（机械制造及其自动化专业论文）殷钢厚板材料激光焊接技术实验研究.pdf

人迕理】人学硕士学位论文 摘要 激光焊接中，因为激光的能量密度很高，能够形成深宽比较大的焊缝，并且焊缝热 影响区小，焊缝美观等优点，在焊接领域得到了越来越广泛的应用。殷钢i n v a r 3 6 是一 种在室温下典型的低膨胀合金，可以用来制造精密仪器、仪表等要求尺寸不随温度变化 的零件，显像管的荫罩，液态气体容器，液化气输油管道以及航空工业用复合材料精密 模具等，尤其是殷钢材料在光刻机中的广泛应用，使得对殷钢材料焊接技术的研究工作 备受关注。 激光焊接殷钢i n v a r 3 6 材料是一种新型的焊接方法，由于激光焊接所具有的商精度， 低热影响区的优势，因此进行激光焊接殷钢i n v a r 3 6 的研究具有重要的理论意义和应用 价值。本文以n d ：y a g 毫秒脉冲激光器为焊接热源，对殷钢i n v a r 3 6 激光深熔焊进行了 理论分析和实验研究，并对焊接温度场进行了模拟分析。 论文介绍了激光深熔焊的原理，简要分析了焊接过程中深熔焊特征小孔形成的机 理，并对激光器的各项参数进行了分析和初步选择。采用单因素实验方法对2 m m 厚殷 钢材料进行了焊接实验，研究了工艺参数( 包括激光功率、脉冲宽度、焊接速度和离焦 量) 变化对殷钢 n v a r 3 6 激光焊接结果的影响，并结合激光深熔焊原理对实验结果进行 了分析。 采用金相显微镜、x 射线衍射仪、万能拉伸试验机以及显微硬度计等分析测试手段 检测了殷钢i n v a r 3 6 激光焊接对焊接头的显微组织、相组成、显微硬度和拉伸性毹等， 并对检测结果进行了分析和讨论。 结合实验结果和检查数据，对焊接温度场利用通用有限元软件a n s y s 的热分析模块 进行了数值模拟。分析了焊接温度场的分布规律，并结合焊接实验对数值模拟结果进行 验证。 殷钢i n v a r 3 6 材料激光焊接技术的研究丰富了殷钢材料焊接方法，为殷钢材料在工业 中的应用提供了理论和技术支持。 关键词；激光焊接；殷钢；嫦s y s ；数值模拟 殷钢j 孕扳材料激光焊接技术实验研究 e x p e r i m e n t a ls t u d yo nl a s e rw e l d i n go ft h i c kl n v a r 3 6a l l o yp l a t e a bs t r a c t i nl a s e rw e l d i n g p r o c e s s ，b e c a u s eo fi t sh ig he n e r g yd e n s i t y ，i tc o u l df o r mab i gr a t i o w h i c hp e n e t r a t i o nd e p t ht op e n e t r a t i o nw i d t h a d d e dt h ew e l d i n gl i n eh a sas m a l lh e a ta f f e c t z o n ea n dap e r f e c ta p p e a r a n c e ，l a s e rw e l d i n gh a sb e e nm o r ea n dm o r ep o p u l a ri nw e l df i e l d i n v a r 3 6a l l o yi sat y p i c a la l l o yw i t hv e r yl o wt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n tu n d e rr o o m t e m p e r a t u r e i tc a nb ea p p l i e dt om a k et h ep a r to fh i 曲p r e c i s i o nd e v i c e sw h i c ht h ed i m e n s i o n n e v e rc h a n g e sw i t ht e m p e r a t u r e ，t h es h a d o w m a s ko f l e d ，l i q u e f i e dg a st a n k e r s ，o c e a n g o i n g l i q u e f i e dn a t u r a lg a sp i p e l i n e sa n dc o m p o s i t em o l d si nt h ea e r o s p a c e e s p e c i a l l y ，i n v a r 36a l l o y i sw i d e l yu s e di nl i t h o g r a p h ym a c h i n e si nr e c e n ty e a r s t h er e s e a r c ho fi n v a r 3 6a l l o yw e l d i n g t e c h n i q u ei si n c r e a s i n g l yc o n c e r n