激光-电弧复合焊接中厚板底部驼峰抑制研究

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激光-电弧复合焊接是一种将激光热源与电弧热源作用于同一熔池的高效焊接方法,具有单次焊接熔深大、焊接接头性能好等优点,因此在中厚板单次焊接领域极具潜力,且近年来,随着万瓦级激光器进入市场,激光-电弧复合焊接单次焊接熔深进一步增加。但是随着焊接板厚增加,激光-电弧复合焊接常出现诸如飞溅、气孔、裂纹、咬边、塌陷、驼峰等焊接缺陷,其中,底部驼峰缺陷更是难以消除,严重影响了激光-电弧复合焊接接头成型。针对激光-电弧复合焊接中厚板单面焊双面成型技术中底部驼峰缺陷难以抑制的现状,本文从底部驼峰抑制机理、单面焊双面成型工艺优化、激光-电弧复合焊接接头性能三方面对底部驼峰缺陷抑制进行了深入的研究,主要研究内容如下:(1)构建了复合焊接熔池中底部驼峰形成的力学模型,并结合熔池模型,从焊道底部受力失衡和底部熔池挤压流出对底部驼峰形成机理进行分析,发现熔池重力对焊道底部的压力和激光深熔小孔对焊道底部的推力是导致激光-电弧复合焊接单面焊双面成型中底部驼峰形成的根本原因。基于有限元仿真和力学分析,发现在保证全熔透的条件下激光功率取最小值、电弧功率((6)取最小值、焊接速度(1取最大值可以有效减小熔池对焊道底部的压力;在全熔透条件下激光功率取最小值,焊接速度(1取最小值时,能够保障激光-电弧复合焊接中激光深熔小孔的稳定性。(2)研究了激光-电弧复合焊接工艺参数、焊接结构、热源引导模式对底部驼峰形成的影响。结果表明,焊接10mm厚板可以通过调整激光功率、送丝速度(1、焊接速度(1等工艺参数对底部驼峰进行优化,但是板厚增加至12mm时难以通过简单的工艺参数优化实现底部驼峰形成的抑制;板厚为12mm时,仅当=9.56)(2、(1=78)/8)4)9)、(1=2.18)/8)4)9)时可以实现对底部驼峰形成进行抑制;对比12mm板厚条件下不同工艺方法下底部驼峰的表征,发现使用I型坡口和Y型坡口在高焊速下能实现底部驼峰形成的有效抑制,但是会分别出现表面未填满和咬边缺陷的缺陷;使用电弧引导激光的模式在多种焊接参数下均可实现底部驼峰形成的良好抑制,明显优于激光引导电弧模式。(3)分析了激光-电弧复合焊接单面焊双面成型的焊接接头的组织成分与性能。结果表明,激光-电弧中厚板单面焊双面成型中,焊丝对焊缝的填充作用和接头性能的强化作用仅限于焊缝上层,因此中下层焊缝抗拉伸性能明显低于上层焊缝;焊缝的主要组成为奥氏体与铁素体,在焊缝上下层由于碳化铬的析出,晶界不明显,且导致在拉升过程中会出现解理断裂,降低焊缝的延伸率;对焊缝整体性能的测试表明复合焊接接头包括抗拉强度、韧性、延伸率、气孔率、抗冲击性能等各项力学性能均良好,其中抗拉强度690Mpa,断后延伸率45.5%,背弯180°条件下无裂纹,焊缝中无0.1mm以上气孔,可抗193.5KV2冲击功。
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