海洋平台用D36钢窄间隙激光填丝焊工艺及接头组织性能研究

作     者：柴旭天 

作者单位：兰州理工大学 

学位级别：硕士

导师姓名：尹燕

授予年度：2021年

学科分类：080503[工学-材料加工工程] 08[工学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0802[工学-机械工程] 080201[工学-机械制造及其自动化] 

主      题：D36钢 窄间隙 激光填丝焊 微观组织 力学性能 

摘      要：D36钢作为一种低合金高强钢,综合力学性能良好,耐腐蚀性能好,因此被广泛运用于海洋平台制造。窄间隙激光填丝焊焊接变形小,焊材消耗少、装配精度低、焊接效率高,可实现低功率焊接大厚板件,作为一种新型的焊接方法,被广泛应用于厚板连接。本文针对40 mm厚的D36低合金高强钢采用窄间隙激光填丝焊接的方式进行焊接。整个焊缝由1道激光自熔打底焊接和7道激光填丝焊接完成。分析了接头各区域的微观组织,并通过室温拉伸、显微硬度、弯曲和低温冲击对接头的力学性能进行了分析。首先,采用单因素试验方法研究了离焦量、激光功率、送丝速度和焊接速度对焊缝熔深、熔宽的影响规律。结果表明,降低焊接速度,或者提高激光功率,焊缝熔深增加明显;增大离焦量、或提高送丝速度,焊缝熔宽增加明显。然后,通过正交试验确定焊接工艺参数为:激光功率为4600 W,焊接速度为5 mm/s,送丝速度为3.2 m/min,离焦量为+20 mm时,可得到优质的焊接接头。试验结果表明,由于激光焊接冷却速度快,焊缝中出现粗大的等轴晶组织,呈现出典型的金属凝固组织特征,其主要组织为先共析铁素体和珠光体;热影响区出现明显的粗晶区和细晶区。焊接热输入大,厚板焊接热量散失快,而粗晶区紧靠焊缝中心,温度急剧升高和降低,导致奥氏体均匀化的时间过短,奥氏体来不及发生扩散性相变,直接发生切变型相变,进而生成了贯穿晶粒的板条状马氏体;细晶区由于受到加热、冷却两次重结晶相变,使得晶粒明显细化。冷却后得到晶粒尺寸细小的珠光体和铁素体。焊缝重叠区域受到二次热循环,被后一道焊缝能量再次熔化,此时的重熔部位受到两侧壁母材和前一道焊缝的冷却,与熔池中心相比,过冷度明显增加,从而导致焊缝层间区域取向紊乱且生成的晶粒更加细小。室温拉伸、弯曲和低温冲击试验结果均符合标准要求。拉伸断裂位置均在母材,经测量,试样平均抗拉强度为534 MPa,平均断后延伸率为15.6%,说明焊缝接头强度高于母材的。焊缝低温冲击的平均冲击功为59 J,符合国家标准。由于热影响区产生大量的马氏体组织,导致热影响硬度明显提升,最高可达到470.3 HV。通过极化曲线比对发现,焊后接头的耐腐蚀性能比母材好,主要是因为焊丝中含有Cu、Cr等耐蚀元素,这些元素的添加,提高了焊接接头的耐蚀性。