窄间隙摆动激光填丝焊接焊缝成型、组织与性能研究

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中厚板结构件在工业生产中占比较大,广泛应用于矿山机械、压力容器、电厂、桥梁等结构件主体。工程机械行业中存在着大量的中厚板焊接需求,传统的电弧焊接方法,存在热输入量大、焊接变形大、焊接效率低等缺点。随着工业技术的不断改革创新,针对高效、节能的焊接方式方法的需求逐步扩大,中厚板的焊接对设备及方法提出了更高的要求。窄间隙激光填丝焊接技术作为新兴的焊接方法,具有高效、节能环保等优点,逐渐被应用于实际工业生产,然而,由于激光热源覆盖面积较小对焊接坡口间隙容忍度较小,窄间隙激光填丝焊接技术在设备及焊接工艺上依然存在问题。本文针对挖掘机轴座零部件的焊接问题进行研究,鉴于轴座件是由铸件及锻件两种材料连接而成,试验针对22mm厚Q355B钢—35钢采用窄间隙摆动激光填丝焊接方法进行对接焊接。通过高速摄影设备对坡口内部填丝焊接的熔滴过渡形式及熔池运动状态进行研究,阐述焊接工艺参数对熔池运动状态及熔滴过渡形式的影响;通过研究丝距工件距离(?H)、焊接功率(P)、焊接速度(Vw)、送丝速度(Vf)及坡口钝边厚度(t)获取焊接工艺窗口;通过有限元模拟手段(FEA)获取不同焊接道次温度场、应力场分布状况,为焊接道次优化提供参考;研究摆动频率(Fre)、摆动振幅(a)对焊缝成型的影响,在选定焊接参数下研究对比摆动激光及非摆动激光工艺对焊缝成型、显微组织及力学性能的影响。通过高速摄影辅助手段对熔池内部运动状态及焊丝熔化状态进行观察,丝距工件距离、焊接功率、焊接速度、送丝速度对熔滴过渡形式有较大影响。研究发现,随着焊丝距工件距离的增加,熔滴过渡形式由铺展过渡向液桥过渡、颗粒过渡转变。当?H为1mm时,熔滴过渡形式为液桥过渡。随着焊接功率、焊接速度的增加,熔滴过渡形式由铺展过度向液桥过渡进行转变,随着送丝速度的增加,熔滴过渡形式由液桥过渡向铺展过渡进行转变。采用有限元模拟方法对22mm厚板材进行焊接道次模拟发现,当采用1道自熔焊接+6道填丝焊接方法对22mm厚碳钢板材进行焊接模拟时,可获取熔焊缝熔合效果较好且应力分布均匀的焊接接头。此外,研究发现摆动频率及摆动振幅两个参数对熔池运动状态有较大影响。随着摆动频率及摆动振幅的增大,熔池运动较为剧烈,在熔池受热面积增大的同时也提高熔池的流动性,促进焊缝侧壁及层间的熔合。在摆动激光条件下,焊缝成型质量较好无明显缺陷,焊缝宽度增加约为38.37%;在非摆动条件下焊缝出现侧壁、层间未熔合及不连续气孔等缺陷。在选定焊接参数下,针对22mm厚板材进行1道自熔+6道填丝焊接,对比窄间隙激光填丝焊接及窄间隙摆动激光填丝焊接方法焊接接头显微组织、力学性能发现:较非摆动激光焊接,摆动激光焊接试样焊缝中部主要由针状铁素体、先共析铁素体及少量魏氏体铁素体组成,晶粒细化明显;两者拉伸试样均断裂在Q355B母材处,但摆动激光焊接试样冲击性能提升约为40.4%,且弯曲性能较好并未出现裂纹缺陷。
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