不銹鋼焊接件激光沖擊波強(qiáng)化抗氣蝕工藝及機(jī)理研究.pdf

1、液化天然氣(LNG)是一種優(yōu)質(zhì)、高效和經(jīng)濟(jì)的清潔能源，開發(fā)LNG汽車成為人們普遍認(rèn)可的有效的節(jié)能減排措施，同時(shí)推動(dòng)了配套的LNG加氣站的發(fā)展和推廣應(yīng)用。但是LNG加氣站中不銹鋼低溫泵氣蝕問題嚴(yán)重影響加氣站的穩(wěn)定運(yùn)行，針對(duì)該現(xiàn)狀，結(jié)合本課題組長(zhǎng)期從事激光沖擊波強(qiáng)化研究成果，本文提出采用激光沖擊波強(qiáng)化技術(shù)改善撬裝式LNG加氣站成套裝備中不銹鋼焊接件抗氣蝕性能，并從光纖激光焊接工藝參數(shù)的選擇、激光沖擊處理對(duì)不銹鋼焊接件抗氣蝕性能的影響規(guī)律和微

2、觀機(jī)理、激光沖擊不銹鋼焊接件抗氣蝕電化學(xué)腐蝕性能的影響、以及激光沖擊波強(qiáng)化與氣蝕微射流應(yīng)力場(chǎng)分布情況的模擬分析這四個(gè)方面開展研究，獲得了如下主要進(jìn)展和創(chuàng)新成果:
　　 (1)進(jìn)行了304奧氏體不銹鋼激光焊接工藝研究，獲得了不銹鋼焊接件的最優(yōu)光纖激光焊接工藝參數(shù):
　　 基于正交試驗(yàn)，對(duì)奧氏體不銹鋼厚板進(jìn)行光纖激光焊接，研究光纖激光功率、離焦量和焊接速度等激光焊接工藝參數(shù)對(duì)焊接件質(zhì)量的影響，獲得了最優(yōu)光纖激光焊接工藝參數(shù)組

3、合:4000W光纖激光功率，-3mm離焦量和35mm/s焊接速度，同時(shí)從微觀形貌和力學(xué)性能加以驗(yàn)證該組參數(shù)的可行性。與CO2和Nd:YAG不銹鋼焊接件相比，光纖不銹鋼焊接件的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)寬度很小，焊縫區(qū)中間出現(xiàn)了殘余壓應(yīng)力，在焊縫區(qū)和母材交界處出現(xiàn)了最大殘余拉應(yīng)力，相比之下光纖不銹鋼焊接件的殘余拉應(yīng)力幅值最小。另外，光纖不銹鋼焊接件的顯微硬度和拉伸性能最高。揭示了光纖激光焊接過程中晶粒演變過程，焊縫區(qū)的微觀組織明顯不同于其他區(qū)域。<

4、br>　　 (2)開展了304奧氏體不銹鋼焊接件抗氣蝕強(qiáng)化工藝與微觀機(jī)理研究，獲得了激光沖擊處理對(duì)不銹鋼焊接件抗氣蝕性能的影響規(guī)律以及激光沖擊焊接件抗氣蝕性能的強(qiáng)化機(jī)理:
　　 氣蝕后，焊縫區(qū)和熱影響區(qū)表面被破壞，出現(xiàn)起伏組織。采用激光沖擊處理不銹鋼焊接件，隨著激光沖擊波強(qiáng)化脈沖能量的增加，馬氏體強(qiáng)度相對(duì)提高、馬氏體剝落得到抑制，表面和橫截面硬度增加，累積質(zhì)量損失和表面氣蝕破壞面積減小。這是由于經(jīng)激光沖擊波強(qiáng)化后，馬氏體晶粒細(xì)

5、化，不銹鋼焊接件氣蝕后表面起伏組織變淺變疏，表面裂紋萌生和擴(kuò)展得到抑制，因此激光沖擊波強(qiáng)化能夠提高不銹鋼焊接件抗氣蝕性能。另外，熱影響區(qū)更容易遭受氣蝕破壞，熱影響區(qū)表面氣蝕形貌與焊縫區(qū)不同，焊縫區(qū)氣蝕后出現(xiàn)的起伏組織呈現(xiàn)枝狀晶形態(tài)，而熱影響區(qū)起伏組織則是普通形態(tài)。經(jīng)激光沖擊波強(qiáng)化后表面形貌氣蝕破壞程度得到緩解，主要原因在于激光沖擊波強(qiáng)化使不銹鋼焊接件產(chǎn)生塑性變形，在此過程中晶粒細(xì)化并且滑移系增加。
　　 (3)探索了304奧氏體

