窄間隙光纖雷射-電弧複合焊接關鍵技術與機理研究

《窄間隙光纖雷射-電弧複合焊接關鍵技術與機理研究》是依託華中科技大學，由高明擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：窄間隙光纖雷射-電弧複合焊接關鍵技術與機理研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：高明
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

現有電弧窄間隙焊接工藝存在熱輸入大、接頭性能不理想和結構變形大的問題，是制約船舶、核設施、石油管道等領域大厚度接頭結構製造質量和效率提升的主要技術瓶頸之一。為此，本項目提出開發窄間隙光纖雷射-MIG電弧複合焊接新工藝，利用光纖雷射優異的光束質量和複合焊接的技術優勢來縮小坡口間隙，減少焊道數量，提高工藝穩定性和接頭質量。本項目將圍繞其中的關鍵科學問題進行研究，重點研究窄間隙空間拘束效應對雷射電漿、電弧動態行為和物性參數的影響規律，明晰窄間隙條件下的雷射-電弧相互作用機理，探討雷射-電弧相互作用對窄間隙工藝的穩定增強機制。在此基礎上研究雷射-電弧相互作用對窄間隙熔池動態行為、焊縫微觀組織、側壁未熔合缺陷的影響規律，及其和接頭力學行為的相互關聯。最後歸納總結側壁未熔合缺陷抑制方法或理論計算公式，基於接頭強韌性增強原則提出接頭組織性能調控機理。研究結果對豐富焊接基礎理論具有重要意義。

結題摘要

通過開發窄間隙光纖雷射-電弧複合焊接新工藝，實現了大厚板的高效率、高質量焊接，掌握了窄間隙條件下複合焊接過程穩定性、焊縫成形、微觀組織和接頭力學性能的變化規律，明晰了空間拘束下的雷射-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驗公式和基於接頭強韌性增強的組織性能調控機理。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雷射-電弧複合焊接基礎理論。主要研究結果如下： (1) 將複合焊接坡口寬度成功壓縮至6mm，遠低於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。採用6mm矩形坡口，以9道焊縫實現了40mm低碳鋼的複合焊接，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，接頭抗拉強度和衝擊吸收功分別比母材提高了49%和60%以上。 (2) 窄間隙複合焊接熱源熔化能增量比開放空間複合焊接提高3-12%，焊縫熔深增加10-22%。發現空間約束效應是提升窄間隙複合熱源能量傳輸效率，增加焊接熔深的關鍵機制。 (3) 提出了表征複合焊接過程穩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，焊接過程越穩定。通過該方法明確了空間約束效應對雷射-電弧複合焊接過程穩定性的增強程度和作用機制。計算結果表明窄間隙複合焊接近似熵值比開放空間複合焊接低1-16%，焊接過程穩定性明顯增強。 (4) 以焊縫表面下凹深度為因變數，採用量綱分析方法建立了窄間隙雷射-電弧複合焊接未熔合缺陷定量預測模型，並基於該模型得到兩套未熔合缺陷抑制方案。 (5) 研究發現電弧模式和保護氣體對窄間隙複合焊接接頭組織性能有明顯影響。其中，CMT（Cold Metal Transfer）電弧因為熱輸入低於常規脈衝電弧和短路電弧，其複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，窄間隙複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。