面向厚板的窄間隙非自熔性激光多道焊接基礎研究結題摘要

厚板焊接是艦船、潛艇和核設施等國防大型設備建造過程中必不可少的關鍵工藝，現(xiàn)有的厚板焊接方法尚不能完全滿足厚板的優(yōu)質高效連接。本項目提出了一種新的方法：窄間隙非自熔性（Non-autogenous）多道激光焊接。該方法在焊前需要預留極小的間隙或加工極窄的坡口，首先采用激光自熔焊打底、然后采用具有橋接能力的激光填絲焊和激光-GMAW（熔化極氣體保護焊）復合焊接的方式進行后續(xù)焊道的熔合，通過多層多道焊實現(xiàn)厚板連接。項目研究了厚板窄間隙條件下焊絲熔入機制及其對焊接過程穩(wěn)定性的影響、多層多道非自熔性激光焊接易發(fā)生缺陷抑制機理、以及三種焊接方法的優(yōu)化組合原則和坡口設計準則，并最終實現(xiàn)40mm厚板的焊接。研究表明，窄間隙激光填絲焊過程中，側壁間隙以及焊絲熔入方式等對焊接過程穩(wěn)定性有較大影響。相對而言，較小的坡口尺寸可以抑制焊絲送入時的偏擺現(xiàn)象以及消除側壁未熔合缺陷，本試驗條件下獲得坡口間隙最大寬度≤2.5mm；窄間隙激光-GMAW復合焊過程中，熔滴過渡作用力的變化特點、小距離側壁對熔滴過渡行為的影響均對焊接過程穩(wěn)定性起著重要作用。較小的電流與坡口角度對于熔滴穩(wěn)定地向坡口底部過渡均起著負面作用。電流越小，坡口角度越小，熔滴過渡作用力越小，熔滴長大明顯，過渡前抖動程度增加，當熔滴與側壁的距離比熔滴與坡口底部的距離更近時，熔滴就在側壁過渡，從而造成焊接過程失穩(wěn)和側壁熔合不良等缺陷。試驗條件下獲得的窄間隙復合焊接優(yōu)化工藝參數(shù)為：坡口角度為15°（坡口間隙的≤7mm)，激光功率4kw,電流240A，光絲間距3mm，焊接速度0.7m/min。通過對16~40mm厚板的窄間隙非自熔激光多層焊的試驗研究，確定了適合于厚板窄間隙非自熔激光多層焊的小角度類Y型坡口形式和尺寸、以及三種焊接方法的優(yōu)化組合策略，并實現(xiàn)了40mm厚板的焊接，其接頭強度可達母材96%以上。 2100433B

針對現(xiàn)代大型結構、壓力容器和國防建設的厚板焊接現(xiàn)有方法效率低、能耗和成本高、接頭熱損傷大等問題，提出基于千瓦級激光器，通過激光自熔焊、激光填絲焊與激光-GMAW復合焊等三種焊接方法的科學組合設計，進行高精度高效率的厚板窄間隙非自熔性激光多道焊接。項目研究著眼于解決該方法目前存在的過程穩(wěn)定性、質量可靠性和工藝適應性不足的問題，深入探討窄間隙條件下焊絲的熔入過渡機制及其對焊接過程穩(wěn)定性的影響、焊接熔池形狀的控制以及易發(fā)生缺陷的控制機理等關鍵問題，并建立基于分層焊縫形貌控制與協(xié)調(diào)的厚板接頭成形控制模型。基于上述關鍵問題的深入認識，建成一套可用于厚板焊接的窄間隙非自熔性激光焊接試驗系統(tǒng)，并用千瓦級激光器實現(xiàn)20~40mm厚板的優(yōu)質高效焊接。該項技術一旦取得突破，對滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和國防建設的短周期、低成本和高質量的迫切需求有著重要意義。

自熔性燒結礦堿度( CaO /SiO2) 與高爐爐渣堿度相當，一般為0. 9 ～ 1. 2。自熔性燒結礦的含鐵礦物主要為磁鐵礦、赤鐵礦，主要黏結相礦物有鈣鐵橄欖石( CaOx ·FeO2 － x ·SiO2) 、鐵酸一鈣( CaO·Fe2O3) 、硅酸二鈣( 2CaO·SiO2) 。這種燒結礦的還原性及軟熔性較酸性燒結礦好，在高爐單獨使用該礦冶煉生鐵時，可少加熔劑，能使煉鐵焦比下降、產(chǎn)量提高。但是自熔性燒結礦的機械強度差、粉末多，不利于高爐強化煉鐵，因而正在逐步被高堿度燒結礦所取代。由于近來球團礦和天然塊礦的成本相對較高，大量使用球團礦或塊礦會導致鐵水成本升高，企業(yè)的生產(chǎn)效益下降，因此新鋼對自熔性燒結進行了燒結試驗研究 。

大厚板窄間隙工藝開發(fā)。 2100433B

通過開發(fā)窄間隙光纖激光-電弧復合焊接新工藝，實現(xiàn)了大厚板的高效率、高質量焊接，掌握了窄間隙條件下復合焊接過程穩(wěn)定性、焊縫成形、微觀組織和接頭力學性能的變化規(guī)律，明晰了空間拘束下的激光-電弧相互作用機理，及其對側壁未熔合缺陷的影響機制，提出了對應的抑制方法或經(jīng)驗公式和基于接頭強韌性增強的組織性能調(diào)控機理。研究結果不但為大厚度接頭高質量焊接提供了一種新方法，而且豐富了窄間隙焊接和激光-電弧復合焊接基礎理論。主要研究結果如下： (1) 將復合焊接坡口寬度成功壓縮至6mm，遠低于窄間隙電弧焊接坡口寬度(10-18mm)，大幅度提高了焊接效率和接頭質量。采用6mm矩形坡口，以9道焊縫實現(xiàn)了40mm低碳鋼的復合焊接，接頭組織性能分布均勻，焊縫截面沿厚度方向不同填充焊道的顯微硬度值差別不超過15 HV0.2，接頭抗拉強度和沖擊吸收功分別比母材提高了49%和60%以上。 (2) 窄間隙復合焊接熱源熔化能增量比開放空間復合焊接提高3-12%，焊縫熔深增加10-22%。發(fā)現(xiàn)空間約束效應是提升窄間隙復合熱源能量傳輸效率，增加焊接熔深的關鍵機制。 (3) 提出了表征復合焊接過程穩(wěn)定性的電弧電信號近似熵半定量分析新方法。近似熵值越小，焊接過程越穩(wěn)定。通過該方法明確了空間約束效應對激光-電弧復合焊接過程穩(wěn)定性的增強程度和作用機制。計算結果表明窄間隙復合焊接近似熵值比開放空間復合焊接低1-16%，焊接過程穩(wěn)定性明顯增強。 (4) 以焊縫表面下凹深度為因變量，采用量綱分析方法建立了窄間隙激光-電弧復合焊接未熔合缺陷定量預測模型，并基于該模型得到兩套未熔合缺陷抑制方案。 (5) 研究發(fā)現(xiàn)電弧模式和保護氣體對窄間隙復合焊接接頭組織性能有明顯影響。其中，CMT（Cold Metal Transfer）電弧因為熱輸入低于常規(guī)脈沖電弧和短路電弧，其復合焊接接頭具有最小的焊縫平均晶粒尺寸、最高的針狀鐵素體含量和最佳力學性能。其次，隨著保護氣體中CO2含量增加，窄間隙復合焊接熔池冷卻速度加快，Mn元素燒損加劇，最終導致接頭針狀鐵素體含量減少，力學性能下降。 2100433B