Fe-Me-Si记忆合金激光焊接性能研究
发布时间：2017-09-28 13:36
本文关键词：Fe-Me-Si记忆合金激光焊接性能研究
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【摘要】：本文利用YAG脉冲固体激光器和C02气体连续激光器对Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金焊接性能进行了研究。通过正交试验优选了焊接工艺参数,利用力学性能测试试验和组织结构观察分析方法对焊接接头力学性能和焊缝组织性能进行了深入系统的研究,基于ANSYS有限元分析软件对Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接的温度场和应力场进行了数值模拟。基于抗拉强度为评定指标的正交试验可得,1mm厚Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金板YAG激光焊接的最佳工艺参数为电流I=100 A、频率户3 Hz、脉宽T--15ms；1mm厚和2 mm厚Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金板C02激光焊接最佳焊接工艺参数(功率、速度、离焦量)分别为P=1600 W、v=800 mm/min、z=+0.6mm和P=2000 W、v=250 mm/min、z=-0.5 mm; 1 mm厚和2mm厚Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金板与304不锈钢板的最佳C02激光焊接工艺参数分别为P=1800 W、v=800mm/min、z=+0.6 mm和 P=2500 W、v=800 mm/min、z=-1mm.Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金的应力自适应特性使激光焊接接头具有优良的抗弯曲疲劳性能,在控制应变ε=5%的情况下,YAG和C02激光焊接接头的弯曲疲劳次数均在430次以上,远远大于对比材料不锈钢的50次左右。激光焊缝形貌直接影响着Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金焊接接头的抗拉强度,YAG激光焊缝和CO2激光焊缝分别呈现出热传导焊缝特征和匙孔焊特征,焊缝熔合区附近热影响区不明显,焊缝组织由两边熔合区向焊缝中心对称结晶,晶粒由胞状树枝晶逐渐转变为树枝晶组织,熔合区的宽度约为80μm；焊缝及焊缝附近的组织中均存在ε马氏体相,这是由焊接过程中的拉伸残余应力诱发的γ→ε马氏体相变所致,同时,这种ε马氏体相变又会促使焊接残余应力松弛。Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金与304不锈钢异种接头焊缝中心两侧的晶体形态呈对称分布,依次为平面晶、胞状晶、胞状树枝晶,但是焊缝中靠近304不锈钢一侧的晶粒尺寸明显小于靠近Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金一侧。焊缝中心处组织相容良好,结晶形态则以树枝状结晶为主,并且结晶形态差异较小。在靠近焊缝一侧的Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金处也存在e马氏体相,这是由于残余应力诱发γ→ε马氏体相变所致；异种接头全循环疲劳断口均由扩展区和瞬断区组成,在扩展区中存在着疲劳辉纹带、解理台阶和少量弧形撕裂棱,呈现出典型的准解理脆性断裂特征,在瞬断区中存在着大量的韧窝表现出塑性断裂特征；异种接头焊缝元素的成分分布具有明显的区域性,分布方式与C02激光焊接的匙孔效应有关,靠近Fe-17Mn-5Si-10Cr-5Ni记忆合金一侧的焊缝金属仍属于Fe-Mn-Si系记忆合金。Fe-Mn-Si记忆合金C02激光焊接的有限元数值模拟结果显示,焊接热源中心温度达到了2500℃,距焊缝中心2 mm处的最高温度已不足750℃,低于材料的固态相变温度,表明激光焊接的热影响区较小。激光焊缝中存在残余拉应力,其值接近Fe-Mn-Si记忆合金的屈服极限,满足应力诱发γ→ε马氏体相变的条件。
【关键词】：Fe-Mn-Si记忆合金 激光焊接 力学性能 组织性能 有限元数值模拟
【学位授予单位】：大连海事大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TG456.7
【目录】：
- 创新点摘要5-6
- 摘要6-8
- ABSTRACT8-14
- 第1章 绪论14-31
- 1.1 引言14-16
- 1.2 Fe-Mn-Si合金国内外研究现状16-17
- 1.2.1 Fe-Mn-Si记忆合金国内研究现状16
- 1.2.2 Fe-Mn-Si记忆合金国外研究现状16-17
- 1.3 Fe-Mn-Si合金记忆机制及应力自适应特性17-19
- 1.3.1 Fe-Mn-Si合金的记忆机制17-18
- 1.3.2 Fe-Mn-Si记忆合金的应力自适应特性18-19
- 1.4 Fe-Mn-Si记忆合金焊接的研究进展19-29
