激光-GMAW復(fù)合焊接低合金鋼數(shù)值模擬與試驗研究.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焊接變量對熔池形態(tài)和焊縫形貌等都具有重要影響。熔池形態(tài)的改變又會進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、金屬流動速度迅速并且熔池金屬溫度變化很快，僅僅依靠試驗研究難以獲得熔池內(nèi)的溫度場分布及流體場分布情況以及焊縫金屬的冷卻狀況，因此需要對激光電弧復(fù)合焊接過程進行溫度場與流體場三維數(shù)值模擬以解決上述問題。
　　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。本文通過數(shù)值模擬與試驗分析的方法綜合研究了激光-GMAW復(fù)合焊接低合金

3、鋼全熔透焊時焊接熱輸入量與激光電弧空間距離對熔池形貌、焊縫截面及相應(yīng)的熱循環(huán)過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)、母材金屬對電弧能量的吸收、熔池內(nèi)液態(tài)金屬的湍流流動狀態(tài)、熔池金屬在表面張力及電磁力等作用力的影響下產(chǎn)生的強烈對流及相應(yīng)的熱量傳輸?shù)任锢磉^程。
　　在所建

4、立的三維傳熱與流體流動模型的基礎(chǔ)上，本文計算了激光-GMAW復(fù)合焊接過程中不同焊接速度及激光電弧距離對焊接熔池溫度分布及流體流動的影響。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)的流體流動皆為湍流形式。在不同焊接參數(shù)時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。通過相應(yīng)的試驗結(jié)果驗證了激光-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焊縫溫度場與流體場數(shù)值模擬所得的計算結(jié)果的準(zhǔn)確性。
　　為了研究激光-GMAW復(fù)合焊接過程焊接熱輸入量與熱源空間分布距離對焊縫微觀組織的影響，首先進行了相應(yīng)的試驗研究。在激光-GMAW復(fù)合焊接過程結(jié)束后對所得焊縫分別進行橫剖、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)上對其中各個相的比例進行了測定。為了深入理解焊接過程各個變量對焊縫金屬微觀組織的影響，在試驗研究的基礎(chǔ)上進一步對焊縫金屬在焊縫冷卻時發(fā)生的相變過程進行數(shù)值模擬研究。采用以相變熱力學(xué)和相變動力學(xué)為基礎(chǔ)的數(shù)值模型研究了激光電弧復(fù)合焊接時不同焊接變量對焊縫金屬的微觀組織構(gòu)成及各個組織成分所占比例的影響。數(shù)值模型計算了等溫轉(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，焊縫金屬冷卻曲線與連續(xù)轉(zhuǎn)變曲線的擴散轉(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??；針狀