304不锈钢激光焊接头微观组织与力学性能研究文档格式.docx
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答辩小组组长
成绩:
院长(主任)签字
年月日
毕业论文任务书
题 目
......
........
承担指导任务单位
金属材料工程系
导师姓名
.......
导师职称
主要内容及要求:
在发达国家,不锈钢板材在生物制药、医疗器械、微电子、精密仪器制造、核工业、航空航天等领域得到了广泛应用。
目前采用不锈钢焊接技术的研究主要集中在电阻焊、高能束焊、搅拌摩擦焊等焊接方法上。
激光焊接具有功率密度高、光束质量优良、能量集中、小巧灵活等优点,而且激光束聚焦后可获得很小的光斑,能精密定位,焊接速度快,变形小,热影响区小,能够对304不锈钢进行很好地焊接,与传统的焊接方法相比较有较大的优势。
本课题使用激光焊设备对304不锈钢进行对接焊接,对焊接接头进行微观组织观察和力学性能测试。
主要研究方法:
运用激光焊接对304不锈钢进行对接试验;
运用线切割机床对焊后304不锈钢进行取样,并制作金相试样;
运用奥林巴斯光镜对制好的金相试样的不同区域进行微观组织观察;
运用显微硬度测试仪对金相试样进行显微硬度测试;
运用液压伺服试验机对加工好的接头进行拉伸试验,测试其力学性能。
工程背景知识:
(1不锈钢各种焊接方法的优缺点比较;
(2)304不锈钢的主要性能及优点;
(3)薄板对接焊的要领;
(4)激光焊的相关背景知识。
课题进度计划:
第4周至第6周查阅相关文献及背景知识
第7周至第9周翻译外文文献
第10周至第13周根据试验内容逐步完成试验
第14周至第16周撰写论文,制作幻灯片准备答辩
教研室主任签字
时 间
年 月日
毕业论文开题报告
题目
专业
班级
............
1、研究背景及意义
不锈钢板广泛应用于常压容器以及生物工程、化学工程、航空、核工业等领域。
304不锈钢作为奥氏体不锈钢的一种,有耐蚀性好、无磁性等优点,具有较高的韧性和塑性。
近些年来,在航空航天、电子器件、医疗器械、核工业、机械仪表等方面的应用越来越多。
因此,不锈钢制品的封装和焊接变得十分重要。
传统的焊接方法虽然能够对304不锈钢进行焊接,但激光焊接具有传统焊接无法比拟的优点,能有效地提高焊接质量减少焊接缺陷。
304不锈钢板焊接技术的研究便是在这种背景下产生的。
本文采用连续光纤激光焊对304不锈钢(150×
50×
1.45)进行了对接焊。
采用线切割对焊后的304不锈钢接头进行取样,并进行金相试样的制备。
运用奥林巴斯光镜对制好的金相试样的不同区域进行显微组织观察。
运用显微硬度测试仪对金相试样进行显微硬度测试。
运用大型材料伺服试验机对加工好的接头试样进行拉伸试验,测试其力学性能。
通过以上试验方法对304不锈钢激光焊接头进行微观组织与力学性能研究。
为304不锈钢成功的对接焊做出了一定的贡献。
二、研究主要任务
(1)了解304不锈钢的化学成分,以及焊接过程中易出现的缺陷;
(2)了解激光焊的原理及特点,运用光纤激光焊对304不锈钢板进行对接焊接;
(3)采用线切割机床对焊后304不锈钢进行取样,并制成金相试样;
(4)运用奥林巴斯光镜对制好的金相试样的不同区域进行显微组织观察;
(5)运用显微硬度测试仪对金相试样进行显微硬度测试;
(6)运用液压伺服试验机对加工好的接头试样进行拉伸试验,测试其力学性能;
三、国内外研究现状
世界各国对激光加工技术的研究都非常重视。
以美国、日本和德国为首的发达国家针对激光加工技术制定了各自的发展计划:
如美国的“战略防御倡议”、“激光核壤变计划”、英国的“阿维尔计划”、西欧的“尤里卡计划”、“德国的激光2000”、日本的“激光研究五年计划”等。
此外,近几年分布在亚洲的中国和韩国的激光加工系统正在迅速增加。
目前304不锈钢的激光焊接主要应用领域为汽车行业军工行业。
随着全球汽车产业的蓬勃发展,作为先进制造技术代表的激光加技术广泛应用于汽车制造业中。
充分发挥了激光加工精益、敏捷和柔性的技术优势。
其中以激光切割和焊接技术在车身制造中的应用最为广泛。
因此各国正积极的研究不锈钢激光焊。
四、预期达到的结果
光纤激光焊是一种高能焊接方法,能很好的解决焊接缺陷问题,得到高质量的焊接接头。
本文运用激光焊对304不锈钢板材进行对接试验,接头形式为对接接头。
对304不锈钢焊接头进行接头的微观组织观察、接头显微硬度测试与力学性能测试,课题研究为304不锈钢焊接工艺提供参考,同时为304不锈钢在载运工具中广泛应用奠定基础。
五、初步计划
第4周-第6周查阅文献资料,提出研究方案
第7周-第9周进行试验,对试验结果进行分析研究
第10周-第13周针对问题,修订方案,补充完善试验
第14周-第16周撰写论文,制作幻灯片,准备答辩
指导教师签字
时间
年月日
摘要
本试验采用连续激光焊对304不锈钢(150×
