大型複雜結構件高功率雷射焊接的基礎研究

《大型複雜結構件高功率雷射焊接的基礎研究》是依託華中科技大學，由李培根擔任項目負責人的專項基金項目。

基本介紹

• 中文名：大型複雜結構件高功率雷射焊接的基礎研究
• 項目類別：專項基金項目
• 項目負責人：李培根
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

本項目針對大功率海洋動力定位裝備、大推力火箭發動機等高服役性能裝備中大型複雜結構件的焊接製造難題，開展高功率雷射焊接基礎問題研究，豐富和完善大型複雜結構件高功率雷射焊接製造控形控性的理論和技術基礎，提升高功率雷射焊接製造的科學性。重點探索高功率雷射作用下快速熔化凝固過程中多物態傳熱傳質機理，尋求焊接熔池小孔穩定性的動力學條件；基於連續冶金反應模型和多相流數值模擬，定量預測熔凝區形狀、成分和組織；研究接頭微觀組織演變規律，掌握接頭微觀組織及介觀熔凝區形狀與力學性能相關性規律；建立面向拼裝狀態和動態工況的複雜結構件高功率雷射焊接參數線上生成與實時控制方法；最終實現大型複雜結構件高功率雷射焊接製造的精確控形控性。

結題摘要

本項目針對大功率海洋動力定位推進器等高服役性能裝備中大型複雜構件的焊接製造難題，從高功率雷射焊接機理、工藝和過程控制三方面展開研究，取得的主要成果包括：建立了高功率雷射焊接多相流數值模型，闡明了熔池、小孔、電漿的相互作用機制，揭示了熔池與小孔多旋渦紊流動態行為、焊縫成形機理以及介觀熔池非平衡凝固過程中的組織轉變行為；發現了高功率雷射焊接工藝參數與接頭形狀和組織分布相關性規律，揭示了接頭形狀和組織對接頭性能的影響機制，建立了獲得3種典型材料良好接頭完整性的工藝條件；分析了高功率雷射焊接拼裝狀態對整體焊縫形狀及性能的影響，提出了複雜拼縫形貌的變基準測量與動態建模方法，建立了面向拼裝狀態的參數線上生成策略，實現了基於實時檢測和動態補償的焊接過程閉環控制。 本項目取得了以下核心創新：①建立了能精確描述高功率雷射焊接小孔寬開口特點的複合自適應熱源模型，為熔池小孔精確模擬提供基礎；②發現了高功率雷射焊接熔池多漩渦流動行為，從本質上闡明了焊縫成形機理；③發現了高功率雷射焊縫中存在軸向晶粒，並闡明軸向晶粒對焊縫組織性能的影響機制。以上創新工作為解決高功率雷射焊接快速熔化與凝固過程中多物態的熱質傳遞機理、熔凝區形狀和組織與接頭性能的相關性規律等關鍵科學問題提供了有效途徑。 在Corrosion Science、Journal of Alloys and Compounds、Materials & Design、International Journal of Heat and Mass Transfer、Applied Thermal Engineering、Journal of Materials Processing Technology等權威期刊上發表SCI論文41篇，在國際焊接學會年會（IIW）、國際光電子與雷射套用會議（ICALEO）等高水平學術會議上發表論文6篇，項目成員獲“第一屆雷射複合製造協同創新國際論壇”傑出青年學者獎，申請發明專利9項（授權6項）、授權實用新型專利4項。本項目相關研究成果為2015年國家科技進步一等獎“汽車製造中的高質高效雷射焊接、切割關鍵工藝及成套裝備”、2017年湖北省科技進步一等獎“大型高參數壓力容器製造成套裝備及其關鍵技術的研發與套用”提供了支撐。