奥氏体不锈钢激光焊接过程中残留液体金属的在线观察

激光焊接时较快的冷却速度,有可能促进凝固热裂纹的生成,而凝固热裂纹的生成与凝固温度区间内的残留液体金属行为直接相关.采用由高速摄像机和光学显微镜头组成的摄像装置,针对SUS304,SUS316,SUS310S等3种奥氏体不锈钢激光焊接熔池后端残留液体金属的凝固行为进行高速高倍在线观察,对不同焊接速度下的熔池凝固行为进行了分析,并对3种材料凝固前沿残留液体金属的存在范围进行了量化比较.结果表明,在线观察法可辨别的残留液体金属是固液相共存区间的一部分,在线观察得到的残留液体金属的存在范围与热裂纹试验获得的热裂纹敏感性有较好的对应关系.

填充热丝激光窄间隙焊接的实验研究

将填充热丝应用到高光束质量、长焦距的光纤激光窄间隙焊接中,不锈钢母材通过激光加热,镍基焊丝通过电流加热,有效利用复合热源的优势,提高了焊丝过渡稳定性和熔覆效率。通过高速摄像机对送丝过程进行在线观察,分析工艺参数对焊丝过渡的影响。研究不锈钢和镍基合金异种金属窄间隙焊接接头的凝固组织,并对焊缝金属进行元素分布扫描。研究发现,由焊丝电流和送丝速度等工艺参数决定的送丝稳定性是影响填充热丝激光焊接质量的最主要因素。对于窄间隙焊接,采用与间隙宽度相当的离焦光斑激光热导焊,可形成较好的侧壁熔合,由熔融金属曲面和侧壁构成的激光反射是侧壁熔合的主要原因。焊缝冷却速度较快,焊缝金属的凝固组织呈明显的对生生长,在坡口侧壁附近其生长方向与侧壁近似垂直,焊缝不存在宏观偏析。在间隙底部直角处容易出现未熔合现象,采用底部圆弧过渡的U型坡口后,可较好地解决底部未熔合问题,获得了无宏观缺陷的焊接接头。

基于在线观察的激光焊接凝固热裂纹敏感性研究

激光焊接过程中较快的冷却速度可能会加剧凝固热裂纹的发生。目前对于激光焊接过程中凝固热裂纹敏感性的系统研究还较少,如何准确测量焊接凝固热裂纹发生的临界应变和温度是获得热裂纹敏感性数据的关键。利用基于高速高倍在线摄像的U型热裂纹实验,捕捉到激光焊接过程中凝固热裂纹发生的瞬间,并通过跟踪测量热裂纹尖端附近两点的位移变化获得凝固热裂纹发生的临界应变;同时,在焊接过程中采用在线观察热电偶投入法对焊接熔池后端的温度变化进行了测量。通过改变U型热裂纹实验的拉伸载荷,获得不同温度下热裂纹发生时的临界应变,从而构建表征凝固热裂纹敏感性的韧性曲线。

环形结构激光焊接凝固热裂纹的实验研究和数值模拟

以激光焊接平面环形结构时,在首尾段重叠焊接部分发生的凝固热裂纹为例,采用实验和数值模拟相结合的手段,从冶金和力学2个方面综合研究了环形焊缝凝固热裂纹的发生机理.对凝固热裂纹附近的微观组织进行观察,并用电子背散射衍射对裂纹附近晶粒尺寸进行测量,发现重叠焊缝中心部位晶粒粗大,而粗大晶粒导致焊缝金属凝固时韧性下降.利用有限元数值模拟对平面环形结构激光焊接过程的温度场和应变场进行计算,与单道焊接相比,重叠焊接的焊缝金属在凝固温度区间内冷却速率较低,应变随温度的变化速率较低,产生热裂纹的力学驱动力相应较弱.因此,重叠焊接部分晶粒粗大化导致的低韧性是平面环形激光焊缝凝固热裂纹发生的主要原因.

激光焊接过程中残留液体金属的高速高倍在线观察

采用高速摄像机和光学显微镜构成的摄像装置对激光焊接熔池后端的凝固行为进行高速高倍摄像,详细记录了柱状晶从液态熔池后部析出过程以及残留在已析出柱状晶周围的液体金属的凝固行为.采用液体Sn急冷将焊接过程中正在凝固的焊缝金属冷冻保存到室温,并与高速高倍摄像观察到的熔池后端的凝固行为进行了对比分析.对3种奥氏体不锈钢材料焊缝凝固过程中残留液体金属的存在范围进行了观察和比较.在线观察到的残留液体金属是焊缝金属凝固过程中固/液相共存区间的初始部分,即与熔池相连的较多的液体金属.针对3种不锈钢材料在线观察到的残留液体金属的存在范围与热裂纹实验获得的热裂纹敏感性有较好的对应关系,为发展一种通过在线观察判断材料凝固热裂纹敏感性的方法提供了实验依据.

奥氏体系合金激光焊接凝固裂纹敏感性研究

基于舍弗勒相图系统研究了奥氏体系合金激光焊接凝固裂纹敏感性。利用激光热丝焊工艺制备了含不同化学成分镍基焊丝的焊接接头,借助横向可调拘束实验和温度测量获得了脆性温度区间(BTR),对凝固裂纹敏感性进行定量评估。结果表明,当铬镍当量之比(C_(req)/N_(ieq))从0.1增加到1.2时,脆性温度区间呈现出先增加后减小的趋势,说明凝固裂纹敏感性随着C_(req)/N_(ieq)值的增加先升高再降低。在舍弗勒相图单相奥氏体区域内,中间区域敏感性相对较高,周边区域敏感性相对较低。这是因为焊缝中P+S、Nb和Si等合金元素含量增加,可促使在晶界和亚晶界形成低熔点共晶化合物-偏析液膜,导致凝固裂纹敏感性升高。另外,在一定条件下,Nb对凝固裂纹敏感性的影响要远大于P+S等的影响。