e dr e c e n t l y l a s e rw e l d i n gi n v a r 3 6a l l o yi san e w l yw e l d i n gt e c h n i q u e ，a n dl a s e rw e l d i n gh a st h e a d v a n t a g eo fh i 曲p r e c i s i o na n dl o wh e a ta f f e c tz o n e t h er e s e a r c ho nl a s e rw e l d i n go f i n v a r 3 6a l l o yh a ss i g n i f i c a n tt h e o r ya n da p p l i c a t i o nv a l u e s i nt h i sp a p e ra ni n v e s t i g a t i o n a b o u tl a s e rw e l d i n go ft h i c ki n v a r 3 6a l l o yp l a t ee x p e r i m e n t sw a sc a r r i e do u tb a s e do nl a s e r d e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n gt h e o r yw i t hm i l l i s e c o n dp u l s en d ：y a gl a s e r ，a n dt h ew e l d i n g t e m p e r a t u r ef i e l dw a ss i m u l a t e d t h e t h e o r yo fl a s e rd e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n ga n dt h ef o r mo fl a s e rw e l d i n gk e y h o l ew a s d i s c u s s e di nt h i sp a p e r a n dt h el a s e rp r o c e s s i n gp a r a m e t e r s ，w h i c hp r e p a r e df o rt h ef o l l o w i n g l a s e rw e l d i n ge x p e r i m e n t s ，w e r ed e t e r m i n e da f t e rh o wt h ew e l dq u a l i t i e sw a si n f l u e n c e db y t h ep r o c e s s i n gp a r a m e t e r sw a sa n a l y z e d t h ee x p e r i m e n tw a sc a r r i e do u to nt h et h i c k n e s so f 2 m mi n v a r 3 6a l l o y p l a t eb yo n e w a ye x p e r i m e n t sm e t h o d t h ei n f l u e n c eo f t h ep a r a m e t e r s ， i n c l u d i n gl a s e rp o w e r ，p u l s ee n e r g y ，p u l s ed u r a t i o n ，w e l d i n gs p e e da n dd e f o c u s i n gd i s t a n c e ， o nt h eq u a l i t ya n ds u r f a c em o r p h o l o g yo ft h ew e l d i n gl i n ew e r ei n v e s t i g a t e da n dt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sw e r ea n a l y z e dc o m b i n e dw i t ht h et h e o r yo fl a s e rd e e pp e n e 僦i o n w e l d i n g t h e m i c r o s t r u c t u r e ，g r a i ns i z ea n dp h a s e ，c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e c h a n i c a l p r o p e r t i e so ft h eb u t tw e l dj o i n t sa n dm a t r i xw e r et e s t e db ym e t a l o s c o p e ，x r a yd i f f r a c t o m e t e r ， e n