论文总字数：24154字

摘 要

316L奥氏体不锈钢由于其优良的耐点蚀性、耐高温、抗蠕变性，主要应用于纸浆业、胶片胶卷、各区域的管道以及建筑材料等等方面。可以说，目前工业的各个领域都有316L奥氏体不锈钢的参与。同时在加工316L不锈钢过程中，相比较于传统焊接技术，激光焊接技术是目前更具有发展潜力的焊接技术。所以研究激光焊接过程中，如果能获得最适合于316L奥氏体不锈钢的焊接速度和激光功率，将对日后生产中316L不锈钢的焊接有重大意义。

本文将针对1mm厚的316L奥氏体不锈钢进行激光焊接模拟实验，对不同焊接速度和激光功率下，焊接接头温度场分布、变形情况以及应力应变场分布进行研究，得出最佳的焊接参数。本文将利用Visual Environment创建焊接三维模型，设置不同的焊接参数（焊接速度、激光功率）进行激光焊接模拟实验，焊后得到相对应的温度场分布、变形情况和应力应变场分布图。

研究发现：当焊接速度v=25mm/s（研究范围为15~35mm/s）、激光功率P=1800W时（研究范围为1600~2000W），能够得到最佳的焊接接头质量，应力应变满足焊接材料许可，最小变形量为0.22mm。

本文的特色：不同于线下的焊接试验，本文利用仿真模拟软件进行线上模拟实验来达到研究目的。

关键词：316L奥氏体不锈钢；焊接速度；激光功率；Visual Environment；温度场；应力应变；变形

Abstract

316L Austenitic stainless steel is mainly used in pulp industry, film, pipelines in various areas, building materials and so on due to its excellent pitting corrosion resistance, high temperature resistance and creep resistance. It can be said that 316L Austenitic stainless steel is currently involved in all fields of industry. At the same time, in the process of processing 316L stainless steel, compared with the traditional welding technology, laser welding technology is currently a welding technology with more development potential. Therefore, if the welding speed and laser power most suitable for 316L Austenitic stainless steel can be obtained during laser welding, it will be of great significance for the welding of 316L stainless steel in future production.

In this paper, laser welding simulation experiments will be carried out for 316L Austenitic stainless steel with a thickness of 1 mm. The temperature field distribution, deformation and stress-strain field distribution of welded joints under different welding speeds and laser power are studied, and the best welding parameters are obtained. In this paper, Visual Environment will be used to create a three-dimensional welding model, and different welding parameters (welding speed and laser power) will be set to carry out laser welding simulation experiments. after welding, corresponding temperature field distribution, deformation and stress-strain field distribution maps will be obtained.

The results show that when the welding speed v=25mm/s (the research range is 15~35mm/s) and the laser power P=1800W (the research range is 1600~2000W), the best welding joint quality can be obtained, the stress and strain meet the welding material permission, and the minimum deformation is 0.22 mm.

Characteristics of this paper: Different from offline welding experiments, this paper uses simulation software to conduct online simulation experiments to achieve research purposes.

Key words: 316L Austenitic stainless steel; Welding speed; Laser power; Visual Environment; Temperature field; Stress and strain; deformed

