【摘要】：本文針對301L-MT不銹鋼超窄間隙激光焊接過程的未熔合缺陷控制措施及綜合質(zhì)量優(yōu)化問題,研究了未熔合缺陷的產(chǎn)生原因及抑制策略,以及焊絲熔入行為與焊接接頭熔合質(zhì)量的關(guān)系規(guī)律,揭示了激光能量與介質(zhì)的相互作用規(guī)律。采用響應面分析及多目標優(yōu)化方法建立了焊接接頭質(zhì)量優(yōu)化模型,闡明了工藝參數(shù)對焊接接頭綜合性能的影響規(guī)律。本研究具有較高的理論研究價值及工程應用意義。本文以8mm厚奧氏體不銹鋼作為對象進行了如下研究:首先結(jié)合理論及試驗,從超窄間隙坡口設計、激光功率篩選和焊絲熔入過程三個方面對未熔合缺陷的產(chǎn)生原因及預防手段進行了研究;隨后,利用響應面分析法剖析了焊接參數(shù)與焊接接頭質(zhì)量參數(shù)指標的關(guān)系,進一步探索了超窄間隙激光焊接的工藝過程;最后,采用多目標參數(shù)優(yōu)化理論獲得了最優(yōu)工藝參數(shù),并對其進行了驗證。本文主要得到了以下結(jié)論:從坡口設計角度抑制了未熔合缺陷�？紤]到超窄間隙設計原則、激光束的適應性、坡口的收縮及保護氣效果,選用鈍邊2mm深、1.4mm寬、坡口角度為3°的超窄間隙坡口較為合適。通過超窄間隙激光焊的熔絲行為觀察及機理分析,獲得了從焊絲熔入角度抑制未熔合缺陷的控制措施。焊接接頭的側(cè)壁熔合主要依靠激光作用在母材表面后產(chǎn)生的熔池熱傳導及熱輻射作用。在滴狀過渡條件下,狀態(tài)復雜的反沖力、大滴對激光束能量的阻擋及大熔滴對熔池劇烈擾動會嚴重影響了熔池熱傳導效果,造成側(cè)壁未熔合缺陷;此外,由于缺乏過渡驅(qū)動力,滴狀過渡還會造成層間未熔合。液橋過渡模式下,焊絲的熔入、過渡過程平穩(wěn),對熔池及其熱傳導效果影響極小,故在合理參數(shù)下能實現(xiàn)母材與填充金屬的良好熔合�；赗SM(Surface response method)響應面分析法,建立了焊接速度、激光功率、送絲速度等輸入因素與抗拉強度、焊縫完整度、熔寬、重疊形狀因子、焊接層道數(shù)等表征焊縫質(zhì)量與焊接效率的響應之間的數(shù)學模型,揭示了接頭綜合性能受參數(shù)影響的變化規(guī)律。線能量(激光功率、焊接速度)對響應作用明顯,隨著線能量的增加,抗拉強度、完整度、熔寬及重疊形狀因子均呈現(xiàn)上升趨勢,焊接層道數(shù)明顯下降;較大的送絲速度可提升焊接效率、降低重疊形狀因子,但會嚴重影響接頭熔合質(zhì)量,降低焊縫強度,故該參數(shù)應根據(jù)功率、焊接速度進行合理匹配。除此之外,抗拉強度、完整度及重疊形狀因子模型中存在顯著的多因素交互作用;較高的焊接速度下選用較小送絲速度可保證每一層道焊縫熔合良好,提高接頭抗拉強度;較高的激光功率能夠獲得理想的焊縫完整度,并且能夠降低焊接速度的負面影響程度;在保證熔合質(zhì)量的前提下,選擇適中的焊接速度與送絲速度可減小重疊形狀因子,保證焊縫形貌美觀。在上述數(shù)學模型及參數(shù)影響規(guī)律的基礎上,為了進一步抑制未熔合,提高接頭綜合性能,利用多目標優(yōu)化理論對焊接參數(shù)進行了優(yōu)化。優(yōu)化后所得工藝參數(shù)為:焊接速度9.62mm/s,激光功率1.45kW,送絲速度1.07m/min,最終優(yōu)化平均期望值為0.81。對優(yōu)化參數(shù)下的焊接接頭進行分析及測試可得:抗拉強度為763.28MPa,焊縫完整度為99.75%,熔寬為2106.38μm,重疊形狀因子為202.13μm,焊接層道數(shù)3層;優(yōu)化模型的平均準確度為96.68%。在優(yōu)化參數(shù)下進行焊接效率較高,所得焊接接頭無未熔合缺陷,抗拉強度優(yōu)良且較傳統(tǒng)MAG焊接接頭提高了24.72%,同時合理的熔寬和重疊形狀因子保證焊縫形貌美觀,有利于減小熱影響區(qū)范圍、消除應力集中。優(yōu)化參數(shù)下焊接接頭微觀特征觀察表明:焊縫區(qū)主要由奧氏體柱狀晶及板條狀鐵素體構(gòu)成;焊縫中心為大量自發(fā)形核產(chǎn)生的等軸晶,所觀察區(qū)域的晶粒尺寸平均數(shù)為24.94μm。超窄間隙激光焊能量密度高、熱輸入小、高溫停留時間短等特點有助于減小熱影響區(qū)范圍、細化晶粒、提高強度。綜上所述,超窄間隙激光焊能夠在較小的熱輸入下實現(xiàn)焊接接頭的良好熔合,提高接頭綜合性能。
【學位授予單位】：西南交通大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TG456.7

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本文編號：2760137