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厚板的焊接已广泛应用于核电工程、船舶制造、油气管道等诸多工业领域,成为必不可少的关键工艺技术。传统的弧焊方法焊接厚板不仅需要加工大角度坡口,更是由此带来了热输入高、焊后变形大及应力集中、焊接效率低、焊材消耗大等一系列问题。窄间隙激光填丝焊仅需加工48°的坡口,热输入低、焊后变形小,且焊丝的填入可以降低拼装间隙的敏感性、调节焊缝金属成分,实现了小功率激光器焊接大厚板。但窄间隙激光填丝焊由于熔池体积小,焊缝深宽比大,焊后易形成气孔及侧壁熔合等缺陷。本文在窄间隙激光填丝焊的基础上施加了超声,利用超声的空化效应及声流效应来调控窄间隙坡口内的等离子体和焊缝成形,从而来改善和提高窄间隙激光填丝焊的接头质量。首先搭建了超声辅助窄间隙坡口内激光填丝焊试验平台,并采用不同的参数进行了焊接工艺试验,通过对焊缝成形的分析,确定了优化的焊接工艺参数范围,从而实现了12mm厚Q345E钢超声辅助条件下的窄间隙激光填丝焊,焊后分析了接头的组织和性能。结果表明:超声可以有效地改善窄间隙激光填丝焊的气孔缺陷,相比常规窄间隙激光填丝焊,超声辅助激光填丝焊焊缝中的气孔率降低了50%,且气孔多集中在起焊处与止焊处。相比未加超声,加载超声条件下的焊缝区晶粒明显细化,热影响区的组织无明显差异。在接头的拉伸试验中,拉伸试样均断裂于母材,焊缝区由于晶粒细化,冲击性能相比激光填丝焊接头提高了约50%,焊缝区硬度也普遍高于激光填丝焊。通过高速摄像及光谱采集的方法研究了超声辅助激光填丝焊过程中等离子体动态特征及焊丝熔化过渡行为,揭示了超声与激光的协同作用机理。随着超声加载位置与焊缝距离的增大,等离子体面积逐渐减小。相比于未加超声,超声辅助情况下等离子体的电子密度和温度均更高,电子密度大约1016cm-31017cm-3,等离子体温度约40006000K。超声的作用增强了匙孔中金属蒸气及等离子体的喷发,因此距离焊缝表面不同位置的等离子体电子密度和温度的变化趋势相比未加超声时更为明显。通过对熔滴过渡特征的分析发现,加载超声的情况下,等离子体和金属蒸气喷发更为剧烈,产生的蒸气喷射力更强,将熔滴吹离了匙孔正上方,熔滴主要在焊丝端部上方及下方长大,对激光的遮蔽及吸收较少,熔池因此能够较长时间的接收激光直接照射,所以焊缝熔深较大,不易形成层间熔合不良缺陷,等离子体的电子密度及温度也较高,熔池存热量较多,延长了气孔的逸出时间,在一定程度上可改善气孔缺陷。随着超声加载位置与焊缝的距离增大,超声的对熔池的作用越来越弱。距离为30mm时,熔滴过渡已经与不加超声时无明显差别。此时焊接过程中蒸气喷射力较弱,熔滴在焊丝端部的前方长大,只有在熔滴过渡结束到本次熔滴还未长大之前,熔池才能接受激光的直接照射,所以焊缝熔深较浅,等离子体的电子密度及温度均较低。