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      采用現場觀察技術,研究了焊接條件對310S型不銹鋼在激光焊接過程中凝固開裂敏感性的影響

      采用現場觀察技術,研究了焊接條件對310S型不銹鋼在激光焊接過程中凝固開裂敏感性的影響

      Kota Kadoi & Akira Fujinaga & Motomichi Yamamoto & Kenji Shinozaki

      Received: 3 October 2012 /Accepted: 13 January 2013 / Published online: 14 March 2013

      摘要:高的焊接速度時易發生凝固開裂,因此應該更容易發生在激光焊接。凝固行為和熱應變都取決于焊接速度,因此,臨界應變對于凝固開裂,必須測量,以澄清影響凝固開裂敏感性的因素。然而,在hig下凝固開裂所需的臨界應變 焊接速度條件尚未確定。研究了焊接速度對310S型不銹鋼凝固開裂敏感性的影響。采用一種先進的高速相機原位觀察技術,對U型熱裂紋進行了試驗,并對凝固裂紋的臨界應變進行了定量評價。隨著焊接速度的增加,凝固裂紋萌生的應變減小。殘余液體的分布取決于組織和TH的形態分布隨著焊接速度的增加,殘余液體從液滴轉變為薄膜。殘余液體分布形態的轉變意味著材料易受固體物質的影響開裂。

      關鍵詞:熱裂 凝固開裂 激光焊接

      1 導言

      在焊接過程中需要一種防止凝固開裂的技術,因為不銹鋼、鎳基高溫合金和異種焊接接頭容易受到這種現象的影響。當采用不同的材料和提高的焊接速度來實現機械結構的高功能化和提高產量時,橄欖化開裂成為一個更嚴重的問題活力。優化焊接接頭設計和開發焊接材料,以防止凝固裂紋的發生。然而,一個明確的預防技術凝固開裂的Nique尚未開發。因此,有必要詳細研究焊接過程中加載應變的凝固現象和分布,并對其進行研究闡明凝固開裂現象的機理。

      眾所周知,由于凝固收縮和約束作用,殘余液體上的應變在液相線和固相線溫度之間發生凝固開裂的引發裂紋的臨界染色受凝固形態、化學成分、硫磷偏析、應變速率、焊接Co等因素的影響等等。迄今為止,用高溫延性曲線評價了凝固開裂敏感性,即臨界應變與溫度的關系 凝固裂紋萌生的溫度。因此,必須定量和精確地測量臨界應變和凝固裂紋萌生溫度,才能詳細了解固體開裂現象。

      激光焊接是一種很有吸引力的焊接工藝,由于其高,有望在實際使用中會增加焊接速度,低變形等。由于凝固行為和熱應變取決于焊接速度,焊接速度的提高應導致材料更容易受到固體的影響陽離子開裂。然而,在高速焊接條件下,沒有人確定凝固開裂的臨界應變。

      本文研究了焊接速度對310S型不銹鋼凝固開裂敏感性的影響,該不銹鋼在高焊接速度下易發生凝固開裂。這種鋼還能在室溫下對組織進行評價,因為它在不變形的情況下固化單一奧氏體相方面具有優勢。有必要測量acc在高溫快速冷卻過程中,對裂紋萌生的應變和溫度進行了研究,闡明了在高速焊接條件下的凝固開裂現象。一個原位采用美國[9,10]研制的高速攝像機觀測技術,測量了U型熱裂試驗中的應變歷史。另外還有光纖輻射溫度計wa其響應速率高于用于測量焊接過程中溫度歷史的熱電偶。

      2 實驗程序

      以表1中化學成分的310S型不銹鋼為試樣。試件厚度2mm,寬度50mm,長度110mm。圖1顯示了實驗A采用高速攝像機建立了垂直原位觀測系統的U型熱裂試驗。焊接條件見表2。采用光纖激光器(IPG,YLR-300-S)作為熱來源。為了研究焊接速度對凝固開裂敏感性的影響,焊接速度在0.4~1.6m/min之間變化。激光光斑尺寸為0.4mm,激光p調整OWER以獲得每個焊接速度下的全穿透珠。激光頭向焊接方向傾斜30°,以防止干擾相機設置。 高速相機wa設置一個變焦鏡頭與一個熱鏡,以高度放大的觀察和監測可見光。還使用金屬鹵化物燈作為照明系統,以獲得清晰的圖像s.Ar氣體被吹到試樣的表面和后方,以防止激光焊接過程中的氧化。

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      圖1 垂直原位觀測法實驗裝置

      熱裂紋試驗要求再現凝固裂紋,測量裂紋萌生的局部臨界應變。在本研究中,我們進行了U型熱裂解試驗利用高速攝像機進行現場觀測。一種U型裂紋測試儀,通過對焊接直接施加垂直載荷,可以在焊縫中心線產生凝固裂紋離子。