1.45)进行了对接焊,采用奥林巴斯显微镜和显微硬度测试仪分别进行显微组织观察和显微硬度测试,采用液压伺服试验机进行拉伸试验。
研究结果表明:
304不锈钢激光焊的对接接头由焊核区,热影响区,以及母材组成。
热影响区非常窄,几乎看不到。
焊缝中心处为细小的等轴晶,焊缝边缘接近母材处为柱状晶。
焊缝处的晶粒要比母材的晶粒小。
热影响区晶粒明显长大,在靠近熔合线处的高温加热区有新的铁素体相析出。
在整个焊缝横截面上,焊缝边缘等轴晶处硬度最高,焊缝中心处的硬度较低,垂直于焊缝方向上的硬度曲线为“M”形。
焊缝深度方向上硬度均匀。
对试件进行拉伸试验时,基本都达到了国标规定的抗拉强度,随着焊接功率的增大,焊件的力学性能逐渐降低。
试件均在热影响区断裂,表明此处为整个试件的薄弱之处。
该课题的研究对304不锈钢在相关领域的应用做出了贡献。
关键词:
304不锈钢激光焊微观组织力学性能
Abstract
Stainlesssteeliswidelyusedinpressurevessel,biologicalengineering,chemicalengineering,aerospace,nuclearindustryandotherfields.304stainlesssteelasanausteniticstainlesssteelhasgoodcorrosionresistance,non-magnetic,etc,hightoughnessandductility.Inrecentyears,applicationsintheaerospace,electronics,medicalequipment,nuclearindustry,machinery,instrumentsandotheraspectsaremoreandmore.Therefore,packagingandweldingofstainlesssteelproductshavebecomeveryimportant.While304stainlesssteelcanbeweldedbytraditionalweldingmethods,laserweldinghasincomparableadvantages,whichcaneffectivelyimprovethequalityofweldingandreduceweldingdefects.Studyof304stainlesssteelweldingtechniquesisgeneratedinthiscontext.
Inthisstudies,304stainlesssteel(150×
1.45)werebuttweldedbyconsecutivelaserwelding,UsingOlympusmicroscopeandmicrohardnesstestertoobservemicrostructureandtestmicro-hardness,Usinghydraulicservotestingmachinetotesttensile.Theresultsshowthat304stainlesssteellaserweldedbuttjointsarecomposedbythenucleararea,theheat-affectedzone,andbasemetal.Heat-affectedzoneisverynarrow,almostinvisible.Atthecenteroftheweldarethefineisometriccrystalsandweldedgeclosertobasemetalarethecolumnarcrystals.Theweldcrystalissmallerthanthebasematerialcrystal.Intheentirecrosssectionoftheweld,thehardnessofweldedgeofisometriccrystalsishighest,thehardnessatthecenteroftheweldislower,thehardnesscurveofperpendiculartheweldis"
M"
shape.Thehardnessofwelddepthdirectionisuniform.Forthespecimenstensiletest,basicallyreachedthetensilestrengthofthenationalstandard,withtheincreaseoftheweldingpower,mechanicalpropertiesofweldmentsdecreased.Specimenswerebrokenintheheataffectedzone,indicatehereisweaknessesattheentirespecimen.
