【文章內(nèi)容簡介】 款3鋼板。自體GTA焊接的開展提供這種鋼的激光焊接的基準(zhǔn)。顯微組織和力學(xué)性能，如拉伸強(qiáng)度、硬度、和在焊接條件下研究了沖擊韌性的焊接構(gòu)件?；谝苿芋w積熱源模型模擬也進(jìn)行了量化的焊接熱循環(huán)對微觀結(jié)構(gòu)的變化在自體激光焊接在SA508鋼的影響。數(shù)值的解決方案是使用商業(yè)軟件ANSYS生成，并與實驗結(jié)果進(jìn)行了比較，驗證了數(shù)值模型。驗證的模型，然后用于預(yù)測的激光焊接的熱歷史。本文介紹了實驗和建模，并報告了這項工作所產(chǎn)生的初步結(jié)果。2。材料與實驗程序作為收到的基體材料（BM）在這項研究中使用的是調(diào)質(zhì)SA508 。SA508條款3鋼的化學(xué)成分如表1。碳當(dāng)量（CE）是一個參數(shù)，通常用于評價鋼的焊接性，它被定義為合金元素除碳的碳當(dāng)量濃度的百分比，從鋼的淬透性的觀點(diǎn)。根據(jù)參考文獻(xiàn)[ 22 ]計算調(diào)查的鋼的CE，并給出：從表1看出，SA508 CE 。MS（馬氏體轉(zhuǎn)變開始溫度在420 C）176。根據(jù)鈴木?的連續(xù)冷卻轉(zhuǎn)變曲線（CCT）508級3圖。條款1鋼[ 23 ]。AC1和Ac3溫度約700176。C和800176。C，分別。光學(xué)顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）對基地SA508鋼的顯微組織圖像都顯示在圖1（a）和（b），分別。標(biāo)本機(jī)械拋光和蝕刻在2%硝酸溶液?；w材料的微觀結(jié)構(gòu)（BM）是一個暴躁的上貝氏體結(jié)構(gòu)。細(xì)小的析出物由不同的研究人員已經(jīng)確定，他們是M7C3和M23C6 [ 6 ]、[ 12 ]和[ 24 ]。作為收到SA508 （EDM）焊接試驗。自體激光焊接材料的尺寸大約是6毫米，100毫米和50毫米手動自體GTA焊接約2毫米50毫米100毫米。實驗使用連續(xù)波光纖激光器進(jìn)行（IPG yls16000）與一個16千瓦的最大功率。光束參數(shù)乘積為10毫米毫弧度的處理纖維300μ米直徑。從光纖的一端發(fā)射的激光束被準(zhǔn)直由一個150毫米焦距的鏡頭，然后聚焦到試樣表面用鏡頭用400毫米焦距。，分別。激光頭安裝在一個六軸庫卡機(jī)器人。激光焊接的示意圖如圖所示。350 GTA焊接電源是用于手動自體GTA焊接實驗。在焊接前，樣品被噴砂去除氧化物層。噴砂處理后，用丙酮清洗表面，然后將基體材料固定，以保證充分的約束。自體激光焊接和點(diǎn)焊進(jìn)行。在焊接過程中保護(hù)熔池，用氬氣保護(hù)試樣的頂部和背面。焊接接頭的宏觀結(jié)構(gòu)和焊縫的微觀結(jié)構(gòu)是利用光學(xué)金相顯微鏡檢查（KEYENCE vhx500f）和飛利浦XL 30掃描電子顯微鏡（SEM）。表面硬度測量使用Struers duramin2維氏顯微硬度計進(jìn)行。在焊縫的顯微硬度分布進(jìn)行測量，分別位于頂部，在激光焊接接頭的宏觀截面中部和底部，并在焊接在板厚中間位置為手動GTA焊接接頭。使用負(fù)載3公斤，停留一段時間10 s的維氏顯微硬度機(jī)測試硬度（Struers duramin2）。三測量每個縮進(jìn)以最小化誤差進(jìn)行。