30CrMnSiA钢激光焊接气孔成因及控制

论文摘要

30CrMnSiA钢是一种典型的Cr-Mn-Si系中碳调质钢,是航空工业和国防工业中的重要材料,在激光焊接过程中容易形成气孔,对30CrMnSiA钢产品焊接接头的力学性能带来不利影响,进而影响产品的可靠性。因此,对30CrMnSiA钢激光焊接气孔形成的机理进行深入分析,并探索控制气孔产生的技术途径,具有重要的理论意义和工程实际应用价值。本文针对30CrMnSiA钢激光焊接的气孔问题进行研究,深入分析了焊接过程中气孔形成的原因,探明了焊接工艺参数对气孔率的影响规律,掌握了控制气孔产生的方法,保证了焊接接头的力学性能。通过进行脉冲焊接工艺参数试验,并对焊缝进行金相组织分析和能谱测试,研究了30CrMnSiA钢激光焊接气孔形成的机理。结果表明:30CrMnSiA钢激光焊接过程中,由于激光深熔焊的小孔效应,小孔的不稳定会引起熔池中气泡的产生,特别是与小孔波动不匹配的参数将导致更严重的气孔倾向。形成的气孔多为CO型气孔,并且多出现在焊缝的根部,检测到气孔壁上C浓度显著增加,是因为CO气孔附近区域的液体在凝固过程中发生合金元素的偏析,这更有增大了焊接气孔倾向。利用Marc软件对激光焊接温度场进行模拟,通过实测热循环曲线和金相分析验证了模拟结果的适用性。比较了不同焊接功率和焊接速度条件下的熔池形状和凝固时间,进而分析其对气孔的影响。模拟结果表明:焊接功率越大,深宽比也越大;焊接速度越快,熔池凝固时间就越短,气泡越不易逸出,更容易形成气孔。用正交试验分析法进行焊接工艺参数对气孔率和熔深影响的分析研究,得到了较为匹配的焊接工艺参数组合:脉冲频率88Hz,焊接功率1170W,焊接速度400mm/min,占空比50%,入焦0.5mm。该参数组合有效地控制了气孔的产生。本研究较好地掌握了30CrMnSiA钢激光焊接气孔形成的机理和控制方法,为今后类似产品的批生产提供了有价值的参考依据,具有重要的指导意义。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第1章 绪论
• 1.1 激光焊接概述
• 1.1.1 激光焊接的特点
• 1.1.2 激光焊接的工作原理
• 1.2 30CrMnSiA钢的焊接特点
• 1.2.1 30CrMnSiA钢的成分特性
• 1.2.2 激光焊接30CrMnSiA钢过程中容易出现的缺陷
• 1.3 课题来源、研究的目的和意义
• 1.4 国内外研究现状
• 1.4.1 影响气孔产生的主要因素
• 1.4.2 激光焊接气孔成因的研究现状
• 1.4.3 激光焊接气孔的常用控制方法
• 1.4.4 激光焊接温度场有限元模拟的研究现状
• 1.5 论文研究的主要内容
• 第2章 30CrMnSiA钢激光焊接气孔成因研究
• 2.1 试验材料与分析测试方法
• 2.1.1 试件的设计要求
• 2.1.2 试件的设计和制备
• 2.1.3 焊接设备
• 2.1.4 测试方法
• 2.2 焊缝中气孔形成基本理论
• 2.3 30CrMnSiA钢激光焊接参数对气孔倾向的影响
• 2.3.1 焊接线能量对气孔率的影响
• 2.3.2 焊接脉冲频率对气孔率的影响
• 2.3.3 焊接占空比对气孔率的影响
• 2.4 30CrMnSiA钢焊接过程中气孔成因的机理分析
• 2.5 小结
• 第3章 30CrMnSiA钢激光焊接温度场的模拟研究
• 3.1 三维焊接温度场有限元模型的建立
• 3.1.1 控制方程
• 3.1.2 边界条件
• 3.1.3 定义材料属性
• 3.1.4 热源模型的选择
• 3.1.5 计算流程
• 3.1.6 网格划分
• 3.2 30CrMnSiA钢激光焊接温度场分布
• 3.2.1 激光焊接温度场分布
• 3.2.2 激光焊接温度场分布的验证
• 3.3 利用温度场模拟结果分析焊接参数对气孔产生的影响
• 3.3.1 焊接功率对气孔产生的影响
• 3.3.2 焊接速度对气孔产生的影响
• 3.4 小结
• 第4章 30CrMnSiA钢激光焊接气孔控制研究
• 4.1 激光焊接的主要工艺参数
• 4.2 30CrMnSiA钢激光焊接正交实验分析
• 4.2.1 影响气孔率及熔深的主要焊接工艺参数筛选
• 4.2.2 焊接功率与焊接速度、占空比之间的相互作用分析
• 4.2.3 焊接参数筛选实验结果分析
• 4.2.4 焊接工艺参数二次正交实验
• 4.3 焊接试板力学性能测试
• 4.4 实验验证及实际应用
• 4.5 小结
• 第5章 结论与展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文和参加的学术活动