面向厚板的窄间隙非自熔性激光多道焊接基础研究

针对现代大型结构、压力容器和国防建设的厚板焊接现有方法效率低、能耗和成本高、接头热损伤大等问题，提出基于千瓦级激光器，通过激光自熔焊、激光填丝焊与激光-GMAW复合焊等三种焊接方法的科学组合设计，进行高精度高效率的厚板窄间隙非自熔性激光多道焊接。项目研究着眼于解决该方法目前存在的过程稳定性、质量可靠性和工艺适应性不足的问题，深入探讨窄间隙条件下焊丝的熔入过渡机制及其对焊接过程稳定性的影响、焊接熔池形状的控制以及易发生缺陷的控制机理等关键问题，并建立基于分层焊缝形貌控制与协调的厚板接头成形控制模型。基于上述关键问题的深入认识，建成一套可用于厚板焊接的窄间隙非自熔性激光焊接试验系统，并用千瓦级激光器实现20~40mm厚板的优质高效焊接。该项技术一旦取得突破，对满足现代工业生产和国防建设的短周期、低成本和高质量的迫切需求有着重要意义。

厚板焊接是舰船、潜艇和核设施等国防大型设备建造过程中必不可少的关键工艺，现有的厚板焊接方法尚不能完全满足厚板的优质高效连接。本项目提出了一种新的方法：窄间隙非自熔性（Non-autogenous）多道激光焊接。该方法在焊前需要预留极小的间隙或加工极窄的坡口，首先采用激光自熔焊打底、然后采用具有桥接能力的激光填丝焊和激光-GMAW（熔化极气体保护焊）复合焊接的方式进行后续焊道的熔合，通过多层多道焊实现厚板连接。项目研究了厚板窄间隙条件下焊丝熔入机制及其对焊接过程稳定性的影响、多层多道非自熔性激光焊接易发生缺陷抑制机理、以及三种焊接方法的优化组合原则和坡口设计准则，并最终实现40mm厚板的焊接。研究表明，窄间隙激光填丝焊过程中，侧壁间隙以及焊丝熔入方式等对焊接过程稳定性有较大影响。相对而言，较小的坡口尺寸可以抑制焊丝送入时的偏摆现象以及消除侧壁未熔合缺陷，本试验条件下获得坡口间隙最大宽度≤2.5mm；窄间隙激光-GMAW复合焊过程中，熔滴过渡作用力的变化特点、小距离侧壁对熔滴过渡行为的影响均对焊接过程稳定性起着重要作用。较小的电流与坡口角度对于熔滴稳定地向坡口底部过渡均起着负面作用。电流越小，坡口角度越小，熔滴过渡作用力越小，熔滴长大明显，过渡前抖动程度增加，当熔滴与侧壁的距离比熔滴与坡口底部的距离更近时，熔滴就在侧壁过渡，从而造成焊接过程失稳和侧壁熔合不良等缺陷。试验条件下获得的窄间隙复合焊接优化工艺参数为：坡口角度为15°（坡口间隙的≤7mm)，激光功率4kw,电流240A，光丝间距3mm，焊接速度0.7m/min。通过对16~40mm厚板的窄间隙非自熔激光多层焊的试验研究，确定了适合于厚板窄间隙非自熔激光多层焊的小角度类Y型坡口形式和尺寸、以及三种焊接方法的优化组合策略，并实现了40mm厚板的焊接，其接头强度可达母材96%以上。