，并在BM 。對接收的母材和焊接試樣的靜態(tài)拉伸強(qiáng)度評價標(biāo)本根據(jù)ASTM E8M04產(chǎn)生。子尺寸夏比沖擊試驗樣品的制備在BS EN 100451:1990意圖。缺口位于熔合區(qū)，以測試激光焊接樣品的焊接金屬的韌性。這些沖擊試樣的寬度是由板塊焊接厚度的限制，即6毫米。每一個測試是重復(fù)的三個單獨(dú)的和名義上相同的優(yōu)惠券，以減少不確定性。夏比和交叉焊縫拉伸試樣從電火花加工過程中使用的焊接穩(wěn)定狀態(tài)的區(qū)域提取。所提取的樣品的基體材料和焊接樣品的大小和形狀如圖3所示。焊接鋼筋的臉和根部焊縫試樣的地區(qū)由手工打磨砂紙在拉伸和夏比沖擊試驗進(jìn)行刪除。進(jìn)行拉伸試驗在Instron 4507號模型電子萬能試驗機(jī)在室溫下。夏比沖擊試驗的基礎(chǔ)材料和焊接的樣品上進(jìn)行茲維克Roell夏比沖擊試驗機(jī)在?40176。C，?20176。C、0 C和176。室溫。每一張優(yōu)惠券在測試前的半小時內(nèi)舉行相關(guān)的測試，以確保整個樣品的溫度均勻一致。以下的拉伸強(qiáng)度和沖擊韌性試驗，所有的斷裂面測試標(biāo)本用Zeiss EVO 50 SEM設(shè)有X射線能譜儀（EDX），研究了斷口形貌和確定斷裂模式。最初的試驗進(jìn)行了使用珠的板的配置，而不是加入兩個不同的板，以優(yōu)化焊接參數(shù)。的激光功率為4千瓦。激光焦點(diǎn)設(shè)置在板的頂部表面的2毫米。使用氬氣保護(hù)氣體，氣體流速為12升/分鐘和8升/分鐘，分別保護(hù)使用的頂部表面和在焊縫側(cè)的焊縫。激光頭由8個傾斜傾斜，以防止反射。焊接后，焊縫被切割，并準(zhǔn)備作為金相樣品，以評估焊接珠的完整性。在圖4中給出了不同焊接參數(shù)的結(jié)果。檢查的焊接參數(shù)的不同的焊接參數(shù)顯示，可以接受的焊縫輪廓，。優(yōu)化的焊接參數(shù)在表2中概述。自體激光對接焊接6毫米SA508鋼采用這些優(yōu)化的焊接參數(shù)進(jìn)行。350 GTA焊接電源是用于焊接2毫米厚的鋼板508。手動自體GTA焊接進(jìn)行提供最好的比較自體激光焊接。與2毫米的厚度板被用在GTA焊接固有的淺層滲透，雙面焊接進(jìn)行了。焊接參數(shù)在表3中概述。3。結(jié)果。宏觀結(jié)構(gòu)特征SA508鋼焊接接頭的自體激光對接結(jié)構(gòu)，采用優(yōu)化的參數(shù)，如圖5所示。可以看出，焊縫兩側(cè)的熔合線幾乎是平行的，這是小孔焊接的特點(diǎn)。沒有任何證據(jù)的缺陷，如孔隙度或削弱。接頭可以分為幾個不同的區(qū)域，如冶金，熔合區(qū)（FZ）在中心，熱影響區(qū)（HAZ）與基體材料（BM）。熔合區(qū)由粗大的柱狀枝晶顆粒組成，其與垂直于熔合邊界的方向?qū)?zhǔn)。最大熱流方向為垂直于熔合邊界，晶粒趨向于向上生長最快，在熔合區(qū)內(nèi)的柱狀晶組織中有25和26。在光學(xué)顯微鏡下，它被觀察到的晶粒尺寸隨距離從焊縫中心線。焊接熱影響區(qū)可進(jìn)一步劃分為三個不同的區(qū)域：粗晶熱影響區(qū)（CGHAZ）（靠近熔合線），細(xì)晶熱影響區(qū)（FGHAZ）和兩相區(qū)（ICHAZ）相鄰的BM。一個宏觀部分通過手工自體GTA焊接2毫米厚的SA508鋼如圖6所示。