激光-GMAW復(fù)合焊接低合金鋼數(shù)值模擬與試驗(yàn)研究.pdf

1、激光電弧復(fù)合焊接將激光與電弧這兩種物理性質(zhì)與能量傳輸機(jī)制迥異的熱源有效組合在一起以獲得激光焊接或電弧焊接所不具備的焊接效率與焊接質(zhì)量。國(guó)內(nèi)外已有的關(guān)于激光電弧復(fù)合焊接的研究成果表明，激光電弧復(fù)合焊接方法中的多個(gè)焊接變量對(duì)熔池形態(tài)和焊縫形貌等都具有重要影響。熔池形態(tài)的改變又會(huì)進(jìn)一步影響焊縫金屬的冷卻速率，從而顯著影響最終獲得的焊縫金屬微觀組織及力學(xué)性能。目前關(guān)于激光電弧復(fù)合焊接已有相當(dāng)多數(shù)量的試驗(yàn)研究，然而由于焊接熔池尺寸很小，熔池內(nèi)液態(tài)

2、金屬流動(dòng)速度迅速并且熔池金屬溫度變化很快，僅僅依靠試驗(yàn)研究難以獲得熔池內(nèi)的溫度場(chǎng)分布及流體場(chǎng)分布情況以及焊縫金屬的冷卻狀況，因此需要對(duì)激光電弧復(fù)合焊接過(guò)程進(jìn)行溫度場(chǎng)與流體場(chǎng)三維數(shù)值模擬以解決上述問(wèn)題。
　　目前關(guān)于全熔透激光-GMAW(Gas Metal Arc Welding)復(fù)合焊接低合金鋼的熔池形態(tài)、焊縫形貌與焊縫金屬微觀組織和力學(xué)性能的系統(tǒng)研究還很缺乏。本文通過(guò)數(shù)值模擬與試驗(yàn)分析的方法綜合研究了激光-GMAW復(fù)合焊接低合金

3、鋼全熔透焊時(shí)焊接熱輸入量與激光電弧空間距離對(duì)熔池形貌、焊縫截面及相應(yīng)的熱循環(huán)過(guò)程與焊縫金屬微觀組織的影響。在綜合分析激光小孔焊接與GMAW兩種焊接方法的物理過(guò)程的基礎(chǔ)上建立了激光-GMAW復(fù)合焊接數(shù)值模型。模型考慮了母材金屬對(duì)激光能量的吸收、激光小孔的形成、金屬在激光小孔內(nèi)的揮發(fā)、母材金屬對(duì)電弧能量的吸收、熔池內(nèi)液態(tài)金屬的湍流流動(dòng)狀態(tài)、熔池金屬在表面張力及電磁力等作用力的影響下產(chǎn)生的強(qiáng)烈對(duì)流及相應(yīng)的熱量傳輸?shù)任锢磉^(guò)程。
　　在所建

4、立的三維傳熱與流體流動(dòng)模型的基礎(chǔ)上，本文計(jì)算了激光-GMAW復(fù)合焊接過(guò)程中不同焊接速度及激光電弧距離對(duì)焊接熔池溫度分布及流體流動(dòng)的影響。當(dāng)激光電弧距離為1 mm，焊接速度為由40 mm/s降低至30 mm/s和20 mm/s后，熔池宏觀尺寸隨之增大。當(dāng)焊接速度為40 mm/s，激光電弧距離由1 mm增大至3mm和5mm后，熔池宏觀尺寸亦隨之增大。本文所研究焊接參數(shù)下熔池內(nèi)的流體流動(dòng)皆為湍流形式。在不同焊接參數(shù)時(shí)湍流黏度在熔池流體循環(huán)中速

5、度較大的區(qū)域其數(shù)值較大；而在各個(gè)熔池循環(huán)之間的流體速度較小的區(qū)域湍流黏度數(shù)值亦較小。通過(guò)相應(yīng)的試驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了激光-GMAW復(fù)合焊接低合金鋼不同焊接熱輸入量與激光電弧空間距離對(duì)焊縫溫度場(chǎng)與流體場(chǎng)數(shù)值模擬所得的計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　為了研究激光-GMAW復(fù)合焊接過(guò)程焊接熱輸入量與熱源空間分布距離對(duì)焊縫微觀組織的影響，首先進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究。在激光-GMAW復(fù)合焊接過(guò)程結(jié)束后對(duì)所得焊縫分別進(jìn)行橫剖、拋光和腐蝕并拍攝不同焊接參數(shù)所得的

6、焊縫橫截面宏觀形貌以及焊縫金屬的微觀組織，在所得焊縫微觀組織形貌的基礎(chǔ)上對(duì)其中各個(gè)相的比例進(jìn)行了測(cè)定。為了深入理解焊接過(guò)程各個(gè)變量對(duì)焊縫金屬微觀組織的影響，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)焊縫金屬在焊縫冷卻時(shí)發(fā)生的相變過(guò)程進(jìn)行數(shù)值模擬研究。采用以相變熱力學(xué)和相變動(dòng)力學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值模型研究了激光電弧復(fù)合焊接時(shí)不同焊接變量對(duì)焊縫金屬的微觀組織構(gòu)成及各個(gè)組織成分所占比例的影響。數(shù)值模型計(jì)算了等溫轉(zhuǎn)變曲線曲線與連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線及相應(yīng)焊縫的冷卻曲線與連續(xù)轉(zhuǎn)

7、變曲線的相對(duì)位置關(guān)系。
　　當(dāng)激光電弧距離為1 mm，焊接速度分別為30 mm/s和20 mm/s，或激光電弧距離為5 mm，焊接速度為40 mm/s時(shí)，焊縫金屬冷卻曲線與連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線的擴(kuò)散轉(zhuǎn)變曲線與移位轉(zhuǎn)變曲線均相交，但并不與馬氏體轉(zhuǎn)變曲線相交，因此，最終焊縫組織中出現(xiàn)晶界鐵素體、魏氏體與針狀鐵素體。晶界鐵素體在焊縫中所占的體積比例隨著焊接速度的降低或熱輸入量的提高而增大；同一焊縫金屬中魏氏體的比例隨著熱輸入量的提高而減?。会槧?/p>