Thestudiesofsubjectsmakeacontributioninrelatedfields.
Keywords:
304stainlesssteelLaserWeldingMicrostructureMechanicalProperties
目录
第1章绪论1
1.1304不锈钢的特性1
1.2304不锈钢的应用范围2
1.3304不锈钢的焊接2
1.3.1常用的焊接方法2
1.3.2304不锈钢的激光焊接3
1.4激光焊简介3
1.4.1激光焊接原理3
1.4.2激光焊接特点4
1.4.3激光焊接技术的应用5
1.5研究的目的及意义6
1.6研究的主要内容6
第2章试验材料及方法7
2.1试验材料7
2.2焊接试验工艺及过程7
2.2.1激光焊设备7
2.2.2激光焊接参数及工艺流程8
2.3线切割取样9
2.4金相试样的制备10
2.4.1镶嵌10
2.4.2试样的磨光与抛光10
2.5试样的显微组织观察11
2.5.1GX51型奥林巴斯金相显微镜的特点11
2.5.2GX51型奥林巴斯金相显微镜的操作步骤12
2.6接头显微硬度测试12
2.6.1硬度测试仪器12
2.6.2HVS-1000型数显显微硬度计操作13
2.7焊接接头的拉伸试验14
2.7.1液压伺服试验机概述14
2.7.2液压伺服试验机的操作步骤15
第3章试验结果与分析16
3.1焊接工艺16
3.2焊缝横截面形貌和显微组织17
3.3接头的显微硬度分析19
3.4拉伸试验结果分析24
3.5本章小结28
第4章结论与展望29
4.1结论29
4.2展望29
参考文献30
致谢31
附录32
第1章绪论
1.1304不锈钢的特性
304不锈钢作为一种用途广泛的钢材,属于奥氏体不锈钢的一种,常温下具有奥氏体组织。
主要化学成分如下:
C:
≤0.07,Si:
≤1.0,Mn:
≤2.0,Cr:
17.0~19.0,Ni:
8.0~11.0,S:
≤0.03,P:
≤0.035。
由于此不锈钢含有较高的铬,可形成致密的氧化膜,所以具有良好的耐蚀性且耐氧化性酸介质腐蚀。
具有高韧性和塑性,但强度较低,不可能通过相变使之强化,仅能通过冷加工进行强化。
与碳钢相比具有较大的伸长率和断面收缩率,硬度较低。
通常通过加工硬化来提高硬度。
无磁性,但其冷加工硬化生成马氏体相变时将会产生磁性,可用热处理方法来消除这种马氏体组织而恢复其无磁性。
抗拉强度、屈服强度和硬度,随着温度的降低而提高;
塑性则随着温度降低而减小。
温度在15~800C℃范围内抗拉强度增长是较为均匀的。
更重要的是:
随着温度的降低,其冲击韧度减少缓慢,并不存在脆性转变温度,所以不锈钢在低温时能保持足够的塑性和韧性[1]。
表1-1304不锈钢的主要力学性能
抗拉强度σb(MPa)
屈服强度σ0.2(MPa)
伸长率δ(%)
断面收缩率ψ(%)
硬度
≥520
≥205
≥40
≥60
≤187HB;
≤90HR;
≤200HV
与碳钢相比,具有下列特点:
(1)低的热导率,约为碳钢的1/3。
(2)高的电阻率,约为碳钢的5倍;
(3)大的线膨胀系数,比碳钢大40%,并随着温度的升高,线膨胀系数的数值也相应地提高;
基于上述特点,304不锈钢在焊接过程中存在一系列问题,如下:
(1)粗晶奥氏体不锈钢热导率低,采用传统电弧焊容易造成焊缝和近缝区晶粒粗大,影响焊接接头性能。
(2)热应力奥氏体不锈钢导热率大约只有碳钢的一半,而线膨胀系数却大得多,所以焊后在接头中会产生很大的内应力。
(3)气孔液体金属的粘度及表面张力较大,易产生气孔;
焊缝金属润湿性差,焊缝两侧易产生咬边。
(4)热裂纹奥氏体钢的结晶凝固区间大,结晶时间长,且奥氏体结晶方向性强,所以杂质偏析较严重,易产生热裂纹。
