20Mn2管材的光纤激光焊接及数值模拟

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20Mn2作为一种焊接性良好的结构材料,广泛的应用在汽车减震器管的焊接制造上。国内外对汽车减震器管材焊接方法的研究主要采用的是摩擦焊等焊接方法,目前尚无光纤激光焊接20Mn2管材的相关研究报道。本文针对20Mn2管材,进行了激光焊接、活性激光焊接、激光-TIG复合焊接实验,通过金相显微镜、扫描电镜、显微硬度计、拉伸性能测试、能谱仪(EDS)等分析手段,对焊接接头的组织及性能进行了探讨,并利用有限元分析软件对焊接过程温度场和应力场进行了仿真模拟。首先,研究了20Mn2管材在不同激光功率、焊接速度、离焦量参数下经激光焊接后的接头组织及性能。结果表明:当激光功率为2400W,焊接速度为7.3mm/s,离焦量为0mm时,焊缝熔深为最大值4.56mm,熔宽为最大值2.48mm。当激光功率为1200W,焊接速度为7.3mm/s,离焦量为0mm时,焊缝硬度达到最大值382.4HV1.0。焊缝的主要组织为板条马氏体,热影响区的主要组织为铁素体、珠光体、贝氏体和板条马氏体。在激光焊接实验基础上,进行了活性激光焊接正交实验,得到了36.36%SiO2,36.36%TiO2,9.09%Cr2O3,18.18%NaF的最佳活性剂配比,使用此配方活性剂后,焊缝熔深比未涂敷活性剂时增大了24.9%,焊缝显微硬度比未涂敷活性剂时提高了21.8%,接头的抗拉强度和延伸率分别达到最大值827.9MPa和13.9%。焊缝成分中出现了O和Si,与活性剂增加熔深的理论完全一致。其次,研究了20Mn2管材在不同激光功率、焊接电流参数下经激光-TIG复合焊接后的接头组织与性能。结果表明:当激光功率为2500W,焊接电流为80A时,焊缝熔深达到最大值4.28mm,激光功率对熔宽影响不大;当焊接电流为40A,激光功率为1300W时,焊缝熔宽为最小值1.68mm,焊缝硬度达到最大值372.6HV1.0。焊缝的主要组织同样为板条马氏体,热影响区的主要组织为铁素体、珠光体、贝氏体和板条马氏体。最后,利用有限元软件对20Mn2管材的激光焊接和激光-TIG复合焊接进行了温度场和应力场的仿真模拟,并与实验结果进行了对比验证。结果表明:激光焊接和激光-TIG复合焊接的温度场和应力场分布极为相似。激光焊接过程中,焊缝中心可达到的最高温度为2401℃,等效应力最大值为215.9MPa,在管材的激光-TIG复合焊接过程中,焊缝中心可达到的最高温度为2766℃,等效应力最大值为216.5MPa,焊缝宏观形貌的模拟结果与实验结果基本吻合。
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