304不锈钢作为一种重要的工业材料,由于其具有优良的机械性能以及耐腐蚀性,在常压容器、船舶部件、核工业以及机械仪表等领域得到了广泛应用。为了适应尽可能多的场合,不锈钢板的连接显得十分重要,而焊接即为最有效的连接方法之一。由于目前液压站油箱的焊接主要依靠传统手工电弧焊、氩弧焊,存在着各种问题,严重制约着油箱的使用性能。与以上这些传统的焊接技术相比,激光焊拥有热输入量小、热变形以及残余应力小、焊接效率高等一系列优点,将能实现更优的焊接质量,替代传统的焊接技术。此外,由于焊缝的机械性能由其宏观形貌、微观组织所决定,而机械性能又是评估焊接接头质量的重要指标。因此,对激光焊接接头的宏观形貌、微观组织、机械性能做进一步的研究与分析将对提高焊接的工艺性以及获得优良的焊接接头具有重要意义。本文首先是建立了适合于304不锈钢中厚板激光深熔焊接的组合热源模型和有限元分析模型,实现了 304不锈钢中厚板激光深熔焊温度场的数值模拟。接着采用3300W大功率光纤激光器对6mm厚的304不锈钢板进行焊接工艺实验研究,对焊接接头的宏观形貌、组织、显微硬度、抗拉强度等进行了详细的研究,并对相关的机理作了讨论分析。研究了功率、焊速的变化对焊缝表面形貌以及焊缝尺寸的影响;对比了焊接接头不同区域形成的微观组织特征,结合焊接温度场对其进行阐述,研究了焊接工艺参数对激光焊接接头焊缝微观组织的影响;分析了焊接接头的硬度场特征,研究了不同工艺参数对焊接接头机械性能(硬度、抗拉强度)的影响规律,并对拉伸断口进行扫描以分析其断裂模式。研究内容如下:(1)根据激光深熔焊特有的“钉头”焊缝形状,建立了高斯面热源与圆柱体热源叠加的组合热源模型,采用焊接仿真软件Simufact.welding实现了 304不锈钢中厚板激光深熔焊温度场的数值模拟。首先将数值模拟得到的熔池形貌与实际工艺实验下的熔池形貌进行比较,在验证热源模型准确性基础上,探究了激光焊接温度场的分布特征;而在微观方面,通过从母材到焊缝不同区域取点,得出不同区域的温度循环曲线,主要得出不同区域的温度场温度梯度以及冷却速度,旨在探究出温度场与后续工艺实验中焊缝微观组织的联系。(2)采用单因素实验方法,探索了焊接工艺参数对焊缝宏观形貌的影响,结果表明:随着激光功率的增加,焊缝完成了由未熔透状态过渡到适度熔透状态,最后再到过熔透状态的一个转变,焊缝熔深、熔宽呈现逐渐增大的趋势。而随着焊接速度的增大,焊缝完成了由过熔透状态过渡到适度熔透状态再到未熔透状态的一个转变,焊缝熔深和熔宽呈现逐渐减小的趋势;研究还发现,在焊件未焊透状态向焊透状态过渡时出现了正面熔宽的“逆生长”现象,这主要是因为焊缝未焊透时,入射激光能量大量集中在焊缝上部所引起的。(3)通过对激光焊接接头的微观组织进行研究,结果表明:304不锈钢焊接接头的组织与母材截然不同,为奥氏体与少量的铁素体组成,根据与母材晶粒的比较可知焊缝的热影响区晶粒粗化并不明显,焊缝中心、焊缝边缘的结晶形态分别为等轴晶和柱状晶;同时,功率以及焊速都在一定程度上影响着焊缝的微观组织。当激光功率由2500W增加到3300W时,柱状晶的宽度及中心等轴晶尺寸不断增大,当焊接速度由5mm/s增大至25mm/s时,熔合线附近柱状晶的宽度及焊缝中心等轴晶尺寸均有减小的趋势。(4)通过对焊缝的显微硬度进行研究,研究结果表明:304不锈钢焊接接头不同区域显微硬度并不均匀,显微硬度场大致呈“n”形分布,与母材相比,焊缝区硬度明显增高,这与焊缝、母材晶粒尺寸的大小有关。当焊接速度一定,激光功率由2500W增加至3300W时,焊缝的平均显微硬度整体呈下降趋势,当功率固定不变,焊接速度由5mm/s增加到25mm/s时,焊缝的平均显微硬度整体呈上升趋势。(5)通过对焊接接头的抗拉强度进行研究,实验结果表明,当焊接速度为15mm/s,功率为2900W时,由于焊缝的宏观形貌良好且晶粒细小,焊缝的拉伸强度最高,达到711.5MPa,达到母材强度(729MPa)的97.5%,能够满足使用要求;随焊接速度、功率的增加,各焊接接头的拉伸强度呈先上升后下降趋势,这与焊缝宏观形貌上存在的缺陷以及焊缝晶粒的大小有着密切的联系;通过对拉伸断口进行断面形貌分析,发现断口有大量的韧窝花样,为典型的韧性断裂。