(5)飞溅[2]。
1.2304不锈钢的应用范围
304不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢,作为一种用途广泛的钢,具有良好的耐蚀性、耐热性,低温强度和机械特性;
冲压、弯曲等热加工性好,无热处理硬化现象(无磁性,使用温度-196℃~800℃)。
在大气中耐腐蚀,如果是工业性气氛或重污染地区,则需要及时清洁以避免腐蚀。
适合用于食品的加工、储存和运输。
具有良好的加工性能和可焊性。
应用于板式换热器、波纹管、家庭用品(1、2类餐具、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、浴缸),汽车配件(风挡雨刷、消声器、模制品),医疗器具,建材,化学,食品工业,农业,船舶部件以及各种建筑用途等。
304不锈钢为国家认可的食品级不锈钢。
1.3304不锈钢的焊接
1.3.1常用的焊接方法
目前,304不锈钢焊接技术的研究主要集中在电弧焊、搅拌摩擦焊等焊接方法上。
(1)熔化极气体保护电弧焊(MAG)
熔化极气体保护电弧焊是电弧焊接中一个广泛应用的焊接方法,是利用连续送进的焊丝与工件之间燃烧的电弧作热源,由焊炬嘴喷出的气体来保护电弧进行焊接的。
尽管MAG焊可以方便地进行各种位置的焊接,具有焊接速度较快(一般焊接速度为300~500mm/min)、熔敷率高等优点,但是由于需要添丝,人工焊接,热输入不稳定,因此易产生焊渣、飞溅、弧坑气孔及表面裂纹焊接缺陷,热影响区较大,因此常用于厚度1.0mm以上的板材焊接[3]。
(2)钨极氩弧焊(TIG)
目前,钨极惰性气体保护焊(简称TIG)广泛应用于各行各业,尤其是在不锈铡薄板的焊接中应用更为广泛。
其原理是在惰性气体的保护下,利用钨电极与工件问产生的电弧热熔化母材和填充焊丝(如果使用填充焊丝)的一种焊接方法。
由于TIG焊应用了脉冲电弧,它具有热输入低、热量集中、焊缝各点的热输入均匀,能较好地控制热输八量,保护气流具有冷却作用,可降低熔池表面温度,提高熔池表面张力.容易观察熔泊状态。
焊缝连接致密,表面成形美观。
尽管TIG被广泛应用于不锈钢的焊接中,但这种方法主要存在以下缺点:
1焊接接头热影响区宽,易出现粗晶区,导致焊接力学性能降低。
2钨极氩弧焊电弧的热功率低,所以焊接速度较慢。
3液体金属的粘度及表面张力较大,易产生气孔;
焊缝金属润湿性差,焊缝两侧易产生咬边[4]。
(3)搅拌摩擦焊(FSW)
搅拌摩擦焊是利用肩台和搅拌头与工件间的摩擦热使接合面处的金属塑性化并在搅拌头和肩台的共同牵引、搅动作用下向后流动、填充形成固相焊缝的过程,与传统焊接方法相比,FSW热源来自工件和搅拌头之间的摩擦,焊接温度一般低于材料熔点,焊接过程中没有工件熔化,故产生气孔的几率很小,而且接头残余内应力和工件变形也很小,从而排除了焊接缺陷产生的可能性。
目前,不锈钢搅拌摩擦焊还处于初步研究阶段,受到焊接工艺和搅拌头的限制,不锈钢的FSW接合板材厚度目前多为3~6mm[5]。
1.3.2304不锈钢的激光焊接
随着工业激光器的出现,激光焊接技术以其独特的优点,得到了日益广泛的应用和不断地开发与研究。
光焊接技术目前已经广泛应用于不锈钢的焊接生产中,在厚板焊接时多用C02激光器,薄板焊接时一般采用Nd:
YAG激光器。
1.4激光焊简介
1.4.1激光焊接原理
激光――“受激辐射放大”是通过强光照射激光发生介质,使介质内部原子的电子获得能量,受激而使电子运动轨道发生迁移,由低能态变为高能态。
处于激发态的原子,受外界辐射感应,使处于激发态的原子跃迁到低能态,同时发出一束光;
这束光在频率、相位、传播方向、偏振等方面和入射光完全一致,此时的光为受激辐射光。