      U型熱裂試驗順序如下。首先,約束梁被外部載荷彎曲到一定的實驗距離。然后將試樣固定在梁c之間吸盤子。在外部載荷釋放后,對試樣施加初始拉伸載荷。橫向拉伸載荷拉伸試樣,導致凝固的產生焊接過程中的裂紋。在激光焊接過程中,利用高速攝像機對熔池邊緣進行連續監測,觀察熔池凝固序列(裂紋萌生)。圖2顯示了一個類型通過原位觀測得到的圖像的實例。在熔池邊緣的后部可以觀察到凝固裂紋(圖2a)。通過圖像從視頻中測量臨界應變分析。如圖所示當發現凝固裂紋已經開始時,兩個參考點,即枝晶尖端和/或裂紋附近固體表面的不均勻性,w沿拉伸方向選擇。裂紋萌生的時間稱為T1,在T1處測量兩個參考點之間的距離為L1。參考點w通過重繞視頻和起始拉伸應變加載來跟蹤。當熔池邊緣通過凝固形成時,確定時間(t=t0)為參考點。然后,將t0處參考點之間的距離測量為L0。最后,關鍵通過將距離變化(L1-L0)除以初始距離(L0)計算裂紋萌生應變)。初始距離L0為0.5mm。初始拉伸載荷可由chang控制梁之間的彎曲距離。

      表一 310S不銹鋼的化學組成

      表二 焊接條件

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      為了繪制高溫延性曲線,測量凝固裂紋萌生應變的時間必須與溫度相關。此外,高精度和響應需要進行Se溫度測量,因為在高焊接速度下,冷卻快。一種響應速率高于熱電偶的光纖輻射溫度計使用S,并通過將其插入熔池后部來測量激光焊接過程中的溫度歷史。

      采用光學顯微鏡和掃描電鏡對焊縫的斷口和顯微組織進行了評價。還對obs進行了高分辨率現場觀測確定凝固過程中熔池后部殘余液體的分布。

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      圖2凝固開裂臨界應變測量方法示意圖a現場觀測b測量臨界應變方法得到的圖像

      3 結果與討論

       3.1高溫延性曲線

      圖3顯示了U型熱裂紋試驗獲得的每種焊接速度下的應變歷史。在每個焊接點的熔池后部觀察到凝固開裂的現象小便。焊接過程中應變值的變化可以定量地測量到裂紋萌生。隨著焊接spe的增加,在較短的時間內測量了裂紋萌生的應變值愛德。此外,在0.4m/min時得到的值遠高于其他焊接速度下的值,在0.4m/min時裂紋萌生的最小應變約為3%。

      熔池在每個焊接速度下的溫度歷史如圖所示。4.通過使用光纖輻射溫度計,可以很高程度地測量溫度歷史精度,即使冷卻速度相當高,焊接速度為1.6m/min。 在1.6m/min時的冷卻速率約為750°C/s。用微分法測定液相線溫度 冷卻曲線和0.4、0.8和1.6m/min的溫度分別為1406、1408和1407°C。這表明冷卻速率對液相線溫度的影響是次要的意義重大。

      圖5為各焊接速度下的高溫延性曲線。利用溫度歷史將水平軸從時間轉換為溫度(圖。 4),并得到曲線通過連接裂紋萌生的臨界應變。應變隨溫度在0.8和1.6m/min的變化趨勢幾乎相同。另一方面,應變值得到a噸0.4m/min遠大于其他焊接速度。因此焊接速度的增加導致凝固開裂敏感性降低。

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      圖3 在不同焊接速度下焊接過程中的應變歷史為0.4m/minb0.8m/minc1.6m/min

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      圖4 光纖輻射溫度計測量的溫度歷史

      3.2焊縫和斷口的顯微組織

      在不同焊接速度下獲得的焊縫珠表面的微觀結構如圖所示。6.柱狀枝晶的生長方向從傾斜到垂直于t的方向變化焊接方向與焊接速度。 在0.4~0.8和1.6m/min時,生長方向與焊接方向的夾角分別為79.0、84.1和86.6°。枝晶尺寸隨減小而減小提高焊接速度。這可能是由于焊接速度對應的冷卻速率的增加所致。

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      圖5 高溫延性曲線(試件在各種焊接速度下焊接)

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      圖6 不同焊接速度下焊接試樣焊珠中心的顯微組織為0.4m/minb0.8m/minc1.6m/min

      圖7顯示了在不同焊接速度下裂紋產生點的斷口。 在所有焊接速度下都可以產生凝固裂紋,因為在al處發現了樹枝狀晶體焊接條件。 晶體形貌無明顯差異,晶體垂直于焊接方向生長。 枝晶尺寸隨增加而減小焊接速度。

