qū)的組織主要是由細

8、小的馬氏體、碳化物以及粒狀貝氏體組成，粒狀貝氏體造成該區(qū)域組織脆化，導致屈服強度和抗拉強度最小，沖擊韌性值普遍較低，是焊接接頭的薄弱環(huán)節(jié)。
　　分析了10Ni3CrMoV鋼在不同線能量下的焊縫和熱影響區(qū)的組織演變規(guī)律，在線能量為11.2kJ/cm時，焊縫組織主要是粒狀貝氏體組織，線能量為8kJ/cm，組織主要為針狀鐵素體，線能量為6.7 kJ/cm，組織主要為馬氏體。線能量較低的焊接接頭的液態(tài)金屬高溫停留時間比較短，在冷卻過程中第