高强钢三明治板的激光焊接及其接头性能研究

【摘要】激光焊接薄壁轻量化三明治板是通过激光焊接上下底板和芯板而成的，T型接头和搭接接头的焊接是制造船用三明治板的关键技术之一。为了论证焊接制造金属夹芯板的可行性，结合国内外有关激光焊接三明治结构夹芯板的研究现状，以光纤激光焊接舰船用高强钢三明治板为主要研究对象，通过正交试验法、无损检测、硬度测试、机械性能测试、光学和扫描电子显微镜进行微观组织形貌观察等方法对激光焊接接头的焊接质量、微观组织和机械性能进行了系统的研究，通过合适的焊接工艺焊接得到质量良好的激光焊接三明治板。主要研究激光功率、焊接速度和离焦量对焊缝成形的影响，接头的质量（气孔、夹渣及裂纹等）；分析单道焊接和双道焊接的T型搭接接头焊缝熔敷金属及热影响区的微观组织及分布特征、维氏显微硬度、拉脱性能等，研究单道焊接的T型接头的拉脱试验过程及其拉脱断口形貌和断裂机制；研究激光搭接焊接接头的拉伸剪切强度、剪切断口形貌及断裂机制以及搭接接头搭接面焊缝宽度或约束宽度对试样拉伸后断裂位置的影响等。舰船用高强钢三明治结构板的激光焊接试验表明，适宜的激光焊接参数可以获得成形良好、截面特征尺寸合适的焊缝，实现高强钢三明治结构焊接，焊接效率高，同时接头的组织和力学性能均满足要求；激光功率的增加会逐步增加焊缝的熔深和熔宽，焊接速度的增加则使熔深和熔宽下降，负离焦量越大，熔深、熔宽都减小。显微组织分析表明，焊缝在结晶过程中形成柱状晶，发生马氏体相变，其微观组织为板条马氏体；热影响区宽度约为1mm，粗晶区组织为粗大的板条马氏体和少量残余奥氏体，细晶区组织为板条马氏体、残余奥氏体和少量的析出碳化物。T型搭接接头的显微硬度测试表明，母材硬度约为200~230HV0.2，热影响区的硬度为230~330HV0.2，焊缝金属硬度为330~360HV0.2；激光功率的提高使焊缝和热影响区的微观组织晶粒变大，硬度降低；焊接速度的提高使焊缝和热影响区的微观组织晶粒细化，硬度提高。T型接头的拉脱试验表明，T型接头断口属于兼有韧性断裂和脆性断裂的综合断裂，裂纹从面板和芯板接合处焊缝两侧逐渐扩展至中心，最后在焊缝中心位置发生脆性断裂；T型搭接接头的力学性能主要取决于搭接面的焊缝宽度，在本文试验所用工艺条件下至少要进行3道次以上的单一激光焊，才能保证面板和芯板的接合强度比母材的强度大。激光搭接焊接接头的拉伸剪切试验结果表明，对于一定板宽和板厚的钢板搭接焊接接头，搭接面的焊缝宽度是决定接头拉伸断裂位置的关键因素，随着焊缝宽度的增加，从焊缝剪切断裂变为弯曲部分处的断裂，再到离焊缝较远的母材的断裂过渡。
【作者】杨橄生；
【导师】于治水；
【作者基本信息】上海工程技术大学，材料加工工程，2014，硕士
【关键词】激光焊接；三明治结构；T型接头；显微组织；力学性能；拉伸剪切强度；

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