【摘 要】
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激光热丝焊接具有热输入小、能量利用率高、填丝效率高、间隙桥接能力好等优点,但仍面临因光丝间距波动造成的焊缝成形不佳和过程不稳等问题。将振荡扫描激光和热丝焊接有机结合,有望通过对熔池行为的调控改善上述问题,并进一步增加接头间隙桥接能力,提高其工业适应能力。为此本文以Q235低碳钢为对象,开展了扫描激光热丝焊接工艺研究。主要研究结果如下:首先对比了激光热丝焊接和冷丝焊接工艺特性,系统研究了焊接速度、送
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激光热丝焊接具有热输入小、能量利用率高、填丝效率高、间隙桥接能力好等优点,但仍面临因光丝间距波动造成的焊缝成形不佳和过程不稳等问题。将振荡扫描激光和热丝焊接有机结合,有望通过对熔池行为的调控改善上述问题,并进一步增加接头间隙桥接能力,提高其工业适应能力。为此本文以Q235低碳钢为对象,开展了扫描激光热丝焊接工艺研究。主要研究结果如下:首先对比了激光热丝焊接和冷丝焊接工艺特性,系统研究了焊接速度、送丝速度和热丝电流等主要工艺参数对焊缝成形和工艺稳定性的影响规律。当激光功率为1.8k W时,热丝焊缝熔深比冷丝焊提高7.5%～16.0%（热丝电流100 A,焊接速度1.0～2.2m/min）;在给定参数下,当热丝电流从0 A增加到150 A时,焊缝熔深可从3.09 mm增加到3.48 mm,提高12.6%。但是,无论是激光冷丝焊还是热丝焊,都会因为焊丝对熔池和匙孔的冲击而出现飞溅、孔洞和熔合不良等成形缺陷。基于激光热丝焊实验结果,开展了扫描激光热丝工艺研究,探讨了光束扫描行为对焊缝成形的影响规律,发现扫描光束对改善焊缝成形有明显作用,且在给定参数下能够将接头间隙容忍度提高至1.3 mm,比激光冷丝焊增加30%。当扫描振幅（A）为0.4～0.8 mm时,且扫描频率（f）增加至100 Hz时,扫描光束能够通过均匀化能量分布改善飞溅、孔洞和熔合不良等缺陷。但是,当A增加至1.0 mm后,激光能量在两侧分布明显高于中心,造成两侧局部熔池过热,反而导致润湿不良成形缺陷。实验获得了优质焊缝的优化参数范围:0.4 mm≤A≤0.8 mm且100≤f≤200 Hz。对比发现激光冷丝、激光热丝和扫描激光热丝三种焊缝的熔合区组织无明显差异,都由铁素体和珠光体组成,热影响区的粗晶区都由先共析铁素体、侧板条铁素体和珠光体组成,细晶区和不完全重结晶区由块状铁素体和珠光体组成。相对于激光冷丝焊,激光热丝焊缝熔合区平均显微硬度增加18 HV,为195 HV。扫描激光热丝焊缝熔合区平均显微硬度增加不明显,但熔合区硬度分布最为均匀,最大差值为24.6HV,仅为冷丝焊的65%;标准偏差为7.7,仅为冷丝焊的58%。这是因为激光束扫描增强了熔池搅拌,促进溶质在熔池中的扩散,能够抑制焊缝元素偏析。通过优化的热丝电流（100 A）,焊缝的抗拉强度相比激光冷丝焊缝增加8.7%,为574.7 MPa,同时延伸率提高44.8%,为8.4%。通过激光束扫描,焊缝抗拉强度相对激光热丝焊缝提升不大,但延伸率却有明显提升。在优化扫描参量（A=0.6 mm,f=100 Hz）下,扫描激光热丝焊缝的抗拉强度基本和热丝焊缝一致,但延伸率提高56.0%,为13.1%。激光束扫描利于熔合区柱状晶破碎,促进形成更为细小的等轴晶,进而提升焊缝韧性。
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