高强钢双光束热丝多层焊工艺及接头组织性能研究

高强钢双光束热丝多层焊工艺及接头组织性能研究

论文摘要

采用较小功率激光对厚板低合金高强钢进行填丝多层焊,热变形小,还可通过调节焊丝成分来改善焊缝组织性能,节约了成本,具有很大的现实意义和广阔的应用背景。但是,焊缝成形不稳定、未熔合和气孔问题一直难以解决。本文针对上述问题,设计并改进了适合于厚板双光束填丝多层焊的窄间隙坡口尺寸,采用双光束热丝多层焊技术实现了16mm厚11CrNi3MnMoV低合金高强钢的可靠连接,消除了未熔合和气孔缺陷。并重点对接头的断裂行为以及激光重熔、热处理作用下焊缝各区的微观组织结构进行了深入分析。在以往激光多层焊的基础上,本文从多层焊能量合理利用与分配的角度优化的焊接工艺规范,研究了焊接线能量、层间保温和热丝对焊缝宏观成形的影响,阐述了双光束热丝焊过程的能量分配原则与作用原理。采用双光束热丝多层焊工艺焊接低合金高强钢获得的接头强度基本都高于母材强度。本文利用扫描电镜和能谱对焊缝断口韧窝形貌与第二相粒子进行了细致分析,阐明了未熔合缺陷、第二相粒子等对接头性断裂行为的影响规律。。硬度测试结果标表明,焊缝硬度高于母材,硬度峰值出现在热影响区的熔合区附近。经历再热作用的内层焊道硬度值稍低于末层硬度值。。在金相观察的基础上,深入分析了激光二次重熔和急热急冷热循环下接头的宏观和微观组织特征。激光多层焊的HAZ组织主要是板条马氏体,其晶粒明显细化,粗晶区仅占热影响区的1/4左右。根据加热状态不同,将焊缝区组织划分为三个典型区域:激光填丝焊原始焊缝组织:由贝氏体、针状铁素体和少量低碳马氏体组成;经历激光二次重熔的焊缝组织:主要由粒状贝氏体和针状铁素体组织组成;经历热处理后的焊缝组织:主要由贝氏体正火组织和贝氏体回火组织组成。此外,焊缝中存在大量的相互平行且紧密排列的铁素体束。利用能谱分析研究了焊缝主要合金元素的分布规律。宏观上,由顶层到底层含量逐渐增多;微观上,合金元素主要分布在α-Fe的间隙处。通过对焊缝进行XRD衍射分析,确定焊缝中物相种类、含量以及不同工艺下晶格参数的变化,为研究各工艺焊缝合金元素固溶强化效果提供了可靠依据。

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 高强钢的激光焊接
  • 1.2.2 厚板激光填丝多层焊
  • 1.2.3 双光束激光焊接
  • 1.2.4 激光热丝焊
  • 1.3 激光焊接热循环
  • 1.4 激光焊接头微观组织
  • 1.5 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
  • 2.2 试验设备
  • 2.2.1 焊接设备
  • 2.2.2 送丝设备
  • 2.2.3 热丝电源
  • 2.3 双光束热丝多层焊试验方法
  • 2.3.1 双光束光斑模式
  • 2.3.2 层间保温
  • 2.3.3 辅助热丝焊接
  • 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 高强钢双光束热丝多层焊工艺研究
  • 3.1 引言
  • 3.2 焊接工艺规范的优化
  • 3.2.1 坡口尺寸
  • 3.2.2 焊接参数
  • 3.3 双光束热丝过程的能量分配
  • 3.4 本章小结
  • 第4章 接头力学性能与断裂行为分析
  • 4.1 引言
  • 4.2 接头力学性能分析
  • 4.2.1 试验方法
  • 4.2.2 接头的宏观硬度分析
  • 4.2.3 接头的拉伸性能
  • 4.3 断裂方式和断口特征
  • 4.3.1 断裂方式
  • 4.3.2 断口特征
  • 4.4 接头与母材的断口特征
  • 4.5 第二相粒子
  • 4.6 缺陷对接头断裂行为的影响
  • 4.6.1 未熔合缺陷
  • 4.6.2 气孔缺陷
  • 4.7 本章小结
  • 第5章 焊缝微观组织特征分析
  • 5.1 引言
  • 5.2 双光束热丝多层焊热循环特点
  • 5.2.1 焊接热循环的主要参数
  • 5.2.2 激光热丝多层焊热循环特征
  • 5.3 双光束热丝焊接头微观组织特征分析
  • 5.3.1 接头宏观特征
  • 5.3.2 不同区域的微观组织特征
  • 5.4 元素分布规律
  • 5.5 焊缝物相的XRD衍射分析
  • 5.6 本章小结
  • 结论
  • 参考文献
  • 致谢
  • 相关论文文献

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