e r g ys p e c t r u m ，m i c r o h a r d n e s sa n dt e n s i l et e s t i n gm a c h i n e s t h er e s u l t so b t a i n e dd u r i n gt h e i n s p e c t i o no ft h el a s e rd e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n gl i n ew a sa n a l y z e da n dd i s c u s s e d a c c o r d i n g t h ee x p e r i m e n ta n di n s p e c t i o nr e s u l t ，as i m u l a t i o no f w e l d i n gt e m p e r a t u r e f i l e db yt h eh e a ta n a l y s i sm o d u l eo fa n s y sw a sa n a l y z e d t h et e m p e r a t u r ed i s t r i b u t i o no f 人连理f 人学硕r f 予傅论文 d e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n gw a sa n a l y z e da n df o rt h ep u r p o s eo fc h e c k i n gt h es i m u l a t i o nr e s u l t ， i tw a sc o m p a r e dw i t ht h ee x p e r i m e n tr e s u l t t h er e s e a r c ho nl a s e rd e e pp e n e t r a t i o nw e l d i n go fi n v a r 3 6a l l o yw i l le n r i c ht h ew e l d i n g t e c h n o l o g yo fi n v a r 3 6a l l o y ，a n dw i l lp r o v i d et h e o r e t i c a la n dt e c h n o l o g i c a ls u p p o r t st ot h e i n d u s t r i a la p p l i c a t i o n so fi n v a r 3 6a l l o yw e l d i n g k e yw o r d s ：l a s e rw e l d i n g ；i n v a r 3 6a l l o y ；a n s y s ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o n 1 1 1 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：筮搁厘挺越赶邀盔磐笪整苎遂丝 作者签名： ；翌煎。 日期：型年工月上日 导师签名：二互萃：纰日期：碑年月_ ；- 日 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：纽拯出越魁竖幽丝 妙 作者签名：弋乒l 一日期肆年 月手日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 激光焊接技术 激光加工技术自上世纪7 0 年代随着工业用大功率激光器的不断问世而迅速发展起 来，已成为继原子能和计算机之后的又一项重大的高新技术，被誉为“万能的加工工具 和“未来制造系统的共同加工手段。目前，激光技术已被广泛应用于各个领域，在激 光的应用领域中，激光加工技术和设备以每年2 5 - - - 3 0 的速度递增，是各种加工技术 中增长速度最快的、最有竞争力的手段。由于激光束具有单色性、相干性、能量高度集 中等优点，他将与计算机、生物工程、新型材料等构成新技术革命的先导。激光加工技 术集光、机、电、材料、计算机等技术为一体，形成了激光加工基础理论和先进制作技 术，已经在航空航天、微电子、精密加工、精密计量等领域展示了特有的优势i i 刮。 激光加工的物理基础是激光与材料的相互作用，这是一个广泛的概念和复杂的过 程，它既包含微观量子过程也包含激光作用于材料时发生的宏观现象，主要有：材料对 激光的吸收、反射，能量转换及传递，材料状态及周围气体成分，光束作用于材料表面 是的组织效应等。激光加工的一般原理是材料吸收光能并转化为热能使材料加热、熔化、 汽化及冷凝。激光加工的内容可粗略归纳为：激光去除、激光连接、激光表面改性、激 光制造新材料、激光零件加工，具体如图1 1 所示l s l 。 图1 1 激光加工的丰富内容 f i g 1 1 t h ea p p l i c a t i o no fl a s e rp r o c e s s i n gt e c h n o l o g i e s 殷钢厚板材料激光焊接技术实验研究 激光焊接技术是激光工业应用的一个重要方面，在激光出现不久就有人开始了激光 焊接技术的研究。