磁场辅助激光-MIG复合焊接对316L焊缝组织与性能影响的研究

发布时间：2020-05-22 10:00

【摘要】：磁场辅助激光-MIG复合焊接结合了激光能量密度高、电弧桥接能力好及磁场能调控微观组织的优点,相比电弧焊接,可以提高焊接速度;相比激光焊接,可以改善桥接能力并调控焊缝微观组织。但是目前国内外关于磁场辅助激光-MIG复合焊接对焊缝微观组织及性能影响的研究极少。本文针对SUS316L不锈钢,采用磁场辅助激光-MIG复合焊接的方法,开展了如下研究:首先对焊缝微观组织进行表征,结合熔池上表面形态及焊缝截面形貌的分析,研究了磁场辅助激光-MIG复合焊接对焊缝微观组织的影响;然后对焊缝腐蚀疲劳裂纹萌生寿命和裂纹扩展速率进行测试,对裂纹萌生源、裂纹扩展路径及裂纹尖端进行分析,研究了微观组织与腐蚀疲劳性能的关联关系;最后,研究了该焊接方法对焊缝腐蚀疲劳性能的调控机制。研究过程中取得了如下成果:(1)发现了在16 mT-24 mT外加磁场作用下,焊缝内铁素体含量减少,且呈骨架状形态的现象;结合熔池上表面形态及焊缝截面形貌分析,外加磁场通过与电弧电流及感生电流的交互作用,促进熔池在16 mT-24 mT磁场作用下沿长度及宽度方向发生扩张,即产生了“磁致熔池扩张效应”;磁场对激光-MIG复合焊接熔池的影响会延长316L高温铁素体向奥氏体相变持续时间,即促进δ-γ相变过程,从而减少焊缝内铁素体含量,即“磁致316L焊缝δ-γ相变增强”。(2)发现了在24 mT外加磁场作用下,焊缝内晶粒取向多样化现象,且骨架状铁素体与奥氏体呈非K-S取向关系;分析了凝固前沿液态金属流动状态,外加磁场通过与电弧电流、感生电流及热电流的交互作用,在熔池凝固前沿液态金属内产生扰动并加速液态金属的流动,即产生了“磁致凝固前沿热电磁效应”;磁场对激光-MIG复合焊接熔池凝固前沿液态金属流动的影响会改变凝固前沿最大温度梯度(?T_(ma) _x)方向并减小温度梯度,减弱晶粒沿着100//?T_(ma) _x方向快速生长趋势,促进316L焊缝内晶粒取向多样化,即“磁致316L焊缝晶粒取向多样化”。(3)建立了晶粒取向与腐蚀疲劳裂纹萌生的关联关系:(1)基于316L塑性变形过程中双系滑移最易发生滑移的晶面为{100},磁场辅助激光-MIG复合焊接减少了焊缝内沿100方向定向生长的晶粒,从而抑制局部滑移带开裂;(2)发现了316L焊缝内铁素体取向分布对局部腐蚀的影响规律,即铁素体取向多样化促进Cr元素分布均匀,提高焊缝表面电势均匀性,减少局部腐蚀,抑制腐蚀疲劳裂纹源形成;(1)(2)协同作用,抑制了腐蚀疲劳裂纹萌生。(4)建立了铁素体相与腐蚀疲劳裂纹扩展速率的关联关系:(1)基于316L焊缝内铁素体对奥氏体的“盾化效应”,磁场辅助激光-MIG复合焊接减少焊缝内铁素体,从而减弱铁素体对奥氏体的“盾化效应”,促进焊缝在腐蚀疲劳裂纹扩展过程中裂纹尖端奥氏体发生形变诱导马氏体相变的过程,利用相变过程的体积膨胀效应,对裂纹施加压应力,减小裂纹尖端张开位移,与此同时相变过程消耗能量;(2)发现了铁素体相与奥氏体相的取向关系对裂纹扩展路径的影响规律,即非K-S取向关系的δ/γ两相具有半共格界面,相比于K-S取向关系的δ/γ两相的共格界面,两相界面能增加,阻碍位错运动,促进裂纹扩展路径偏折;(1)(2)协同作用,降低了腐蚀疲劳裂纹扩展速率。以磁场辅助激光-MIG复合焊接的“磁致316L焊缝δ-γ相变增强”与“磁致316L焊缝晶粒取向多样化”机制为依据,改善了焊缝物相组成并提高了组织均匀性,实现了激光-MIG复合焊接焊缝腐蚀疲劳性能的提升。磁场强度最佳区间为16 mT-24 mT,焊缝晶粒弱取向减少19%,焊缝内铁素体含量减少66%,在空气中的裂纹萌生寿命延长62.2%,在模拟海水服役环境(3.5%NaCl溶液)中的裂纹萌生寿命延长10%;在空气中的裂纹扩展速率降低33%,在模拟海水服役环境(3.5%NaCl溶液)中的裂纹扩展速率降低20%。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG441.7

【参考文献】