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景 1

1.1.1 奥氏体不锈钢 1

1.1.2 国内外研究现状 2

1.2 激光焊接技术 4

1.3 焊接模拟实验 5

1.3.1 计算机模拟技术 6

1.3.2 Visual Environment介绍 6

1.4 本文研究内容 7

第2章 实验材料、方法 8

2.1 实验材料 8

2.2 试验方法 8

2.2.1 Visual Mesh模型创建 8

2.2.2 Visual Weld 焊接参数设置及模拟实验 9

2.2.3 Visual Viewer焊后观察结果 11

第3章 结果分析 23

3.1 温度场分析 23

3.2 焊后变形情况分析 24

3.2.1 纵向变形 24

3.2.2 横向变形 25

3.3.3 变形量分析总结 26

3.3 应力场分析 26

3.3.1 Y-Z截面上的应力 26

3.3.2 X-Y截面上的应力 27

3.3.3 X-Z截面上的应力 27

3.3.4 应力场结果分析 27

3.4 应变分析 28

3.4.1 纵向应变 28

3.4.2 横向应变 29

3.4.3 应变分析总结 29

第4章 实验结论 30

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 奥氏体不锈钢

不锈钢指的是具备不易被空气、水蒸气等弱腐蚀介质腐蚀特性的钢种。简单来说，不锈钢具有不锈性。它起源于第一次世界大战时期，由英国科学家亨利·布雷尔利发明。不锈钢的碳含量都较低，一般不到1.2%，其主要的合金成分是Cr，并且Cr的含量与不锈钢的耐腐蚀性有关，含量到达一定值时，会使钢获得耐腐蚀性。当然，不锈钢能够使用至今并一直都是钢材中的“佼佼者”，这与其具备的特性息息相关。不锈钢拥有良好的焊接性、耐腐蚀性、抛光性能以及耐热性能。在整个工业生产过程中，每种产品对于材料焊接性能的要求会根据产品用途的变化而不同。不锈钢这些优良的特性让其被广泛应用于钢管、热水器以及餐具等领域。发展至今，“不锈钢”代表的不单单只是一种不锈钢，现在已经投入工业使用的不锈钢中就已达到一百多种，而且每一种钢种都对应着拥有自己独特的性能，在各个领域发挥着作用。

较为常见的不锈钢有马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢、双相不锈钢以及沉淀硬化不锈钢等。其中，奥氏体不锈钢是现在不锈钢种类中使用量最大的一种。其中铁-铬-镍系合金、铁-铬-镍-锰系和特殊奥氏体不锈钢最为普遍。下表1.1列举了各种奥氏体不锈钢的钢号。

表1.1 奥氏体不锈钢钢号

奥氏体不锈钢于1913年在德国被发现，在后续的百年里，它在原有成分的基础上有了很大的改善，具体如下^[1]：

1. Mo含量的增加，使不锈钢的点蚀和耐缝隙腐蚀性得到提升；
2. Ni和Cr的含量增加，使不锈钢的高温抗氧化性和强度得到提升；
3. Ni含量的增加，使不锈钢的抗应力腐蚀性能得到提升；
4. S、Se的含量增加，使不锈钢的切削性和构件表面精度得到提升；
5. 随着碳含量的减少或Ti或Nb、Ta等稳定元素含量的增加，焊接材料的晶间腐蚀倾向得到减少。