激光焊接技术经历了由脉冲波向连续波的发展，有效功率薄板焊接向 大功率厚件焊接的发展，由单工作台单工件加工向多工作台多工件同时焊接发展，以及 由简单焊缝形状向可控的复杂焊缝形状发展，激光收集物质也包含了多种气体和固体晶 体。激光焊接的应用也随着激光焊接技术的发展而发展，目前，激光焊接技术已应用在 航空航天，武器制造、船舶工业、汽车制造、压力容器制造、民用及医用等多个领域。 激光焊接也是目前增长最快的激光加工类别。在激光焊接过程中，能够向工件传输 高于1 0 k w m m 2 的能量密度，因此能够形成深宽比较大的熔池。又因为激光焊接飞溅少、 热影响区小、焊缝成形美观等优点，它在焊接领域已经得到了越来越广泛的应用。在发 达国家，激光焊接几乎涉及了各个工业领域，尤其在汽车制造业中，激光焊接更是得到 了广泛的应用【1 1 。 1 9 6 2 年和1 9 6 3 年，已经有关于激光焊接应用的报道。随后，各国学者又做了许多 激光焊接的基础性研究。7 0 年代以前，由于高功率连续波( c w ) 激光器尚未开发出来， 所以，研究重点集中在脉冲激光焊接( p w ) 。早期的激光焊接研究实验大多数是利用 红宝石脉冲激光器，当时虽然能够获得较高的脉冲能量，但这些激光器的平均输出功率 却相当低，这主要是由激光器很低的工作效率和发光物质的受激性质所决定。n d ：y a g 激光器由于具有较高的平均功率，在它出现之后很快就成为点焊和缝焊的优选设备【6 j 。 r e a d y 在1 9 7 1 年曾指出【7 】，激光焊接与电子束焊接的显著区别在于，激光辐射不能 产生穿透( 小孔) 焊接方式，现在我们知道，这个结论是错误的，因为当激光束焦点的 能量密度达到1 0 6 w e r a z 时，小孔的形成条件得到满足，从而就可以利用激光束进行穿 透( 深熔) 焊接。同时，小孔的建立与维持需要一定的时间。因此，使用脉冲激光进行 焊接时，小孔就不易向深处扩展，也就不易进行深熔焊。 随着千瓦级连续c 0 2 激光器焊接实验的成功【8 j 3 1 ，激光焊接的研究与应用情况在 1 9 7 1 年和1 9 7 2 年发生了变化。在大厚度不锈钢试件上进行c 0 2 激光焊接，形成了穿透 熔深的焊缝，从而清楚地表明了小孔的形成。这些利用c 0 2 激光器进行金属焊接的早期 工作证明了高功率连续激光焊接的巨大潜能。日本、德国、英国和前苏联等国的研究组 也相继报道了高功率c 0 2 激光焊接技术的发展及其优化【1 4 。2 0 】。c 0 2 激光焊接进一步的发 展集中于如何获得高光束质量的致密可靠的激光源，如何理解和解释接头设计、焊接速 度、光束聚集和等离子效应之间的复杂相互作用及其与焊接性能的关系。除少数特例外， 在这些研究中，基本不采用功率高于2 0 k w 的激光器进行焊接，事实上，激光焊接工艺 大连理工大学硕士学位论文 开发与发展的后续经验表明，使用功率超过1 2 1 5 k w 的激光器进行焊接，并不会获得更 多的益处，除非应用在焊接速度极高以及金属工件厚度极大的场合。 与波长1 0 6 “m 的c 0 2 激光相比，波长1 0 6 9 m 的n d ：y a g 激光作用下的金属反射 率降低很多，因此，相对于c 0 2 激光器来说，使用平均功率大大降低的1 0 6 t a m 波长的 固体激光器( n d ：y a g ) 进行焊接，可获得相当好的焊接质量。光纤传导技术可以较好 地应用于1 0 6 1 t m 的激光，甚至功率高于l k w 也是可行的，而c 0 2 激光则不具备这种性 能。目前，几乎所有用于焊接和热处理的固体n d ：y a g 激光器都与光导纤维系统组合使 用，具有革新性的纤维传送系统与n d ：y a g 激光器的结合大大增加了激光加工系统的方 便性与灵活性，这种组合系统对于工业上的多工作台同时加工及机器人或机械手操纵非 常理想。值得注意的是，相同的平均功率条件下，脉冲n d ：y a g 激光比连续n d ：y a g 激光可获得更大的熔深【2 l 】。 激光焊接系统的成本通常高于传统的焊接设备，但其高生产率及较高的焊缝质量足 以弥补此项缺憾，并使得激光焊接系统在技术上具有很强的综合竞争能力。目前在激光 焊接技术研究与应用方面处于世界领先水平的国家有德国、日本、瑞士和美国等。横流 连续激光加工设备的输出功率可达2 0 k w ，脉冲n d ：y a g 激光器的最大平均输出功率也 已达到4 k w ，并且实现了纳秒级的脉冲宽度j 激光焊接能够实现的材料厚度最大已达 8 0 m m ，最小为0 0 5 m m ，大部分材料的激光焊接质量均超过传统焊接工艺。激光焊接技 术正向着低成本、高质量的方向发展，具有很大的发展潜力和发展前景。在未来的2 1 世纪中，激光焊接技术在材料连接领域必将起到至关重要的作用。很多学者将激光加工 连同电子束加工和等离子弧加工并称为2 l 世纪最具发展前景及最有效的加工技术晔j 。 目前，国内已经开展了很多难焊材料的激光研究工作，同时也开展了对难焊材料激 光电弧复合焊接的研究，但是对殷钢材料的激光焊接研究很少【2 3 j 。