由于有限的穿透深度在GTA焊接，雙面自手動GTA焊接應(yīng)用。在熔合區(qū)和熱影響區(qū)寬度大于6毫米厚的激光焊縫寬得多。微觀結(jié)構(gòu)特征焊接接頭各子區(qū)域內(nèi)的顯微組織演變主要由焊接熱循環(huán)過程中的峰值溫度和每個相應(yīng)的子區(qū)域的冷卻速度[ 27 ]和[ 28 ]確定。作為焊接結(jié)構(gòu)在6毫米厚的激光焊接2毫米厚的手冊進(jìn)行自體GTA焊接熔合區(qū)和在每一個不同的子區(qū)域內(nèi)的熱影響區(qū)（CGHAZ，F(xiàn)GHAZ ICHAZ）使用SEM結(jié)果在圖7和圖8分別給出了。對焊接工藝的焊接熱影響區(qū)內(nèi)的不同子帶的結(jié)構(gòu)是相似的。然而，更細(xì)小的析出物在GTA焊接熱影響區(qū)的發(fā)現(xiàn)相比，激光焊接接頭。在基姆等人的工作中。[ 29 ]和[ 30 ]，細(xì)小的析出物被確定為高鉬含量的M2C型碳化物。在焊縫，包括貝氏體組織在ICHAZ，marteniste和自回火馬氏體。在FGHAZ組織包括汽車回火馬氏體細(xì)晶粒馬氏體。在粗晶區(qū)，顯微組織由馬氏體和回火馬氏體粗粒度的汽車，而在融合區(qū)，粗大的馬氏體和自動觀察回火馬氏體。顯微硬度作為焊接的顯微硬度分布在激光焊接和手動GTA焊接如圖9?？梢钥闯?，無論是激光在焊縫及熱影響區(qū)的硬度（~ 430 ）和多倫多（~ 410 ）焊接試樣高于基體材料的兩倍（~ 200 ）。這是預(yù)期的焊接條件下的焊接。在熔合區(qū)的硬度略高于激光焊接試樣的焊接熱影響區(qū)。為GTA在熔合區(qū)和熱影響區(qū)的硬度，焊接接頭在410上下波動，發(fā)生在FGHAZ約430 。在激光熔合區(qū)和熱影響區(qū)的硬度焊接接頭（~ 430 ）高于熔合區(qū)的GTA焊接接頭（~ 410 ）。室溫拉伸行為交叉焊縫的拉伸數(shù)據(jù)如表觀屈服強(qiáng)度參數(shù)，拉伸強(qiáng)度和伸長率均明顯，2毫米厚的鎢極氬弧焊試樣和6毫米厚的激光焊接試樣總結(jié)在表4中，其中包括平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差。應(yīng)該牢記的是，試樣顯然是不均勻的，因此，記錄的屈服強(qiáng)度和伸長率的值是不真正代表任何特定的微觀結(jié)構(gòu)區(qū)，并且它們也將隨選擇的規(guī)范長度（在這種情況下，25毫米）。盡管如此，在這項研究中，測得的值被包括提供一個定性的比較，每個焊縫。明顯的屈服強(qiáng)度（YS）、抗拉強(qiáng)度（UTS）和明顯的伸長量估計為494 MPa、631 %，對于6毫米厚的激光焊接試樣。所有的拉伸破壞發(fā)生在遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的。YS，為6毫米厚的基底材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為498 MPa、632 %，分別。相比較而言，明顯的屈服強(qiáng)度（YS）、抗拉強(qiáng)度（UTS）和2毫米厚的鎢極氬弧焊試樣明顯伸長估計為498 MPa、633 %，分別。所有的拉伸破壞發(fā)生在遠(yuǎn)離焊接區(qū)域的。YS，為2毫米厚的基底材料的抗拉強(qiáng)度和延伸率分別為501 MPa、633 %，分別。