6、不銹鋼焊接件抗氣蝕電化學(xué)腐蝕工藝，獲得了激光沖擊波強(qiáng)化前后不銹鋼焊接件腐蝕疲勞性能的變化規(guī)律:
　　 經(jīng)激光沖擊波強(qiáng)化后，不銹鋼焊接件焊縫區(qū)和熱影響區(qū)中的殘余拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)闅堄鄩簯?yīng)力，最大殘余壓應(yīng)力值出現(xiàn)在各區(qū)域表面，且焊縫區(qū)殘余壓應(yīng)力值高于熱影響區(qū)。材料內(nèi)部晶粒細(xì)化，產(chǎn)生塑性變形，出現(xiàn)許多顯微臺(tái)階，滑移系變多變密。氣蝕后，與未經(jīng)激光沖擊處理的不銹鋼焊接件相比，經(jīng)激光沖擊處理得到的焊縫區(qū)和熱影響區(qū)表面氣蝕粗糙度降低，且焊縫區(qū)表面粗

7、糙度小于熱影響區(qū)。激光沖擊波強(qiáng)化后，在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5wt.％的NaCl腐蝕介質(zhì)中，不銹鋼焊接件抗氣蝕電化學(xué)腐蝕性能增強(qiáng)，主要表現(xiàn)為自腐蝕電位增加且自腐蝕電流降低，極化曲線出現(xiàn)了明顯的鈍化區(qū)。焊縫區(qū)點(diǎn)蝕坑的分布與尺寸更加均勻，點(diǎn)蝕坑尺寸減少。熱影響區(qū)的氣蝕電化學(xué)腐蝕形貌與焊縫區(qū)不同，原先片狀分布的大腐蝕坑變小變淺。
　　 (4)對(duì)比研究了激光沖擊波強(qiáng)化與氣蝕微射流應(yīng)力場(chǎng)理論，計(jì)算出氣蝕空泡生長(zhǎng)潰滅全過程的脈動(dòng)曲線，模擬分析了激光

8、沖擊波強(qiáng)化對(duì)不銹鋼內(nèi)部應(yīng)力分布和氣蝕微射流對(duì)材料的影響規(guī)律:
　　 基于激光沖擊誘導(dǎo)產(chǎn)生的沖擊應(yīng)力波在奧氏體不銹鋼有限元模型中傳播得到的VonMises應(yīng)力、殘余應(yīng)力各方向分量以及強(qiáng)度理論應(yīng)力分布云圖，發(fā)現(xiàn)激光沖擊波強(qiáng)化后，由于塑性波加載，當(dāng)應(yīng)力值超過動(dòng)態(tài)屈服強(qiáng)度時(shí)，深度方向上就會(huì)發(fā)生更大程度的塑性變形。高幅值的殘余應(yīng)力出現(xiàn)在近表層區(qū)域，激光沖擊波強(qiáng)化工藝參數(shù)決定了殘余應(yīng)力的影響層深度，對(duì)奧氏體不銹鋼機(jī)械性能的改善起到了關(guān)鍵作用

9、。選擇對(duì)氣蝕中單個(gè)球形空泡在無窮域靜止流體中的平衡進(jìn)行分析，推導(dǎo)得出氣蝕主要與汽化壓力有關(guān)，因此在撬裝式LNG加氣站中更易發(fā)生氣蝕現(xiàn)象。氣蝕空泡生長(zhǎng)潰滅全過程階段呈現(xiàn)類似正弦的脈動(dòng)曲線，潰滅階段則是更明顯的阻尼振蕩模式。研究氣蝕空泡潰滅產(chǎn)生的微射流對(duì)奧氏體不銹鋼表面的影響，獲得奧氏體不銹鋼內(nèi)部VonMises應(yīng)力和各主應(yīng)力分布云圖，發(fā)現(xiàn)空泡潰滅產(chǎn)生的微射流應(yīng)力趨勢(shì)與激光沖擊波強(qiáng)化誘導(dǎo)的應(yīng)力場(chǎng)類似，但流場(chǎng)作用在材料表面出現(xiàn)的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于