- 1.4.1 形状记忆合金焊接的研究现状19-20
- 1.4.2 激光焊接原理及工艺20-24
- 1.4.3 激光焊接数值模拟国内外研究现状24-27
- 1.4.4 焊接残余应力研究进展27-29
- 1.5 本文研究意义及内容29-31
- 第2章 材料制备及试验方法31-39
- 2.1 试验材料31-32
- 2.2 激光焊接试验设备32-34
- 2.3 正交试验设计34
- 2.4 力学性能测试34-37
- 2.4.1 拉伸试验34-35
- 2.4.2 弯曲疲劳试验35-36
- 2.4.3 焊缝显微硬度测试36-37
- 2.5 焊缝组织结构分析37-39
- 第3章 Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接工艺优化及接头力学性能研究39-66
- 3.1 基于正交试验的Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接工艺优化39-47
- 3.1.1 Fe-Mn-Si记忆合金YAG激光焊接工艺39-45
- 3.1.2 Fe-Mn-Si记忆合金CO_2激光焊接工艺45-47
- 3.2 激光焊缝形貌对焊接接头拉伸性能的影响47-56
- 3.2.1 YAG激光焊缝47-52
- 3.2.2 CO_2激光焊缝52-56
- 3.3 激光焊接接头弯曲性能分析56-63
- 3.3.1 YAG激光焊接接头弯曲性能分析56-59
- 3.3.2 CO_2激光焊接接头弯曲性能分析59-63
- 3.4 Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接接头显微硬度63-64
- 3.5 本章小结64-66
- 第4章 Fe-Mn-Si记忆合金激光焊缝组织性能研究66-77
- 4.1 Fe-Mn-Si记忆合金激光焊缝制备66-68
- 4.1.1 Fe-Mn-Si记忆合金焊激光缝横截面形貌66-67
- 4.1.2 Fe-Mn-Si记忆合金激光焊缝横截面的显微硬度测试67-68
- 4.2 Fe-Mn-Si记忆合金激光焊缝的显微组织形貌68-71
- 4.3 Fe-Mn-Si记忆合金激光焊缝微区成分分析71-73
- 4.4 Fe-Mn-Si记忆合金激光焊缝的残余应力及ε马氏体相变73-75
- 4.5 本章小结75-77
- 第5章 Fe-Mn-Si记忆合金与304不锈钢异种接头激光焊接研究77-98
- 5.1 304不锈钢CO_2激光焊接研究77-82
- 5.1.1 304不锈钢焊缝组织形貌和显微硬度78-80
- 5.1.2 304不锈钢接头断口形貌80-82
- 5.2 Fe-Mn-Si记忆合金与304不锈钢异种接头拉伸性能82-90
- 5.2.1 异种接头的拉伸力学性能分析82-84
- 5.2.2 304不锈钢与Fe-Mn-Si记忆合金激光焊缝组织观察84-90
- 5.3 Fe-Mn-Si记忆合金与304不锈钢异种接头弯曲疲劳性能90-93
- 5.3.1 异种接头的弯曲疲劳性能分析90-91
- 5.3.2 异种接头的弯曲疲劳断口形貌分析91-93
- 5.4 Fe-Mn-Si记忆合金与304不锈钢异种接头微区成分分析93-95
- 5.5 Fe-Mn-Si记忆合金与304不锈钢异种接头显微硬度分析95-96
- 5.6 本章小结96-98
- 第6章 Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接温度场和应力场的数值模拟98-115
- 6.1 焊接温度场理论分析98-99
- 6.2 Fe-Mn-Si记忆合金激光焊接数值模拟模型99-103
- 6.2.1 接头数学模型及假设99-100
- 6.2.2 材料参数100
- 6.2.3 有限元网格划分100-101
- 6.2.4 热源模型101-103
- 6.3 温度场模拟结果与分析103-107
- 6.3.1 温度场模拟分布103-104
- 6.3.2 焊接过程热循环特性104-105
- 6.3.3 焊缝宽度模拟计算值与试验测量值的对比105-107
- 6.4 应力场模拟结果与分析107-114
- 6.4.1 应力计算理论分析107-109
- 6.4.2 应力场计算过程109
- 6.4.3 激光焊接应力应变场计算结果及其分析109-111
- 6.4.4 残余应力和残余变形111-114
- 6.5 本章小结114-115
- 结论115-118
- 参考文献118-128
- 攻读博士学位期间公开发表的学术论文128-130
- 致谢130-131
- 作者简介131
【参考文献】
中国期刊全文数据库 前10条
1 杨军;邓龙江;林元华;丁武成;田仁江;李宁;;Fe-Mn-Si-Cr-Ni系形状记忆合金管接头形状记忆效应和耐腐蚀性能的研究[J];功能材料;2012年11期
2 王步美;陈挺;徐涛;何华;;焊接工艺对奥氏体不锈钢焊接接头应变强化性能的影响[J];机械工程材料;2013年02期
3 卢棋;何国球;陈淑娟;刘晓山;杨洋;袁永立;朱e，
本文编号：936149
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