萬瓦級光纖激光深熔焊接厚板金屬蒸汽行為與缺陷控制.pdf

1、激光深熔焊接具有深寬比大、焊接速度快、熱影響區(qū)小、焊接變形小等優(yōu)點。隨著高光束質量萬瓦級光纖激光器的出現(xiàn),厚板激光深熔焊接一次成形成為可能,可廣泛應用到能源、造船、航空航天、裝備制造、鐵路等大厚度大結構件焊接制造中。然而,這些重大工程項目對焊接質量的穩(wěn)定性和可靠性要求極高,只有對萬瓦級激光深熔焊接過程機理進行深入而系統(tǒng)的研究,才能從根本上保證穩(wěn)定可靠的焊接接頭質量?；谏鲜鰬帽尘?在國家自然科學基金項目的資助下,本文對萬瓦級光纖激光深

2、熔焊接厚板過程中孔外金屬蒸汽/等離子體、小孔和熔池動態(tài)行為,相關焊接缺陷產(chǎn)生機理和控制方法進行試驗和理論研究。本論文開展和完成了如下研究工作:
　　(1)借助高速攝影和光譜分析手段,直觀觀測了萬瓦級光纖激光深熔焊接厚板過程中孔外金屬蒸汽/等離子體動態(tài)行為和光譜信號,并計算了孔外金屬蒸汽/等離子體特征參數(shù)及對入射激光的散射吸收作用。結果表明,孔外金屬蒸汽/等離子體由靠近小孔開口藍光等離子體和位于上方的微紅色的金屬蒸汽組成,前者邊緣形

3、狀鋒利光滑,而后者邊緣形狀變化無常,高度高達20mm。發(fā)現(xiàn)孔外金屬蒸汽噴射方向與小孔壁方位密切相關。光譜分析結果表明,孔外金屬蒸汽汽/等離子體是弱電離等離子體?？淄饨饘僬羝心Y的微細金屬顆粒對入射激光束的吸收和散射衰減強度是孔外等離子體中自由電子對激光逆軔致輻射吸收的數(shù)倍。
　　(2)基于改進的“三明治”新方法,采用高速攝影手段,首次從側面直接觀測了萬瓦級光纖激光深熔焊接超細長小孔內壁,小孔內壁充滿皺褶,并沿小孔壁向下流動,同時

4、熔融金屬微滴直接從皺褶波峰脫離穿過小孔向后沿飛去。特別地,在小孔前沿壁面存在液體臺階,向下高速流動,速度可達8m/s-15m/s。
　　在直觀觀測萬瓦級光纖激光深熔焊接厚板缺陷產(chǎn)生時的超大金屬蒸汽/等離子體團、超細長小孔和熔池動態(tài)變化過程的基礎上,結合大量工藝試驗研究,揭示了飛濺、表面塌陷與底部駝峰和釘子頭焊縫缺陷的產(chǎn)生機理。焊接飛濺產(chǎn)生的主要驅動力是小孔內蒸發(fā)蒸汽反沖壓力和高速噴射的金屬蒸汽/等離子體對熔融金屬的摩擦力。飛濺產(chǎn)生

5、的基本過程為:局部蒸發(fā)——熔融金屬加速向上(下)流動——垂直動量積累超出表面張力——熔融金屬脫離熔池形成飛濺。孔外金屬蒸汽/等離子體對熔融金屬的剪切作用使得飛濺在穿過孔外金屬蒸汽/等離子體云時有一個“加速過程”。焊縫塌陷和底部駝峰的產(chǎn)生是由于小孔前沿壁流動的液體臺階處局部蒸發(fā)導致的熔融金屬高速向下流動,大量熔融金屬聚集在底部熔池或直接噴出熔池,底部熔融金屬不斷積累形成熔滴,在重力作用下下掉而形成底部駝峰,焊縫上表面缺少熔融金屬的補充而塌

6、陷。釘子頭焊縫的產(chǎn)生機理是小孔內部劇烈的蒸汽反沖壓力和金屬蒸汽/等離子體高速向上噴射對小孔壁的摩擦力驅動底部和周圍熔融金屬沿小孔壁向上流動,并聚集到小孔開口,然后在表面張力作用下形成由中心向外的Marangoni對流,從而增大熔池上部的熔化寬度,最終形成釘子頭焊縫。
　　(3)對萬瓦級光纖激光深熔焊接厚板焊接缺陷的控制方法進行了研究。結果表明,離焦量是萬瓦級光纖激光深熔焊接厚板過程中一個關鍵工藝參數(shù)。負離焦時,匹配優(yōu)化離焦量和焊接

7、速度可以獲得穩(wěn)定的金屬蒸汽/等離子體、小孔和熔池的耦合效果,從而有效抑制缺陷獲得成形良好的全熔透焊縫。背保護氣體不僅改善了焊縫下表面成形,同時改善了焊縫上表面成形使整個焊縫截面呈“I”型。側吹氣體射流輔助激光深熔焊接,可以較好抑制釘子頭焊縫和上表面飛濺的產(chǎn)生。當激光束沿焊接方向向前傾斜適當角度時,可以有效抑制上表面飛濺的產(chǎn)生。采用橫焊焊接方位時,可以有效抑制焊縫塌陷與底部駝峰的產(chǎn)生。
　　(4)對萬瓦級光纖激光深熔焊接厚板焊縫接頭

8、組織性能進行了研究。結果表明,熔合區(qū)兩側邊緣是柱狀晶,且對稱向焊縫中心生長。焊縫中心區(qū)主要是等軸樹枝晶。焊縫組織仍為奧氏體組織,并在奧氏體基體上存在少量鐵素體。焊縫接頭拉伸斷裂在母材,最大拉伸應力高達809MPa,最大應變?yōu)?5％。斷口呈典型的杯錐形,焊縫斷口由纖維區(qū)和剪切唇組成。纖維區(qū)由細小而均勻一致的深蜂窩狀韌窩組成,表明拉伸試件是承受拉伸載荷而韌性斷裂?；诒疚牡难芯砍晒?成功實現(xiàn)了15kW光纖激光自熔焊接核反應堆堆芯圍筒厚板,焊