【摘 要】
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大厚度高强钢广泛应用于船舶的制造,焊接是其制造过程中的关键工艺。近年来窄间隙激光填丝焊接技术兼具窄间隙焊接与激光焊接共同优势:填充量少、能量集中、焊接速度快、热输入小、变形小,在厚壁构件焊接中得到研究人员的青睐,发展前景广阔。但在10Ni5CrMoV钢窄间隙激光填丝焊试验中,焊缝中心易出现凝固裂纹,然而对于导致凝固开裂的主要原因尚不清楚。因此本文主要针对高强钢窄间隙焊接中的凝固裂纹问题,研究其形成
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大厚度高强钢广泛应用于船舶的制造,焊接是其制造过程中的关键工艺。近年来窄间隙激光填丝焊接技术兼具窄间隙焊接与激光焊接共同优势:填充量少、能量集中、焊接速度快、热输入小、变形小,在厚壁构件焊接中得到研究人员的青睐,发展前景广阔。但在10Ni5CrMoV钢窄间隙激光填丝焊试验中,焊缝中心易出现凝固裂纹,然而对于导致凝固开裂的主要原因尚不清楚。因此本文主要针对高强钢窄间隙焊接中的凝固裂纹问题,研究其形成机制并提出抑制措施,对实现大厚度高强钢的高效优质焊接具有重要理论意义和应用价值。本文以20mm厚10Ni5CrMoV钢为主要试验材料,首先研究了激光功率、焊接速度、送丝速度、摆动方式、坡口底部宽度对焊缝成形以及裂纹敏感性的影响。研究结果表明在送丝速度为6m/min下,激光功率5-6kW以及焊速0.45-0.6m/min时,裂纹敏感性较高;在0.8m/min的焊接速度下,送丝速度与坡口底宽对裂纹敏感性影响较小;不同摆动方式对裂纹敏感性无显著影响。对比不同工艺条件焊缝的深宽比与熔合比,两者与裂纹的形成无对应关系。针对凝固裂纹的形成机制进行了研究。结果表明焊缝中膨胀区的尺寸及位置与凝固裂纹形成密切相关,膨胀区宽度Wmax和距焊缝表面的距离d会改变焊缝各个位置凝固顺序,从而决定了焊缝最后凝固点的位置。如果最后凝固点在焊缝内部,其周围液相已经凝固,最后凝固点在应力作用下拉开且无多余液相补充就会形成裂纹。进而提出膨胀角来衡量膨胀区的膨胀程度,通过测量膨胀区尺寸并结合裂纹情况得出基于膨胀角β的裂纹几何判据,当膨胀角30°＜β＜60°易产生凝固裂纹,其他情况不开裂。并采用1000MPa级高强钢进行窄间隙焊接证明了理论分析的可靠性,结果表明当20°＜β＜40°之间易发生开裂,说明不同钢种判据的范围不同,30°＜β＜60°仅适用于10Ni5CrMoV钢。基于裂纹形成机制提出调整焊接工艺改变膨胀角β大小来抑制凝固裂纹。首先建立了工艺-膨胀角-裂纹三者之间的关系,得到了β＜30°工艺区间为:激光功率 3.8-4.5kW,焊速 0.36-0.6m/min,送丝速度 6.2-7.5m/min 或激光功率 6.5-8kW,焊速0.75-1.0m/min,送丝速度6.2-8m/min,β＞60°的工艺区间为:激光功率6.5-8kW,焊速0.6-0.75m/min,送丝速度4-5.5m/min。最终对上述工艺区间进行验证,,获得无凝固裂纹焊缝且符合凝固裂纹判据。
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