随着殷钢合金的应 用越来越广和激光焊接技术的进一步发展，对殷钢材料激光焊接技术的研究会越来越受 到重视。 与传统焊接方法相比，激光焊接有其独特的优势： ( 1 ) 热输入量小、深宽比大，深熔焊可达1 2 ：1 以上，因此热影响区小，工件收 缩和变形较小； ( 2 ) 焊接具有连续性和可重复性； ( 3 ) 焊道窄且表面质量好，焊缝强度高( 强度增加同时焊缝尺寸减小，与不连续 电阻点焊相比较具有较高的静载强度和疲劳强度) ； ( 4 ) 对于准确定位的焊缝易于实现自动化； 殷钢厚板材料激光焊接技术实验研究 ( 5 ) 可实现异种材料的焊接，对高熔点、高热导率、物理性质差异较大的异种材 料进行焊接。 ( 6 ) 激光束控制( 包括分时控制) 比较灵活，柔性大，能够焊接其他焊接方法难 以达到的位置； ( 7 ) 焊接速度通常比其他焊接工艺快； ( 8 ) 某些情况下可减少后处理工序( 如焊缝的清理) 。 与此同时，激光焊接也受到以下几方面的限制： ( 1 ) 激光焊接时，光致等离子体对吸收、反射及折射有作用，使焊接过程的稳定 性和激光能量的利用率大大降低； ( 2 ) 焊接淬硬性材料时易于形成硬脆接头； ( 3 ) 相对于其他焊接工艺成本较高； ( 4 ) 对工件的装配、夹持及激光束的精确调整要求相对较高： ( 5 ) 对于高反射率材料( 铝及其合金、铜及其合金) 焊接存在小孔建立困难、焊 接过程稳定性差、接头中容易产生气孔、裂纹、强度降低的问题。 由于激光焊接具有以上特点决定了激光焊接在工业领域的快速发展。随着大功率激 光器的出现和焊接工艺的不断完善，激光焊接技术将得到更广泛的应用和发展。 1 2 殷钢材料的特性和应用 表1 1i n v a r 3 6 的化学成分( ) t a b 1 1 c h e m i c a lc o m p o s i t i o no fl n v a r 3 6a l l o y 殷钢材料是l8 9 6 年g u i l l a u m e 为大地测量仪寻找一种长度不随温度波动而变化的金 属材料时发现的【2 4 j 。他是在熔炼了许多铁镍合金之后，在试验镍含量为3 0 6 0 的合 金的过程中，发现含3 6 n i 的合金的室温热膨胀系数最小。这种特殊的合金为f c c 面 心立方晶格结构，具有反常的力学和磁性能，因其长度不随温度改变而被命名为因瓦合 金。到目前为止，已经发现相当数量的因瓦型合金。这些合金显示了较大的自发体积磁 致伸缩，具有较低的线膨胀系数，按照合金中的成分可以分为经典因瓦合金、超因瓦合 金、高强度因瓦合金及含硒因瓦合金。其中i n v a r 3 6 是典型的f e - n i 系低膨胀合金，其 大连理工大学硕士学位论文 应用领域已经从传统的精密仪器向电子工业以及航空航天领域发展【2 5 ，2 6 1 。殷钢i n v a r 3 6 的化学成分如表1 1 所示【2 7 】。 1 2 1殷钢材料的特性 在大气温度变化范围内( - 6 0 ( 2 8 0 c ) ，殷钢i n v a r 3 6 合金具有很低的线热膨胀系 数。根据y b l 3 3 6 9 ，i n v a r 3 6 合金试样在保护气氛或真空中加热到8 5 0 - - 9 0 0 ，保温 6 0 m i n ，以3 0 0 h 的冷却速度冷却至2 0 0 以下出炉，其平均线膨胀系数0 2 0 l o o 1 8 x 1 0 。6 - c 1 2 引。殷钢i n v a r 3 6 在不同温度范围的平均膨胀系数参见表1 2 1 2 9 1 。 表1 2 不同温度范围i n v a r 3 6 合金的平均膨胀系数 t a b 1 2t h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n to fl n v a r 3 6a l l o yi nd i f f e r e mt e m p e r a t u r e 图1 2 所示为殷钢的热膨胀系数随成分的变化曲线3 0 1 ，从图上可以看出随着n i 含 量变化，膨胀系数一成分曲线上出现一个明显的“低谷 ，两侧的“陡坡”表明n i 含 量的增加或减少都会引起0 值的迅速增大。 殷钢厚板材料激光焊接技术实验研究 、 一 、 、一h ；l 1 一- 。 i - ，一 一一 燃 ， ， 一。m 葛强 i v n i 图1 2 殷钢的膨胀系数一成分曲线 f i g 1 2 c u r v eb e t w e e nt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n dc h e m i c a lc o m p o s i t i o no fi n v a ra l l o y 殷钢i n v a r 3 6 的膨胀系数一温度曲线( 见图1 3 ) 表明，虽然常温下n i 含量3 5 4 曲线0 值很小很稳定，当温度上升到一定范围，仅值也会明显增大，在居里点附近( 2 3 0 左右) ，随着温度的升高，a 值迅速增大。