【摘 要】
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Invar合金和304不锈钢是制造大型低温风洞和液化天然气船的关键材料。焊接是制造Invar合金、304不锈钢结构件的重要方法。Invar合金和304不锈钢对热输入敏感,热输入较大时容易引起接头组织晶粒粗大使其性能降低;焊接时电弧不稳会使得熔池的形貌尺寸出现较大波动,容易造成焊接缺陷。激光-TIG复合焊减小了TIG焊的热输入,同时增加了电弧稳定性,是提高Invar合金与304不锈钢中厚板焊接接头质
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Invar合金和304不锈钢是制造大型低温风洞和液化天然气船的关键材料。焊接是制造Invar合金、304不锈钢结构件的重要方法。Invar合金和304不锈钢对热输入敏感,热输入较大时容易引起接头组织晶粒粗大使其性能降低;焊接时电弧不稳会使得熔池的形貌尺寸出现较大波动,容易造成焊接缺陷。激光-TIG复合焊减小了TIG焊的热输入,同时增加了电弧稳定性,是提高Invar合金与304不锈钢中厚板焊接接头质量的有效方法。本文研制了激光-TIG复合焊系统,优化出了工艺窗口,实现了Invar合金和Invar合金、304不锈钢和304不锈钢、Invar合金和304不锈钢的对接焊,分析了对接接头的组织及力学性能,研究成果如下:研制了由Kuka机器人、光纤激光器、氩弧焊机和变位平台组成的激光-TIG复合焊系统;编写了程序实现了送丝单元的自动可控送丝;制造出了电弧声、电流电压信号采集单元;设计出了激光参数控制与电弧声、电流电压信号采集软件,实现了激光-TIG复合焊系统工艺参数的实时监测,用于Invar合金与304不锈钢对接焊。分析了TIG焊和激光-TIG复合焊焊接Invar合金的声信号和电流电压信号的时域和时频域分布,探索了激光-TIG复合焊电弧的稳定行为。对于焊接电流为150 A下的TIG焊,加入激光成为激光-TIG复合焊时,激光对TIG电弧起到了良好的稳定作用,激光激发出金属蒸汽与弧柱区温度升高,促进了金属蒸汽的电离,使得弧柱区的导电粒子增多,增加了电弧的稳定性。分析时域分布发现激光-TIG复合焊时电压有所降低,并从起弧高压迅速降至稳定值,电流电压的波动幅度小于TIG焊;分析时频分布发现激光-TIG复合焊时声电信号的时频域波动明显降低。采用平直度和宽高比作为焊缝成形质量的指标,优化出了Invar合金与304不锈钢激光-TIG复合对接焊的工艺窗口。通过在Invar合金、304不锈钢和混合成分母材上分别进行工艺试验,建立了期望值模型,寻优得到3种对接接头的焊接工艺窗口为:TIG电流为142～166 A,焊接速度为1.35～1.75 mm/s,激光功率为1228 W。采用优化的工艺参数值实现了Invar合金和Invar合金、304不锈钢和304不锈钢、Invar合金和304不锈钢的对接焊,焊缝成形良好。Invar合金热影响区晶粒明显长大,304不锈钢晶粒长大程度较小;304不锈钢侧熔合区组织形态为等轴晶,晶粒细小;中间层焊缝由等轴晶与柱状晶组成,焊缝两侧为尺寸较小的柱状晶,中间为细小的等轴晶;3种接头的平均抗拉强度分别为463 MPa、491.8 MPa、487.4 MPa,焊缝在-196℃下平均冲击功为87.7 J,拉伸断口和冲击断口均分布着大量韧窝,接头具有高的韧性。
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