为了得到高能量密度、高指向性的激光,必须要有封闭光线的谐振腔,使观光束在置于激光发生介质两侧的反射镜之间往复振荡,进而提高光强,同时提高光的方向性。
激光焊接就是用此聚焦的激光束轰击焊件产生热量进行焊接的一种高效精密的焊接方法。
图1-1激光焊接示意图
1.4.2激光焊接特点
激光焊接技术以其独特的优点,得到了日益广泛的应用。
与其它焊接技术相比,激光焊接的主要优点是:
1、速度快、深度大、变形小。
2、能在室温或特殊条件下进行焊接,焊接设备装置简单。
例如,激光通过电磁场,光束不会偏移;
激光在真空、空气及某种气体环境中均能施焊,并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接。
3、可焊接难熔材料如钛、石英等,并能对异性材料施焊,效果良好。
4、激光聚焦后,功率密度高,在高功率器件焊接时,深宽比可达5:
1,最高可达10:
1。
5、可进行微型焊接。
激光束经聚焦后可获得很小的光斑,且能精确定位,可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中。
6、可焊接难以接近的部位,施行非接触远距离焊接,具有很大的灵活性。
尤其是近几年来,在YAG激光加工技术中采用了光纤传输技术,使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用。
7、激光束易实现光束按时间与空间分光,能进行多光束同时加工及多工位加工,为更精密的焊接提供了条件
[6]。
但是,激光焊接也存在着一定的局限性:
1、要求焊件装配精度高,且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。
这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小,焊缝窄,为加填充金属材料。
若工件装配精度或光束定位精度达不到要求,很容易造成焊接缺陷。
2、激光器及其相关系统的成本较高,一次性投资较大。
1.4.3激光焊接技术的应用
(1)制造业应用
激光拼焊(TailoredBlandLaserWelding)技术在国外轿车制造中得到广泛的应用。
日本以CO2激光焊代替了闪光对焊进行制钢业轧钢卷材的连接。
日本还在世界上首次成功开发了将YAG激光焊用于核反应堆中蒸气发生器细管的维修等。
(2)粉末冶金领域
在八十年代初期,激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域,为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景,如采用粉末冶金材料连接中常用的钎焊的方法焊接金刚石,由于结合强度低,热影响区宽特别是不能适应高温及强度要求高而引起钎料熔化脱落,采用激光焊接可以提高焊接强度以及耐高温性能。
(3)汽车工业
德国奥迪、奔驰、大众、瑞典的沃尔沃等欧洲的汽车制造厂早在20世纪80年代就率先采用激光焊接车顶、车身、侧框等钣金焊接,90年代美国通用、福特和克莱斯勒公司竟相将激光焊接引入汽车制造,尽管起步较晚,但发展很快[7]。
(4)电子工业
激光焊接在电子工业中,特别是微电子工业中得到了广泛的应用。
由于激光焊接热影响区小加热集中迅速、热应力低,因而正在集成电路和半导体器件壳体的封装中,显示出独特的优越性,在真空器件研制中,激光焊接也得到了应用,如钼聚焦极与不锈钢支持环、快热阴极灯丝组件等。
(5)生物医学
生物组织的激光焊接始于20世纪70年代,Klink等及jain用激光焊接输卵
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