作为对比，一并给出了纯n i 及其它几组 n i 百分含量的膨胀系数温度曲线( 见图1 3 ) ，可见常温和低温条件下，殷钢i n v a r 3 6 热膨胀系数不但很小，而且比较稳定。 l l i 甲蔓l 芑 l 考圹 r 乒 名 歹 _ _彬。 旅a 即 l 彩 刁 一 一一 ， 3 毪 j ， l lj 4 7 i jf |， |l ， | | ， l 、 一一 3 0 日古 | 图1 3 几种f e - n i 合金的膨胀系数一温度曲线 f i g 1 3 c u w eb e t w e e nt h e r m a le x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n dt e m p e r a t u r ef o rs e v e r a lf e - n ia l l o y 一蛩。石iuel旦墨8u gls亡09每ldej穹卜 大连理t 大学硕士学位论文 殷钢i n v a r 3 6 材料与常见的奥氏体钢类似，伸长率和断面收缩率较高，而硬度较低， 弹性模量则低于常见的各种钢材，室温下只相当于灰铸铁h t 3 0 0 的水平( 见表1 3 ) 1 3 1 。 表1 3i n v a r 3 6 合金的力学性能 t a b 1 3m e c h a n i c a lp r o p e r t i e so fi n v a r 3 6a l l o y 1 2 2 殷钢材料的发展前景 自从殷钢i n v a r 3 6 及其同族的镍铁合金问世以后，其热膨胀系数极低的特性得到了广 泛迅速地应用。用它们制成的测量仪用薄带、细丝以及座钟的摆成为早期最重要的产品 1 3 2 - 3 5 1 。上世纪2 0 年代镍铁合金代替铂用作与玻璃封接的引丝，大大降低了成本。其他的 应用领域还有灯泡、无线电电子管、恒温器中作控温用的热双金属片、校对量规用的测 量仪器和机器零件等。白炽灯泡封接头的引线也是用镀铜镍铁台金丝( 又称杜美丝) 做 的。 二次大战极大地刺激了对殷钢合金的需求。这些合金在真空管和迅速发展的电子工 业其他产品中的应用扶摇直上。到了五六十年代镍铁合金的用途继续扩大，包括：断路器 中热双金属片的被动层、发动机控制器、电视机温度补偿弹簧、宇航器和汽车中的控制 器以及空调机等方面。作为封接合金还被用于半导体器件和微处理器中的引线通孔、封 装和盖罩封接。 八九十年代热双金属市场继续扩大。同时因瓦合金相当适合做油轮中液态天然气 ( l n g ) 贮槽，因为它的低温收缩量极小。传统的用来做这类设备用的材料是奥氏体不 锈钢，但是在极低温的输送管道上为了吸收管道的热收缩就必须设计成特殊的回路结构。 如果采用极低温至室温热胀系数仅为奥氏体不锈钢1 1 0 的殷钢材料就不需要这样的特 殊设计，可大大降低建设费用。 最近，高分辨率阴极射线管( 显像管) 中的荫罩使因瓦合金发挥出潜力。在日本和欧 洲认为殷钢合金解决了荫罩的“穹面效应。美国人将殷钢合金与高膨胀合金配对做成 挠曲弹簧片，用来使荫罩相对彩色萤光粉重新定位。 新的应用还包括用在精密激光和光学测量系统和波导管中作结构元件、显微镜、天 文望远镜中巨大透镜的支撑系统和需要安装透镜的各种各样科学仪器中。 殷钢厚板材料激光焊接技术实验研究 宇航工业己用因瓦合金做成铸造复合材料零件用的模子。特别是新一代飞机的零 件，要求当先进的复合材料在中等温度下凝固时模子应保持很狭窄的尺寸公差，而殷钢 材料可满足这一要求。 殷钢合金在人造卫星、激光、环形激光陀螺仪和其他先进高科技产品领域的广泛应 用，有力地证明这些古老的材料正在帮助现代科学向更高水平迈进。近年来，由于殷钢 材料在光学设备结构元件、液态天然气( l n g ) 贮槽、大型飞机复合材料模具和其他先 进的高科技产品方面的应用日益广泛，尤其是在光刻机中使用，殷钢材料的焊接研究变 得十分重要，殷钢材料的焊接性能和方法的研究也越来越备受的关注。 1 3 殷钢焊接技术的进展 近年来殷钢合金的研究和应用趋于活跃，随着殷钢合金在液化石油气储气罐、大型 飞机复合材料模具、微电子光刻机等方面的广泛应用，合金的焊接性能变得十分重要。 对殷钢合金焊接性能和方法的研究也越来越受到关注。 殷钢i n v a r 3 6 常温下是单相奥氏体组织，在作为低膨胀结构材料使用时存在焊接性 能差、易产生凝固裂纹的问题。早期的解决殷钢i n v a r 3 6 焊接熔池周围凝固时产生裂纹 的方法主要是在殷钢合金焊丝中加t i ，m n 等合金化元素，同时增加c 的含量，典型的 化学成分为：3 6 n i ，3 m n ，1 t i ，0 1 c ，其余为f e 。殷钢合金焊丝中加入t i 和m n 的主要作用是：防止焊接热裂、作为脱氧剂、形成稳定的高熔点硫化物以及防止焊缝在 受热过程中热裂纹的产生1 2 副。这源于t i 和m n 沉淀物对晶界移动的钉扎作用。最近发 现了一种新的殷钢合金焊丝，用n b 代替t i 和m n ，其典型的化学成分为3 6 n i ，1 5 n b ， 0 2 c ，其余为f e 。这种焊丝可有效防止高热焊接方式焊接殷钢合金时产生热裂纹。以 上改变焊丝化学成分虽然可以改善殷钢i n v a r 3 6 焊接凝固裂纹的问题，但不可避免的会 对材料的热膨胀系数造成影响【3 6 j 。 