       3.3高分辨率現場觀測

      圖8顯示了在1.6m/min的焊接過程中熔池后部的序列,這是通過高分辨率的現場觀察得到的。

      熔池最初沿焊珠中心線存在于長區域(t=0,s),熔池寬度在0.04s時變窄。0.08s后,固相開始 在熔池內形成。隨著時間的推移,固體量增加,柱狀晶粒垂直于焊接方向橋生長,固體從相反的一側生長珠中心在0.09s。在0.1s時,液體繼續保持在柱狀顆粒之間,盡管液體的數量明顯減少。最后(t=0.12s),殘余液體排出作為沿柱狀晶尖間邊界的液滴(珠心)。高分辨率的原位觀察揭示了殘余液體凝固和分布過程中的序列激光焊接。柱狀晶粒傾向于在焊縫中心橋接,在橋接后,液體留在晶粒尖端的界面。

      圖9比較了高分辨率原位觀測與焊縫表面微觀結構之間的圖像。 在折線之間的區域觀察到大量的殘余液體在圖中9a。這個區域對應于枝晶臂的區域,如圖所示9b因此,在橋接后,液體仍保持在焊縫中心,并進行轉化 成枝晶臂(固體)。

      3.4焊接速度對凝固開裂敏感性的影響

      液相在凝固末期的分布和數量已知影響凝固開裂敏感性。易感性的討論集中在在同一方向生長的柱狀晶粒之間的邊界處的液體分布。在較寬的溫度范圍內,液體在邊界處的存在使材料容易凝固開裂。

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      圖7焊縫中心產生的斷裂表面箭頭表示裂紋產生點(1377 °C, 1.36 %) b 0.8 m/min

      (1393 °C, 1.12 %) c 1.6 m/min (1380 °C, 0.6 %)

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      圖8 通過高放大原位觀察技術(焊接速度:1.6m/min)獲得的固化序列)

      在本研究中,熔池后部產生凝固裂紋。柱狀晶粒垂直于焊接方向生長,并將從oppo生長的柱狀晶粒橋接場地一側在后方。如圖8和圖9所示,在橋接后,液體仍保持在晶粒尖端的界面上。此外,液相分布在中心的長度隨著焊接速度的增加,隨焊接速度的增加而增大。這應歸因于垂直于焊接方向的強度下降;因此,CRI在U型熱裂紋試驗中,裂紋萌生的應變值隨焊接速度的增加而減小。

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      圖9 原位觀察與顯微組織(焊接速度:1.6m/min)a原位觀察b顯微組織的圖像比較

      為了幫助定量解釋殘余液體分布的現象圖10顯示了激光焊接時熔池后部殘余液體的示意圖焊接速度高。柱狀枝晶垂直于焊接方向生長,橋形柱狀枝晶從焊縫中心的對面生長(圖10a)。什么時候 將高溫位置與橋接點進行比較,枝晶之間的液體足以愈合初始裂紋,因為該位置與熔池連接,如果應變加載在熔池的后部。在低溫下,枝晶之間的液體繼續保持在枝晶尖端(焊珠中心)之間的界面)。剩下的液體凝固(枝晶臂生長)。此外,可以假定殘余液體的分布取決于微觀結構。如圖所示。當焊接速度較快時(1.6m/由于顯微組織由非常細的柱狀枝晶組成,焊縫中心枝晶尖端之間的界面變得光滑垂直于焊接方向生長。因此,液體在枝晶尖端之間的界面處保持為薄的連續液體膜(圖10b)。另一方面,當我們激光速度慢(0.4m/min),柱狀枝晶變粗,向焊接方向傾斜生長。這種微觀結構導致形成粗糙的界面,殘余液體以分段(液滴)形態存在(圖10c)。

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      圖10 激光焊接過程中殘余液體分布示意圖-殘余液體的形態b高焊接速度c低焊接速度

      殘余液體的分布取決于微觀結構。枝晶尖端(焊珠中心)界面的殘余液體導致凝固裂紋的產生在高焊接速度條件下。眾所周知,殘余液體分布影響凝固開裂敏感性。如果液體以薄膜的形式存在,則連續界面o枝晶尖端形成,使材料容易凝固開裂。因此,殘余液體從液滴到薄膜的分布形態隨增量的轉變 焊接速度引起凝固開裂的敏感性。

      4 總結

      研究了310S型不銹鋼在高速焊接條件下(激光焊接)的凝固開裂敏感性隨焊接速度的變化規律。按h進行的現場觀測高速攝像機能夠定量、高精度地測量凝固開裂的臨界應變??梢詼y量高速激光焊接過程中的溫度歷史唱光纖輻射溫度計。隨著焊接速度的增加,凝固開裂的臨界應變減小。這可能是由于殘渣的分布形態所致枝晶尖端界面(焊縫中心)的L液體)。殘余液體中的分布取決于熔池后部的微觀結構。從殘余形態的轉變隨著焊接速度的增加,液滴對薄膜的影響可歸因于凝固開裂的敏感性。


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