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激光-GMAW复合焊接低合金钢数值模拟与试验研究

韦辉亮  
【摘要】:激光电弧复合焊接将激光与电弧这两种物理性质与能量传输机制迥异的热源有效组合在一起以获得激光焊接或电弧焊接所不具备的焊接效率与焊接质量。国内外已有的关于激光电弧复合焊接的研究成果表明,激光电弧复合焊接方法中的多个焊接变量对熔池形态和焊缝形貌等都具有重要影响。熔池形态的改变又会进一步影响焊缝金属的冷却速率,从而显著影响最终获得的焊缝金属微观组织及力学性能。目前关于激光电弧复合焊接已有相当多数量的试验研究,然而由于焊接熔池尺寸很小,熔池内液态金属流动速度迅速并且熔池金属温度变化很快,仅仅依靠试验研究难以获得熔池内的温度场分布及流体场分布情况以及焊缝金属的冷却状况,因此需要对激光电弧复合焊接过程进行温度场与流体场三维数值模拟以解决上述问题。目前关于全熔透激光-GMAW(Gas Metal Arc Welding)复合焊接低合金钢的熔池形态、焊缝形貌与焊缝金属微观组织和力学性能的系统研究还很缺乏。本文通过数值模拟与试验分析的方法综合研究了激光-GMAW复合焊接低合金钢全熔透焊时焊接热输入量与激光电弧空间距离对熔池形貌、焊缝截面及相应的热循环过程与焊缝金属微观组织的影响。在综合分析激光小孔焊接与GMAW两种焊接方法的物理过程的基础上建立了激光-GMAW复合焊接数值模型。模型考虑了母材金属对激光能量的吸收、激光小孔的形成、金属在激光小孔内的挥发、母材金属对电弧能量的吸收、熔池内液态金属的湍流流动状态、熔池金属在表面张力及电磁力等作用力的影响下产生的强烈对流及相应的热量传输等物理过程。在所建立的三维传热与流体流动模型的基础上,本文计算了激光-GMAW复合焊接过程中不同焊接速度及激光电弧距离对焊接熔池温度分布及流体流动的影响。当激光电弧距离为1 mm,焊接速度为由40 mm/s降低至30 mm/s和20 mm/s后,熔池宏观尺寸随之增大。当焊接速度为40 mm/s,激光电弧距离由1 mm增大至3mm和5mm后,熔池宏观尺寸亦随之增大。本文所研究焊接参数下熔池内的流体流动皆为湍流形式。在不同焊接参数时湍流黏度在熔池流体循环中速度较大的区域其数值较大;而在各个熔池循环之间的流体速度较小的区域湍流黏度数值亦较小。通过相应的试验结果验证了激光-GMAW复合焊接低合金钢不同焊接热输入量与激光电弧空间距离对焊缝温度场与流体场数值模拟所得的计算结果的准确性。为了研究激光-GMAW复合焊接过程焊接热输入量与热源空间分布距离对焊缝微观组织的影响,首先进行了相应的试验研究。在激光-GMAW复合焊接过程结束后对所得焊缝分别进行横剖、抛光和腐蚀并拍摄不同焊接参数所得的焊缝横截面宏观形貌以及焊缝金属的微观组织,在所得焊缝微观组织形貌的基础上对其中各个相的比例进行了测定。为了深入理解焊接过程各个变量对焊缝金属微观组织的影响,在试验研究的基础上进一步对焊缝金属在焊缝冷却时发生的相变过程进行数值模拟研究。采用以相变热力学和相变动力学为基础的数值模型研究了激光电弧复合焊接时不同焊接变量对焊缝金属的微观组织构成及各个组织成分所占比例的影响。数值模型计算了等温转变曲线曲线与连续转变曲线及相应焊缝的冷却曲线与连续转变曲线的相对位置关系。当激光电弧距离为1 mm,焊接速度分别为30 mm/s和20 mm/s,或激光电弧距离为5 mm,焊接速度为40 mm/s时,焊缝金属冷却曲线与连续转变曲线的扩散转变曲线与移位转变曲线均相交,但并不与马氏体转变曲线相交,因此,最终焊缝组织中出现晶界铁素体、魏氏体与针状铁素体。晶界铁素体在焊缝中所占的体积比例随着焊接速度的降低或热输入量的提高而增大;同一焊缝金属中魏氏体的比例随着热输入量的提高而减小;针状铁素体的比例随着热输入量的提高而减小。当激光电弧距离为1 mm,焊接速度为40 mm/s时焊缝金属冷却曲线与连续转变曲线的扩散转变曲线与移位转变曲线均相交,并且与马氏体转变曲线亦相交。因此,最终焊缝组织中出现晶界铁素体、魏氏体、针状铁素体与马氏体。数值模拟所得焊缝金属各个微观组织比例与试验所得结果吻合良好。


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