1.1.2 国内外研究现状

奥氏体不锈钢具有优秀的力学性能、耐腐蚀和抗晶间腐蚀性，在化学工业、石油精炼工业、造纸工业、合成树脂工业、肥料工业、航天航空、军事医疗、核电设备、机械仪表等各个领域应用广泛。为了在使用奥氏体不锈钢时，能够得到最好的产品，国内外的研究人员也进行了很多种测试研究。徐昊、李萍等^[2]研究发现，长久发展以来，虽然奥氏体不锈钢的综合性能有了很大的提升，但是奥氏体不锈钢设备的腐蚀问题依旧是一道难题。一旦装有有毒有害介质的奥氏体不锈钢材质的压力容器发生应力腐蚀或是晶间腐蚀，后果都不堪设想。所以在使用过程中一定要警惕，做好预防措施。李宁、王来成等^[3]将 ThermoCalc 软件的 Python 接口与304控氮奥氏体不锈钢结合起来，研究500℃下，不锈钢析出相与铬、镍含量的关系，分析得到，在铬和镍的共同作用下，析出的铁素体相含量减少，且随着铬含量的增加，析出的σ 相含量增加， HCP 相含量降低。孙振超、李鹏远等^[4]对316LN不锈钢分别进行手工MAG、手工TIG和窄间隙TIG焊接来探讨不同的焊接方法对焊缝金属低温韧性的影响。结果发现相同情况下，使用窄间隙TIG焊后的焊缝金属低温韧性最好，然后是手工TIG，最差的是手工MAG。陈浩、蒋奕锋等^[5]通过研究Super304H奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏感性，发现当不锈钢中的碳含量小于0.087%，铌与碳含量比值大于5.76时不易产生晶间腐蚀裂纹。同时层间温度和焊接电流对接头晶间腐蚀敏感性有影响，最佳控制层间温度不超过100℃，焊接电流在105A左右。王坤、陈爱英^[6]研究超级奥氏体不锈钢发现，不锈钢可以通过其特有的孪晶界的元素富集作用，可以控制高温条件下析出相的分布。这一研究结果对耐高温钢材的制备都有很大的帮助。董樑、陈艺、刘重阳^[7]就近几年发生的多起由于在制造、安装过程中有缺陷而导致的奥氏体不锈钢管道法兰不合格，结果表明，在焊接过程中使用超低碳304L焊条，且焊接方法为氩弧焊，这样不仅仅能够降低焊接过程中不锈钢金属材料发生局部敏化的几率，还能避免因晶界贫铬、残余应力等各种因素产生的应力腐蚀开裂。程艳艳^[8]研究分析奥氏体不锈钢激光焊接技术，发现奥氏体不锈钢独特的焊接性使得激光焊接的结果比传统焊接方法要更好，注意的是，保护气体的选择也会对焊接接头的质量造成很大的影响。赵迪、李光福等^[9]将几种奥氏体不锈钢的焊接板放入FeCl₃中浸泡，发现焊缝区的耐点蚀性要高于母材，且热影响区的耐点蚀性最弱。而焊缝区耐点蚀性的强弱主要是由铬、钼、镍的含量决定的，含量越高，耐点蚀性越强。纯硼酸溶液有利于控制点蚀的发生，所以可以将焊接板放入纯硼酸溶液中，但是要控制水温不宜过高以及氯离子的含量不易过高，这些都会使其发生点蚀。宋佳锋^[10]研究奥氏体不锈钢在石化业中的应用，说要获得高质量的焊接接头，需要选用最佳的焊接方法、焊接工艺参数以及焊条种类。汪海涛、毕宗岳等^[11]发现S32205双相不锈钢在激光焊接的过程中，激光功率的大小对焊接接头质量有很大影响，功率过小，焊不透；功率过大，表面质量差。且保护气体可以减少夹杂、氧化物的产生。为了获得具有优良力学性能对的焊接接头，可以采用快速中频感应加热和控制冷却的热处理方法。Peihao Geng; Guoliang Qin等^[12]使用2D有限元模拟1045碳钢到304不锈钢的CDFW，研究焊接参数对温度和变形的影响，观察到由于两种不同钢的不同本构行为，得到的不对称分布的应力场。在热过程的准稳定状态下，应力和应变速率变得稳定。在CDFW过程中，相比于340不锈钢，1045碳钢具有更好的热延展性。同时，随着摩擦压力的增加，峰值温度降低；随着转速的增加，界面上的峰值温度增加，差异变形量减小。Kehun Dai、Peng He等^[13]研究316LN氩弧焊焊缝金属的组织和力学性能，发现未处理的焊态金属具有树枝状亚晶粒、颗粒、位错以及在树枝状亚晶粒边界处的锰和钼富集。在诸如1000℃的低固溶温度下，不能消除枝晶亚晶和合金元素的偏析。当固溶温度达到1200℃时，随着枝晶亚晶的消失，含锰和钼的颗粒也会溶解在基体中。另外，溶液温度的升高会导致晶粒尺寸增大。固溶处理后，由于位错密度的降低、合金元素偏析程度的改变以及晶粒尺寸的增大，会使得焊缝金属的显微硬度降低。Seong-Jong Kim、Min-Su Han等^[14]液化天然气船双燃料发动机双壁气管奥氏体不锈钢在10% H₂C₂O₂ -H₂O溶液中的腐蚀行为，阳极极化实验表明，焊接区钝化时的电流密度明显高于母材，各相同焊接区的极化行为几乎相同。相反，扫描电镜表面观察显示，在STS 316L相同的焊接区比在STS 304相同的焊接区有更多的局部腐蚀损伤，这可能是由于在焊接区和基体材料之间形成了微原电池。恒电位实验后的表面观察表明，点蚀局部发生在通过阳极极化曲线测得的点蚀电位以下0.8 V的电位处，点蚀电位处的损伤急剧增加。点蚀损伤后，由于钝化膜的去除，腐蚀损伤类型变为晶间损伤，且损伤随着电位的增加而增强。S.H.Baghjari、S.A.A.AkbariMousavi^[15]研究AISI 420不锈钢与可伐合金异种脉冲Nd:YAG激光焊接，实验发现奥氏体相凝固的形态基本上是蜂窝状的，泡孔的尺寸很小。在可伐面的熔合边界，由于焊缝金属和可伐晶体结构的相似性，在此区域产生了外延生长区。AISI 420不锈钢的热影响区显示出高的显微硬度。其原因可能是热影响区铁素体晶界M₂₃C₆碳化物的过度析出和粗化。观察到kovar合金的晶粒尺寸没有明显变化。同时铬和碳元素通过两种机制增加奥氏体相的硬度:固溶强化和碳化铬沉淀强化机制。Fernanda Santos等^[16]研究A516级70碳钢焊缝上新型316L奥氏体不锈钢涂层的力学性能和显微组织表征，发现对异种金属的机械和微观结构特征的分析揭示了一种创新的材料，异种金属是在美国材料试验协会A516 Gr. 70碳钢表面用声表面波工艺焊接的一层AISI 316L不锈钢。并且拉伸试验表明，即使在基底金属中加入不同的材料，机械强度性能仍保持不变。

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