裂縫性的標(biāo)本在圖10。所記錄的應(yīng)力應(yīng)變曲線的基本材料和焊接試樣的厚度為2毫米和6毫米，如圖11所示。它可以從拉伸試驗結(jié)果表明，激光和GTA焊接試樣的拉伸性能有非常相似的基礎(chǔ)材料在相應(yīng)的厚度。然而，焊接試樣的表觀伸長率略低與那些相應(yīng)基礎(chǔ)材料相比。在圖9中的硬度分布表明，在焊接條件下，焊接過程中所產(chǎn)生的材料已加強(qiáng)，所以很可能在拉伸試驗過程中，焊接區(qū)域沒有產(chǎn)生屈服，從而有助于降低延伸率。此外，它可以從拉伸試驗結(jié)果表明，材料的厚度對屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度幾乎沒有影響，與2毫米厚，6毫米厚的材料呈現(xiàn)類似的屈服強(qiáng)度和斷裂強(qiáng)度。令人好奇的是，材料的厚度，有一個顯著的影響的伸長率，與較薄的材料（2毫米厚）提出較低的伸長率時相比，與6毫米厚的材料。夏比沖擊韌性，以不同的temperatures 《能源吸附的堿金屬和焊縫的激光沖擊下的冰plotted作為一個功能的溫度在圖13?！蹲映叽缭嚇訑嗔押髎hown夏比沖擊試驗是在圖14。它可以看到，所有的paths破碎的激光焊接試樣的試驗開始的，然后deviate熔合區(qū)和HAZ的基體材料。測試結(jié)果的基礎(chǔ)材料是repeatable，當(dāng)測試結(jié)果的激光焊接試樣的顯著為低散射的測試temperatures（?40176。C和?20176。C），這可能是attributed的偏差，在斷裂的裂紋。為了highlight的散射的結(jié)果對激光焊接specimens，這三個測試的結(jié)果是市場在每個溫度圖13和圖14。許多研究人員已經(jīng)reported，激光和電子束焊接過程中可能對目前的困難owing韌性試驗區(qū)的兩個窄融合在一起，有一個大學(xué)學(xué)位的高強(qiáng)度的高匹配接頭[ 31 ]，[ 32 ]，[ 33 ]和[ 34 ]。reported傾向，艾略特的《deviate斷裂成兩個基地，而不是金屬的熔合區(qū)propagate通CAN導(dǎo)線的兩個結(jié)果misleading [ 35 ]基本材料的結(jié)果顯示一個整體的趨勢：所吸收的能量的增加，在測試溫度的增加。相比之下，激光焊接的結(jié)果中的散射意味著任何這樣的趨勢是不明顯的?；A(chǔ)材料達(dá)到良好的韌性，吸收的能量與平均值約為70 J，95 J，97 J和105 J在?40176。C對應(yīng)的試驗溫度，?20176。C、0 C和23 C176。176。，分別。它可以發(fā)現(xiàn)從夏比沖擊試驗結(jié)果的平均吸收的激光焊縫試樣的能量相媲美的基礎(chǔ)材料。對于激光焊接試樣的平均吸收能量值分別約為92 J，80 J，100 J和98 J在?40176。C對應(yīng)的測試溫度，?20176。C、0 C和23 C176。176。，分別。然而，有孤立的低能量吸收值66 J在?40176。C和45 J在?20176。C為激光焊接的試樣，但在這些溫度約100 J這些孤立的低韌性值貢獻(xiàn)了大量分散在吸收能量值的激光焊接試樣在測試溫度低平均值?；w材料的宏觀斷口和激光焊接試樣的沖擊試驗后如圖15。為基料在?40176。