在焊接方法上，传统的奥氏体钢焊接方式有焊条电弧焊、埋弧焊和气体保护钨电极 弧焊( g t a w ) 。当生产效率要求高时，多采用高热量的焊接方法，如焊条电弧焊和埋弧 焊。焊条电弧焊使用的设备简单，操作方便，灵活可靠，适应性强，这是其获得广泛应 用的重要原因之一。但其焊接接头质量在一定程度上取决于焊工的操作技能，而且焊条 电弧焊劳动条件差。埋弧焊虽然机械化程度高，填充金属耗量低，焊接速度高，但在施 焊过程中无法观察电弧与坡口的相对位置，如没有焊缝自动跟踪装置，很容易造成焊偏 和焊漏。而且这种高热量焊接方式要求焊丝的s 、p 含量十分低，s 含量应少于0 0 0 2 ， 以防止热裂纹的产生，另一方面焊丝的加入同时改变了焊缝区合金的成分，使得合金的 大连理工大学硕士学位论文 膨胀系数发生变化。气体保护钨电极弧焊( g t a w ) 是低热量焊接方法，有利于防止焊接 裂纹的产生，但生产效率不高。特别是焊接厚钢板时，需要进行多层焊接，并需使用填 充焊丝，使得焊接速度慢，效率低，焊接过程中输入工件的热量较高，导致工件变形和 热影响区较大。 大连理工大学吴东江教授科研小组利用脉冲n d ：y a g 激光器对殷钢i n v a r 3 6 薄板材 料进行了焊接实验，对材料激光焊接原理、焊接工艺、焊接质量和性能进行了研究并取 得了激光在热传导焊接殷钢i n v a r 3 6 薄板材料的工艺参数和机械性能，焊接效果与母材 相当，丰富了殷钢材料激光焊接的研究【3 7 3 引。 1 4 激光焊接数值模拟的进展 激光焊接时一个复杂的过程，涉及物理、化学、材料等多个学科，激光与材料之间 复杂的相互作用无法用现有的测量手段进行完美观测，就现有的观测手段来说也是相当 昂贵的，所以通过工艺实验的数据对激光焊接进行深入理解是不切实际的。随着计算机 技术的发展通过对物理过程描述的数学方程来对激光焊接过程进行模拟已成为深入了 解激光焊接过程的有力手段。建立激光焊接的数学模型及激光焊接工艺优化预测模型， 对于预测焊接结果，实现激光焊接工艺参数预选和优化，减少工艺实验次数，甚至控制 激光焊接过程，防止出现焊接缺陷都具有十分重要的意义【3 9 4 2 1 。 焊接过程的仿真近年来得到了国际焊接界的高度重视。美国焊接学会在最近的一份 报告中将焊接过程仿真列入了“未来2 0 年焊接技术发展的关键驱动力”名单中，并且 认为焊接过程仿真是应该最优先发展的技术之一【4 3 1 。2 0 0 1 年，日本通产省召集日本国 内的主要焊接研究机构，制定并开始实施了一项为期五年的“焊接仿真国家工程 ，为 此投资2 0 亿日元。美国民间一些大型企业和研究机构近年来也在焊接仿真的研究方面 做出了重大投资【4 4 _ 4 6 1 。 1 5 本课题的主要任务 本文使用n d ：y a g 脉冲激光对殷钢厚板材料进行了焊接实验进行研究和数值模拟， 主要内容包括： ( 1 ) 厚板材料激光深熔焊原理分析。以激光深熔焊原理为基础，探讨小孔的形成， 焊接过程中影响材料对激光吸收的因素。 ( 2 ) 实验参数的选择。在理论分析的基础上，结合厚板殷钢材料焊接的实际情况， 讨论功率密度、脉冲宽度、焊接速度、脉冲频率、离焦量对焊接过程的影响，给出各工 艺参数的选择依据，初选实验参数。 殷钢厚板材料激光焊接技术实验研究 ( 3 ) 采用单因素实验方法对2 m m 厚度的殷钢i n v a r 3 6 进行焊接实验，研究n d ：y a g 脉 冲激光焊接的工艺参数( 激光功率、焊接速度、脉冲宽度和离焦量) 变化对殷钢i n v a r 3 6 焊接的影响规律。 ( 4 ) 对焊接头质量检测和分析。检测对焊接头表面质量，判断焊缝的熔透性以及是 否有裂纹、塌边等焊接缺陷；检测并分析焊缝的微观组织、晶粒度、物相组成；测试接 头的显微硬度和拉伸强度，综合分析微观组织变化对力学性能的影响，为殷钢i n v a r 3 6 焊接的工业应用提供数据参考。 ( 5 ) 对焊接过程利用a n s y s 建立热力学仿真模型，计算激光焊接过程中殷钢材料温 度场的分布，总结温度分布规律，实现对焊接效果的预测。 大连理工大学硕士学位论文 2 激光深熔焊的原理 2 1 激光焊接模式 金属材料的激光加工主要是基于光热效应的热加工。随着激光功率密度的提高，材 料表面会发生一系列变化，这些变化包括表面温度升高、熔化、气化、形成小孔并出现 光致等离子体。不同功率密度激光辐射金属材料时的主要过程如图2 1 所示。当激光功 率密度小于1 0 4 w c m 2 数量级时，金属吸收激光能量只引起材料表层温度的升高，并没 有发生熔化。当功率密度在大于1 0 4 w c m 2 小于1 0 6 w c m 2 数量级范围内时，金属材料表 层发生熔化。功率密度达到10 6 w c m 2 数量级时，材料表面在激光束的辐照下发生气化， 在气化反冲压力的作用下，液态熔池向下凹陷形成深熔小孔。同时，伴随有金属蒸气电 离形成光致等离子体的现象。当功率密度大于1 0 7 w c m 2 时，光致等离子体将逆着激光 束的入射方向传输，形成等离子体云团，出现等离子体对激光的屏蔽现象1 4 7 。 