纵向磁场作用下中厚板激光-电弧复合焊接工艺及机理研究

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相较于传统的电弧焊接,激光-电弧复合焊接具有连接效率高和桥接能力好等优势。然而,当进行中厚板激光-电弧复合焊接时,接头仍会存在接头成形不良、组织粗化和层内/层间性能不均匀等问题,难以满足不断提高的成形和服役要求。外加磁场由于能调控焊接过程和凝固组织,已成为近年来优化焊接成形和提高接头性能的新型方法和研究热点。基于此,本文采用外加纵向磁场辅助激光-电弧复合焊接的方法,以316L不锈钢为对象,采用高速摄像研究磁场对激光-电弧焊接过程的影响,接着通过组织表征和性能测试设备分析接头成形、微观组织和力学性能,最后基于带电粒子/电流与磁场的交互作用和凝固理论分析接头成形和组织演变的形成机制。获得的研究结果如下:(1)揭示了磁场对激光-电弧复合焊接中电弧形态和熔滴过渡的作用:在磁场与电流产生的周向安培力的作用下,熔滴发生旋转;在有效势能、离心力和表面张力的作用下,熔滴指向和形态发生改变。同时,激光使带电粒子和电流聚集于匙孔附近,在洛伦兹力的作用下,带电粒子的单侧聚集形成电弧偏摆现象。(2)揭示了磁场对接头热影响区和焊缝区组织演变的作用:磁场改变熔合线形状并减小热影响区宽度;磁场促使焊缝柱状区晶粒细化,并伴随着生长方向和取向的多样化。磁场在熔合线处促进枝晶“破碎”和取向多样化,在焊缝区抑制枝晶连续生长、增多特殊取向晶界并降低残余应力。(3)揭示了磁场对接头层间组织外延生长的作用:磁场促进CET行为、抑制柱状晶生长并细化晶粒,进而改变晶粒生长方向、提高晶界分布均匀性,降低应力水平并提高应力分布均匀性。磁场促进枝晶形态的紊乱和扭曲,抑制枝晶连续生长,使晶体取向偏离“立方”织构。(4)建立了电流与磁场的交互作用对接头成形和组织生长的作用机制:磁场与电流横向分量作用产生安培力促进熔池中部熔深位置的环流,进而改变焊缝形状,促进散热,减小高温持续时间,降低热影响区宽度。同时,基于熔合线形状和电流分布特征,熔池凝固前沿的过冷度、电流和电磁搅拌共同影响焊缝凝固组织形态。(5)针对10mm厚316L不锈钢,采用激光(1000W)-电弧(150A)复合焊接技术,在18m T强度的纵向磁场下,层内组织的抗拉强度上升6.29%,层间组织的延伸率和抗拉强度分别上升100%和6.13%;焊缝上层和下层硬度平均值分别提高4.12%和4.65%,二者区域的硬度分布均匀性分别上升25.53%和2.28%;层间上部区域硬度分布均匀性提升20.55%;接头缺口弯曲中的塑性功和断裂功分别上升51.24%和50.23%,焊缝层间和层内组织的裂纹敏感性显著降低。
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