C測試（圖15（a）），可以看出，裂紋傳播從最初的韌性缺口之前繼續(xù)通過脆性斷裂試樣的傳播。韌性斷裂的區(qū)域和隨后的脆性斷裂的區(qū)域之間的邊界清楚地是在圖15（1）。的脆性斷裂區(qū)域跨越約60%的斷裂面作為一個整體。激光焊接試樣斷裂在?40176。C（圖15（b））揭示了非常不同的兩個斷裂面：左邊的樣本提供了一個完全的韌性斷裂表面實現(xiàn)了高吸收的能量（102 J），而右邊的樣本顯示，裂紋開始傳播之前的韌性繼續(xù)傳播在脆性的方式在大多數(shù)（~ 60%）的斷裂面，和吸收的能量明顯低于這個標(biāo)本（66 J）。斷裂的基礎(chǔ)材料試件在?20176。C完整呈現(xiàn)韌性斷裂面在圖15（c）。激光焊接試樣斷裂在?20176。C測試（圖15（d））又提出了兩種非常不同的斷裂面：左邊的樣本提供了一個完全的韌性斷口（84 J），而右邊的樣本揭示了一個完全脆性斷裂面（45 J）。在0176。C和室溫下測試的基本材料和激光焊接試件在所有剩余的情況下，如圖15（電子）（小時），在所有剩余的情況下，完全韌性斷裂面。斷口的基體材料和激光焊接試樣的沖擊試驗后，在圖16中所示的高放大倍率。解理斷裂被證實在這些基礎(chǔ)材料和激光焊接試件的斷裂與低吸收的能量在?40176。（圖16（a）和（c））。相比之下，激光焊接的試樣，獲得更高的能量吸收在?40176。C顯示韌性斷裂表面的等軸韌窩（圖16（b））。在?20176。C，無論是基礎(chǔ)材料和激光焊接的試樣，達(dá)到更高的吸收能量呈現(xiàn)韌性斷裂表面的等軸韌窩在圖16（d）和（e），而較低的能量吸收了由解理斷裂表面的激光焊接試樣（圖16（f））。所有基礎(chǔ)材料和激光焊接試樣在0176。C，在室溫下呈現(xiàn)韌性斷裂的等軸韌窩在圖16（g）–（J）。三維有限元建模的自激光焊接工藝的制定和程序這是理解激光自熔焊接SA508鋼時的微觀組織演化研究焊接過程的溫度場的重要，這是特別是在焊接熱影響區(qū)的情況。在構(gòu)建一個數(shù)值模型來預(yù)測在不同的子區(qū)域的熱歷史，在焊接過程中，下面的假設(shè)，以簡化的解決方案[ 36 ]：（1）材料是各向同性的，并且環(huán)境溫度和初始試樣的溫度均為20（2）焊接熔池中液態(tài)金屬的對流流動和小孔激光焊接中的汽化現(xiàn)象，可以忽略。（3）在焊接過程中的熱流量是由傳導(dǎo)和對流的影響，即輻射的影響可以忽略。此外，在試樣和環(huán)境之間的界面處的對流系數(shù)可以被假定為常數(shù)。（4）由于焊接接頭的對稱性，可以應(yīng)用于對稱性，因此，只有必要的模擬焊接接頭的一側(cè)。模型尺寸為50毫米，50毫米，6毫米。圖17顯示了網(wǎng)格配置。在三維實體模型，利用ANSYS軟件生成的38337個節(jié)點(diǎn)和41040個單元（）。細(xì)網(wǎng)格中的熔合區(qū)附近的熱影響區(qū)，陡峭的溫度梯度可以預(yù)期，而較粗的網(wǎng)格被用來進(jìn)一步遠(yuǎn)離焊縫和熱影響區(qū)的坡度可能沒那么嚴(yán)重。此外，隨著距離的增加，元件的尺寸逐漸增大。在這個模型中，X軸對應(yīng)的焊接方向，Y軸是正常的焊接方向但在板的平面，和Z方向的平面外方向。使用溫度依賴性的熱性能進(jìn)行熱分析。瞬態(tài)溫度，噸，被確定為一個函數(shù)的時間，噸，和空間（，），通過求解下面的傳熱方程[ 37 ]和[ 38 ]在這里，K（t）的熱導(dǎo)率為在