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随着载运工具向轻量化、绿色化、高可靠性发展,新型激光填粉焊接技术广泛应用于连接载运工具机身及其零部件。本文以载运工具中常用的304不锈钢为焊接母材,通过激光填粉焊接工艺制备Fe-Mn-Si记忆合金焊缝,并对其力学行为进行了研究。揭示了Fe-Mn-Si记忆合金焊缝力学性能的改善机理,系统分析了焊缝的组织性能和力学性能,并进行了激光填粉焊接温度场和应力场的数值模拟。由激光填粉焊接单因素试验可知,随着激光线能量(激光功率/焊接速度)的增加,焊缝熔宽和Mn、Si亲氧性元素的烧损率增大。但当激光线能量过高时,粗大的焊缝晶粒将降低焊缝显微硬度和抗拉强度。同时过快的焊接速度会削弱焊接母材与粉末冶金结合强度,亦降低试样抗拉强度。通过正交试验,得到激光填粉焊接最优的工艺参数组合为激光功率2700 W、焊接速度160mm/min、离焦量+5 mm。该工艺条件下,焊缝成形质量好,焊缝区域与母材过渡平滑,无明显的余高,焊缝边缘到中心的组织依次为平面晶、胞状晶、树枝晶和等轴晶组织。根据有限制混料均匀设计方法,利用DPS数据处理系统进行Fe-Mn-Si记忆合金焊缝成分设计。得到Fe/Mn/Si/Cr/Ni混合粉末配比(x)与Fe-Mn-Si-Cr-Ni合金焊缝质量分数(y)之间的经验表达式为yMn=0.00958+0.273xMn,ySi=0.013+0.191xSi,yCr=0.163-0.177xsi,yNi=0.0881-0.0666xMn,yFe=1-yMn-ysi-yCr-yNi。利用该表达式,可激光填粉焊接制备Fe-Mn-Si-Cr-Ni形状记忆合金焊缝。为验证方程组准确性,生成了Fe15Mn5Si12Cr6Ni合金焊缝,在6%预应变下具有优良的形状记忆合金特性。其固溶后组织为γ奥氏体,经过预应变后组织中存在ε马氏体,形状记忆效应和恢复应变可达为39.5%和2.37%。通过Fe-Mn-Si记忆合金焊缝接头力学性能测试可知,沿焊缝方向中间区域的残余应力大于两侧区域,垂直焊缝方向残余应力峰值存在于焊缝较窄的区域内;随测量点与焊缝距离的增加,残余应力突降并逐渐趋近于零值。Fe-Mn-Si记忆合金焊缝接头的循环弯曲瞬断区形貌为密集撕裂棱,断裂时弯曲次数为249次,达到304不锈钢母材的90.9%,表明Fe-Mn-Si记忆合金焊缝接头具有良好的弯曲疲劳特性。Fe-Mn-Si记忆合金焊缝接头和304不锈钢焊缝接头相比,最大残余应力减小29.1%、弯曲疲劳强度提高83.1%。有限元仿真模拟表明,由于激光热源能量集中,故仅焊缝处温升较大,母材处温度变化较小。应力场中焊接残余应力主要集中在焊缝区域,呈现和试验结果一致的分布规律,即模拟节点的残余应力在焊缝中心处数值大,远离焊缝中心逐渐减小。应力诱发γ→ε马氏体相变宏观应变表达式分析可知,激光填粉焊接的残余应力εp会诱发Fe-Mn-Si记忆合金焊缝发生γ→ε马氏体相变并产生相变应变εγ→ε。该相变过程时,将沿着应力诱发马氏体所做的最大功(ΔG)方向首先形成ε马氏体片,残余应力作为相变驱动力得到释放。通过焊接接头热弹塑性模型和残余应力表达式亦可发现,相变应变εγ→ε的变形协调作用可抵抗残余热收缩而松弛残余应力。Fe-Mn-Si记忆合金焊缝循环弯曲过程中,应力诱发γ(?)ε马氏体正逆相变适应外界应力变化是焊接接头疲劳强度提高的根本原因。