缓笏 图2 1不同功率密度激光辐照金属材料的主要物理过程 f i g 2 1 m a i np h y s i c a lp h e n o m e n ao fl a s e rb e a mi n t e r a c t i o nw i t hm e t a l s 根据是否产生d , ：f l 效应可以把激光焊接分为两种模式，即热导焊模式和深熔焊模 式。在热导焊接模式中，激光在工件表面被金属材料所吸收，然后通过热传导及熔融金 属对流的形式把能量传向工件内部。此时焊缝熔深较浅，而焊缝的宽度相对较大深宽比 较小。当焊接熔池在金属蒸气反冲压力的作用下向下凹陷形成深熔小孔后，材料对激光 的吸收将发生突变。材料的吸收率将不再仅与激光波长、金属特性和材料表面状态有关， 而主要取决小孔效应和等离子体与激光的相互作用等因素。此时焊接模式由热导焊接转 变为深熔焊接。对于c 0 2 激光焊接，深熔焊形成同时伴随有等离子体的产生，焊缝熔深 有个台阶式的增长。 殷钢厚板材料激光焊接技术实验研究 2 2 深熔焊小孔的形成 激光束作用于金属材料表面时，在低功率密度情况下，金属材料对激光的吸收仅发 生在表面很薄的区域内，使表面温度升高。当激光功率达到材料蒸发所需的临界功率密 度时，金属表面开始发生蒸发。随着激光功率密度的升高，蒸发产生的压力增大，熔池 的下陷深度增加，同时，熔池表面的曲率半径将减小。d u l e y 等人对该阶段激光束与材 料表面作用机制提出激光束自聚焦模型4 9 1 ，如图2 2 所示。由于熔池表面下陷，形成凹 坑，导致激光束辐照在熔池上的入射角发生改变，凹陷的熔池使入射激光经反射后汇聚 于熔池底部，更高的功率密度促使熔池底部金属蒸发加剧，产生的反冲压力升高，促使 熔池进一步下陷。当材料的蒸发压力达到某一临界值时，蒸气产生的反冲压力使下陷的 熔池陡然形成小孔，焊接深度跳跃式增长，材料对激光的吸收率将急剧增加，形成激光 深熔焊接【4 9 , 5 0 。 激光束 图2 2 激光束自聚焦示意图 f i g 2 2 t h e s e l f - f o c u s i n go f a ni n c i d e n tl a s e rb e a m 为形成深熔焊的小孔，金属材料蒸发压力应克服材料的表面张力、静压力和液体的 流动阻力【2 2 1 。 大连理工大学硕士学位论文 ：等+ p g z p g z + p ( 厂) ( 2 1 ) 2 + + p ( ， l 厶i ， 如 其中，仃为液体与气体界面的表面张力，r ，为熔池表面的曲率半径，g 为重力加 速度，z 为熔池的下陷深度，p ( f ) 为液体流动阻力产生的压力。 2 3 金属对激光的吸收 激光作为电磁波在介质中的传播可以用麦克斯韦方程组描述。激光为单色电磁横 波，其电场强度为1 】： e ：e oe x p i a ) ( t 一型) 】 ( 2 2 ) f 其中彩为频率，为材料的复折射率，为时间，为空间位置向量，是激光传播 方向的单位向量。 照射在材料表面的激光遵循能量守恒法则，其中一部分被材料表面反射，一部分进 入材料后被材料吸收，还有一部分透过材料： e o = 巨+ 瓦+ 局 ( 2 3 ) 其中e o 为入射激光的总能量，巨为被材料表面反射的激光能量，e 为被材料吸收 的激光能量，e 为透过材料的激光能量。 根据l a m b e r t b e e r b o u g u e r 定律，进入材料内部的激光，光强，随传播距离z 指数 衰减，深入表层以下z 出的光强为： ，( z ) = ( 1 一r ) i o e 喇 ( 2 4 ) 其中r 为材料表面对激光的反射率，厶为入射激光束的强度，口为材料的吸收系数， ( 1 一r ) i o 为材料表面出的入射光强。 由激光电场强度e 的表达式可得吸收系数a 和吸收指数k 之间的关系为： 口：4 z r k ( 2 5 ) 兄 其中，吸收指数k 为材料复折射率怫的虚部，即= n + i k ；五为激光的波长。由此 得出材料对激光的吸收系数不但与材料种类有关，而且与激光的波长有关。 光强衰减到i 。e 处所传播的距离成为电磁波在介质中传播的趋肤深度或吸收深度， 用6 表示： 万：三：二生 ( 2 6 ) 殷钢厚板材料激光焊接技术实验研究 在金属材料中，吸收指数k 大于1 ，所以穿透深度小于激光的波长，这说明激光焊 接时，激光的穿透深度远远小于材料的厚度，透射到材料中的激光能量在金属表面很薄 的表层内被吸收，材料对激光能量的吸收与材料的厚度无关。研究表明，光在各类金属 中的穿透深度仅为1 0 n m 数量级，因此激光对材料的加热可以看作是一表面热源，在材 料的表层，光能变为热能，热能再通过热传导的方式向材料内部进一步传播。 2 4 影响材料对激光吸收的因素 激光焊接中，总是希望材料对激光的吸收率越高越好，所以对影响材料对激光吸收 率的因素进行讨论可以得出如何提高材料对激光吸收的方法。影响材料吸收率的因素主 要有材料的种类，激光波长，材料温度，表面粗糙度等【2 2 1 。 2 4 1波长对吸收率的影响 由h a g e n r u b e n s 公式： 们4 叫告棚 1 2 胛1 _ 2 括 眩7 ) 允变小时r 降低，短波长激光更易于被金属材料吸收。当允