激光全熔透焊接304不銹鋼的熔池及溫度場特征研究

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1、中文摘要激光焊接技術(shù)作為一門新的材料加工技術(shù)，與傳統(tǒng)的焊接方法相比具有能量密度高、焊接速度快、焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄及焊件變形小等優(yōu)點(diǎn)。近些年，由于大功率激光器的快速發(fā)展，使激光焊接成為現(xiàn)代工業(yè)制造領(lǐng)域中重要的加工手段，并具有廣闊的發(fā)展?jié)摿?。激光焊接過程中的熔池特征量及溫度場與焊接工藝參數(shù)以及焊縫的質(zhì)量之間有內(nèi)在的聯(lián)系。因而本文采用試驗(yàn)與計算相結(jié)合的方法研究了不同激光焊接條件下熔池的特征量及溫度場的變化，這不僅增加了對熔池與焊接參數(shù)及焊接結(jié)果之間的關(guān)系的理解，而且還達(dá)到了用比較簡單而適用的辦法獲得能在實(shí)際焊接中預(yù)測激光焊接熔池及溫度場的模型。根據(jù)目前激光深熔焊接熔池及溫度場的主要數(shù)學(xué)

2、模型的特點(diǎn)，結(jié)合本文的研究目標(biāo)，選取了Rosenthal移動線熱源作為本文的熱源模型，同時，對Rosenthal移動線熱源模型直接用于激光全熔透焊接中的局限性進(jìn)行分析，并以移動線熱源的解析解為基礎(chǔ)，采用引入等效參量辦法使激光全熔透焊接熔池溫度場和特征量的計算結(jié)果與實(shí)際結(jié)果更加接近，并用之來作為激光全熔透焊接熔池及溫度場的預(yù)測模型。首先通過試驗(yàn)，針對不同的焊接條件對304不銹鋼的C02激光焊接過程及結(jié)果進(jìn)行了分析，結(jié)果表明焊接線能量與焊縫成形及其組織關(guān)系密切。同時利用高速攝像所獲得的熔池正、背面特征量的測量結(jié)果分別對基于Rosenthal移動線熱源模型正、背面的等效系數(shù)進(jìn)行了確定，在此基

3、礎(chǔ)上建立了相應(yīng)的熔池及溫度場預(yù)測模型。結(jié)果表明，線能量在一定的范圍時，預(yù)測結(jié)果與實(shí)測結(jié)果得到很好的吻合，但線能量過大或過小時，等效系數(shù)要進(jìn)行相應(yīng)的修正。這主要是由于熔透焊接中不同的熔透狀態(tài)下，小孔特征的變化導(dǎo)致焊件吸收的能量發(fā)生變化而引起的。利用上述的熔池及溫度場預(yù)測模型對相應(yīng)線能量下的焊縫中心點(diǎn)的熱循環(huán)進(jìn)行了計算，其結(jié)果表明：線能量越大，該點(diǎn)在熔點(diǎn)處的冷卻速度越小，在800"C～500。C(＆，；)的冷卻時間也越長，這也很好解釋了為什么線能量越大時，焊縫組織晶粒會變得粗大。進(jìn)一步研究激光功率和焊接速度、板厚、保護(hù)氣對熔焊接池溫度場的影響，以及對熔池及溫度場預(yù)測模型在不同焊接條件下的適

4、用效果進(jìn)行了討論，并分析了相應(yīng)焊接條件下模型中等效參量的變化規(guī)律，然后利用相應(yīng)焊接條件下的預(yù)測模型對焊縫中心點(diǎn)的熱循環(huán)進(jìn)行了計算。同時針對YAG激光全熔透焊接304不銹鋼，獲得了不同線能量下的熔池及溫度場預(yù)測模型，利用相應(yīng)線能量下的預(yù)測模型對焊縫中心點(diǎn)的熱循環(huán)進(jìn)行計算，并對線能量與熔池及溫度場特征、焊縫中心點(diǎn)的熱循環(huán)以及最終的焊縫成形及焊縫組織之間的關(guān)系進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)預(yù)測結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果是相符的。在相同的焊接參數(shù)下，比較了C02激光和YAG激光焊接結(jié)果、熔池特征及溫度場預(yù)測模型，發(fā)現(xiàn)兩種激光熱源由于金屬蒸氣及等離子體的影響不同，其焊縫成形特點(diǎn)、熔池特征及預(yù)測模型參量都有很大的不同，因

5、此應(yīng)該作為兩種熱源過程來建立模型。關(guān)鍵詞：激光全熔透焊接，304不銹鋼，熔池，溫度場ⅡAbstractAsanewtechnologyofmaterialprocessing，laserweldinghasadvantages，suchashighenergydemity,highweldingspeed，highdepth—to—widthratio，narrowheataffectedzoneandsmallweldingdistortion．Inrecentyears，duetotherapiddevelopmentofhigh—powerlaser,thelaserweldin

6、gisbecominganimportantprocessingmethodinthefieldofmodemindustrialmanufacturing，andhasvastpotentialfordevelopment．Featuresofthemoltenpoolandtemperaturefieldhavecloserelationshipwithweldingparametersandweldqualityduringlaserwelding．Therefore，inthispaper,bothexperimentalandcalculatedmethodswereused

7、inordertoinvestigatethechangesoffeaturesofthemoltenpoolandtemperaturefieldindifferentlaserweldingconditions．TheresearchnotonlyCanbenefittoincreasetheunderstandingoftherelationshipamongmoltenpools，weldingparametersandweldingr