高氮奥氏体不锈钢光纤激光焊接工艺试验研究

摘要

激光焊能量密度高，焊接速度快，焊缝深宽比大、热影响区窄、焊接热变形小，且无需真空。光纤激光焊接更是具有柔性化的光纤传输优势，正成为研究和应用的热点。高氮钢利用氮元素替代镍，在室温甚至低温下获得单相奥氏体组织，具有高强、高韧、高耐蚀性的特点。针对高氮钢在普通熔焊过程中易产生的氮损失等焊接问题，本文对12mm厚的高氮奥氏体不锈钢进行了光纤激光焊接工艺试验的研究，成果如下:
　　探究了影响高氮钢焊接质量的主要工艺参数，发现激光功率是最主要的影响因素，决定了焊缝的熔透状态;其次是焊接速度，当焊接速度过快时，焊缝表面产生焊瘤缺陷，且内部气孔严重;离焦量是第三大影响因素，直接决定了热影响区的宽窄;最后是保护气的种类，当使用N2保护时，焊接表面鱼鳞纹形貌明显，焊缝内部气孔有所改善。通过单因素控制变量的试验方法，总结出最佳焊接工艺参数:激光功率8kW，离焦量+2mm，焊接速度0.84m/min，保护气为20L/min的N2。此时焊缝氮含量高达0.556％，约达母材的90％;在此基础上，适当进行激光束的倾斜，能更进一步增加焊缝中的氮含量，使氮含量增加至0.564％，但增加量微小。
　　根据激光深熔焊的机理，探究了高氮钢厚板光纤激光焊接过程中的气孔问题，分析了其产生机理、模型特征以及影响因素，在保证小孔熔透的前提下，选择较小的激光功率与焊接速度，改变激光束的倾角，前倾10°～30°，选择N2保护，能有效减少焊缝内部气孔。
　　对最佳工艺参数下的焊接接头组织与性能进行研究，结果表明高氮钢光纤激光焊焊缝组织为树枝晶状的单相奥氏体，晶粒沿着极大的温度梯度方向垂直向焊缝中心生长，方向性显著。焊缝晶粒尺寸相当小，基本没有氮化物析出。焊接热影响区非常窄，约为50μm。焊缝硬度较母材有所降低，约为320HV;热影响区硬度高于焊缝，但略低于母材。焊接接头发生韧性断裂，抗拉强度略低于母材，约为1064MPa。

目录

声明

摘要

1 绪论

1．1 引言

1．1．1 激光加工概况

1．1．2 激光焊接技术概述

1．1．3 高氮奥氏体不锈钢特性概述

1．2 高氮钢焊接研究现状

1．2．1 高氮钢焊接国内研究现状

1．2．2 高氮钢焊接国外研究现状

1．3 课题来源与意义

1．4 课题主要研究工作

2 试验材料、方法及设备

2．1 试验设备与材料

2．1．1 试验设备

2．1．2 试验材料

2．2 辅助装置设计

2．2．1 焊接夹具设计

2．2．2 背面保护气装置设计

2．3 工艺试验设计

2．3．1 总体设计

2．3．2 单因素控制变量试验

2．3．3 X射线无损检测

2．3．4 焊缝氮含量的检测

2．4 本章小结

3 激光焊工艺参数对焊缝成型的影响

3．1 激光功率

3．2 焊接速度

3．3 离焦量

3．4 保护气

3．5 本章小结

4 焊缝气孔形成机理及抑制措施

4．1 气孔特征及其产生机理

4．2 影响气孔的因素及其改善方法

4．3 本章小结

5 焊接接头组织与性能检测

5．1 焊接接头金相组织分析

5．1．1 金相试样制备

5．1．2 焊接接头显微组织特征

5．2 焊缝X射线衍射分析

5．3 力学性能测试

5．3．1 显微硬度

5．3．2 拉伸性能

5．3．3 冲击性能

5．4 本章小结

结论

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文和出版著作情况