面向厚板的窄间隙非自熔性激光多道焊接基础研究中文摘要

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。 2100433B

自熔性烧结矿碱度( CaO /SiO2) 与高炉炉渣碱度相当，一般为0. 9 ～ 1. 2。自熔性烧结矿的含铁矿物主要为磁铁矿、赤铁矿，主要黏结相矿物有钙铁橄榄石( CaOx ·FeO2 － x ·SiO2) 、铁酸一钙( CaO·Fe2O3) 、硅酸二钙( 2CaO·SiO2) 。这种烧结矿的还原性及软熔性较酸性烧结矿好，在高炉单独使用该矿冶炼生铁时，可少加熔剂，能使炼铁焦比下降、产量提高。但是自熔性烧结矿的机械强度差、粉末多，不利于高炉强化炼铁，因而正在逐步被高碱度烧结矿所取代。由于近来球团矿和天然块矿的成本相对较高，大量使用球团矿或块矿会导致铁水成本升高，企业的生产效益下降，因此新钢对自熔性烧结进行了烧结试验研究 。

大厚板窄间隙工艺开发。 2100433B

通过开发窄间隙光纤激光-电弧复合焊接新工艺，实现了大厚板的高效率、高质量焊接，掌握了窄间隙条件下复合焊接过程稳定性、焊缝成形、微观组织和接头力学性能的变化规律，明晰了空间拘束下的激光-电弧相互作用机理，及其对侧壁未熔合缺陷的影响机制，提出了对应的抑制方法或经验公式和基于接头强韧性增强的组织性能调控机理。研究结果不但为大厚度接头高质量焊接提供了一种新方法，而且丰富了窄间隙焊接和激光-电弧复合焊接基础理论。主要研究结果如下： (1) 将复合焊接坡口宽度成功压缩至6mm，远低于窄间隙电弧焊接坡口宽度(10-18mm)，大幅度提高了焊接效率和接头质量。采用6mm矩形坡口，以9道焊缝实现了40mm低碳钢的复合焊接，接头组织性能分布均匀，焊缝截面沿厚度方向不同填充焊道的显微硬度值差别不超过15 HV0.2，接头抗拉强度和冲击吸收功分别比母材提高了49%和60%以上。 (2) 窄间隙复合焊接热源熔化能增量比开放空间复合焊接提高3-12%，焊缝熔深增加10-22%。发现空间约束效应是提升窄间隙复合热源能量传输效率，增加焊接熔深的关键机制。 (3) 提出了表征复合焊接过程稳定性的电弧电信号近似熵半定量分析新方法。近似熵值越小，焊接过程越稳定。通过该方法明确了空间约束效应对激光-电弧复合焊接过程稳定性的增强程度和作用机制。计算结果表明窄间隙复合焊接近似熵值比开放空间复合焊接低1-16%，焊接过程稳定性明显增强。 (4) 以焊缝表面下凹深度为因变量，采用量纲分析方法建立了窄间隙激光-电弧复合焊接未熔合缺陷定量预测模型，并基于该模型得到两套未熔合缺陷抑制方案。 (5) 研究发现电弧模式和保护气体对窄间隙复合焊接接头组织性能有明显影响。其中，CMT（Cold Metal Transfer）电弧因为热输入低于常规脉冲电弧和短路电弧，其复合焊接接头具有最小的焊缝平均晶粒尺寸、最高的针状铁素体含量和最佳力学性能。其次，随着保护气体中CO2含量增加，窄间隙复合焊接熔池冷却速度加快，Mn元素烧损加剧，最终导致接头针状铁素体含量减少，力学性能下降。 2100433B