激光全熔透焊接304不锈钢的熔池及温度场特征研究

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1、中文摘要激光焊接技术作为一门新的材料加工技术，与传统的焊接方法相比具有能量密度高、焊接速度快、焊缝深宽比大、热影响区窄及焊件变形小等优点。近些年，由于大功率激光器的快速发展，使激光焊接成为现代工业制造领域中重要的加工手段，并具有广阔的发展潜力。激光焊接过程中的熔池特征量及温度场与焊接工艺参数以及焊缝的质量之间有内在的联系。因而本文采用试验与计算相结合的方法研究了不同激光焊接条件下熔池的特征量及温度场的变化，这不仅增加了对熔池与焊接参数及焊接结果之间的关系的理解，而且还达到了用比较简单而适用的办法获得能在实际焊接中预测激光焊接熔池及温度场的模型。根据目前激光深熔焊接熔池及温度场的主要数学

2、模型的特点，结合本文的研究目标，选取了Rosenthal移动线热源作为本文的热源模型，同时，对Rosenthal移动线热源模型直接用于激光全熔透焊接中的局限性进行分析，并以移动线热源的解析解为基础，采用引入等效参量办法使激光全熔透焊接熔池温度场和特征量的计算结果与实际结果更加接近，并用之来作为激光全熔透焊接熔池及温度场的预测模型。首先通过试验，针对不同的焊接条件对304不锈钢的C02激光焊接过程及结果进行了分析，结果表明焊接线能量与焊缝成形及其组织关系密切。同时利用高速摄像所获得的熔池正、背面特征量的测量结果分别对基于Rosenthal移动线热源模型正、背面的等效系数进行了确定，在此基

3、础上建立了相应的熔池及温度场预测模型。结果表明，线能量在一定的范围时，预测结果与实测结果得到很好的吻合，但线能量过大或过小时，等效系数要进行相应的修正。这主要是由于熔透焊接中不同的熔透状态下，小孔特征的变化导致焊件吸收的能量发生变化而引起的。利用上述的熔池及温度场预测模型对相应线能量下的焊缝中心点的热循环进行了计算，其结果表明：线能量越大，该点在熔点处的冷却速度越小，在800"C～500。C(＆，；)的冷却时间也越长，这也很好解释了为什么线能量越大时，焊缝组织晶粒会变得粗大。进一步研究激光功率和焊接速度、板厚、保护气对熔焊接池温度场的影响，以及对熔池及温度场预测模型在不同焊接条件下的适

4、用效果进行了讨论，并分析了相应焊接条件下模型中等效参量的变化规律，然后利用相应焊接条件下的预测模型对焊缝中心点的热循环进行了计算。同时针对YAG激光全熔透焊接304不锈钢，获得了不同线能量下的熔池及温度场预测模型，利用相应线能量下的预测模型对焊缝中心点的热循环进行计算，并对线能量与熔池及温度场特征、焊缝中心点的热循环以及最终的焊缝成形及焊缝组织之间的关系进行分析，可以发现预测结果与试验结果是相符的。在相同的焊接参数下，比较了C02激光和YAG激光焊接结果、熔池特征及温度场预测模型，发现两种激光热源由于金属蒸气及等离子体的影响不同，其焊缝成形特点、熔池特征及预测模型参量都有很大的不同，因

5、此应该作为两种热源过程来建立模型。关键词：激光全熔透焊接，304不锈钢，熔池，温度场ⅡAbstractAsanewtechnologyofmaterialprocessing，laserweldinghasadvantages，suchashighenergydemity,highweldingspeed，highdepth—to—widthratio，narrowheataffectedzoneandsmallweldingdistortion．Inrecentyears，duetotherapiddevelopmentofhigh—powerlaser,thelaserweldin

6、gisbecominganimportantprocessingmethodinthefieldofmodemindustrialmanufacturing，andhasvastpotentialfordevelopment．Featuresofthemoltenpoolandtemperaturefieldhavecloserelationshipwithweldingparametersandweldqualityduringlaserwelding．Therefore，inthispaper,bothexperimentalandcalculatedmethodswereused

7、inordertoinvestigatethechangesoffeaturesofthemoltenpoolandtemperaturefieldindifferentlaserweldingconditions．TheresearchnotonlyCanbenefittoincreasetheunderstandingoftherelationshipamongmoltenpools，weldingparametersandweldingr