高强钢厚板激光填丝多层焊特性研究

论文摘要

本文以10mm和16mm厚921高强钢为材料,进行了激光填丝多层焊的焊接工艺试验研究。设计了适合于厚板双光束填丝多层焊的窄间隙坡口形式,保证了厚板激光填丝焊的单道多层焊与低变形工艺要求,并一定程度上提高了丝与光对中性。针对高强钢多层焊易出现的气孔、未熔合、束腰宽度小等缺陷,分别进行了单光束、双光束填丝焊,层间保温、双光束热丝焊等方法的焊接工艺研究,确定了优化焊接工艺范围,并深入分析了焊接线能量,焊丝偏移量,坡口间隙量,能量吸收率,层间保温和热丝焊等方面对焊缝熔合质量的影响。试验结果表明,双光束填丝焊接对焊接过程和送丝稳定性具有更大的适应性,克服了高强钢单激光焊成形差,焊接过程不稳定等缺点,可以获得良好的焊接结果。采用串行排布的双光束焊接延长了液态熔池持续时间,通过合理调整激光能量分布,使得焊接过程更加稳定,从而抑制了咬边缺陷,减少了未熔合缺陷,但焊缝层间过渡区束腰宽度较小,侧壁熔合状况不如并行排布双光束焊接效果好。采用120～200℃的层间保温措施,可有效抑制焊缝内部气孔尺寸和数量,焊缝层间过渡均匀,侧壁熔合效果更好。双光束焊接过程中辅助热丝工艺可以增大焊丝熔化效率和熔敷速率,提高激光能量利用率,改善熔合质量,基本上消除未熔合缺陷。接头拉伸强度较高,一般为母材95%左右。接头主要断裂在焊缝和熔合线附近,母材侧壁与焊缝层间产生的未熔合缺陷对焊缝整体力学性能影响并不很大;当焊缝中无未熔合或缺陷较小时,拉伸试样大多断在母材。焊缝断口呈现为韧窝型剪切断裂。利用扫描电子显微镜和能谱分析（EDS）对焊缝断口进行成分分析,研究焊接接头的焊接缺陷及断裂机制。研究结果认为,未熔合缺陷由一层脆硬性物质组成,主要是附着在基体上的Fe2O3和Fe3O4以及附着在基体或铁氧化物上的Si和Mn的氧化物,是导致接头断裂的主要因素。对接头进行组织分析发现,粗晶区主要是粗大板条马氏体+贝氏体,局部区域有魏氏组织。焊缝内部为柱状晶,主要是上贝氏体+板条马氏体组织;热丝焊粗晶区晶粒更粗大,热影响区变宽;焊缝柱状晶晶界不明显,晶粒细小,组织均匀化。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究目的与意义
• 1.2 国内外研究现状和进展
• 1.2.1 高强钢激光焊接
• 1.2.2 厚板激光单层焊
• 1.2.3 厚板激光填丝多层焊
• 1.2.4 窄间隙激光焊接
• 1.2.5 双光束激光焊接
• 1.2.6 激光热丝焊
• 1.3 本文的主要研究内容
• 第2章 试验条件与方法
• 2.1 试验材料
• 2.1.1 母材
• 2.1.2 填充材料
• 2.2 试验设备
• 2.3 试验方法
• 2.3.1 双光束光斑模式
• 2.3.2 层间保温
• 2.4 微观组织分析和力学性能测试
• 2.4.1 微观组织分析
• 2.4.2 力学性能测试
• 第3章 高强钢厚板激光填丝多层焊工艺试验研究
• 3.1 引言
• 3.2 窄间隙坡口设计
• 3.3 双光束填丝多层焊工艺探索
• 3.4 高强钢单、双光束多层焊接焊缝成形
• 3.4.1 单光束焊接
• 3.4.2 双光束焊接
• 3.5 热丝焊参数选取
• 3.6 本章小结
• 第4章 焊缝熔合特性分析及缺陷抑制
• 4.1 引言
• 4.2 焊接线能量对多层焊熔合特性的影响
• 4.3 焊丝偏移量和坡口间隙量对熔合特性的影响
• 4.4 能量吸收率和焊丝熔化方式对焊缝熔合的影响
• 4.5 层间保温对焊缝熔合特性的影响
• 4.6 热丝对焊缝熔合特性的影响
• 4.7 本章小结
• 第5章 焊缝力学性能与微观组织分析
• 5.1 宏观硬度与力学性能分析
• 5.1.1 试验方法
• 5.1.2 宏观硬度分析
• 5.1.3 抗拉强度分析
• 5.2 断裂机制分析
• 5.2.1 未熔合缺陷断裂
• 5.2.2 气孔缺陷断裂
• 5.2.3 应力集中状况
• 5.3 双光束填丝焊接焊缝微观组织分析
• 5.3.1 母材组织
• 5.3.2 热影响区组织
• 5.3.3 焊缝区和焊缝层间组织
• 5.3.4 冷丝焊缝与热丝焊缝微观组织对比
• 5.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