面向厚板的窄間隙非自熔性雷射多道焊接基礎研究

《面向厚板的窄間隙非自熔性雷射多道焊接基礎研究》是依託華中科技大學，由王春明擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：面向厚板的窄間隙非自熔性雷射多道焊接基礎研究
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：王春明
• 依託單位：華中科技大學

中文摘要

針對現代大型結構、壓力容器和國防建設的厚板焊接現有方法效率低、能耗和成本高、接頭熱損傷大等問題，提出基於千瓦級雷射器，通過雷射自熔焊、雷射填絲焊與雷射-GMAW複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雷射多道焊接。項目研究著眼於解決該方法目前存在的過程穩定性、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定性的影響、焊接熔池形狀的控制以及易發生缺陷的控制機理等關鍵問題，並建立基於分層焊縫形貌控制與協調的厚板接頭成形控制模型。基於上述關鍵問題的深入認識，建成一套可用於厚板焊接的窄間隙非自熔性雷射焊接試驗系統，並用千瓦級雷射器實現20~40mm厚板的優質高效焊接。該項技術一旦取得突破，對滿足現代工業生產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。

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，現有的厚板焊接方法尚不能完全滿足厚板的優質高效連線。本項目提出了一種新的方法：窄間隙非自熔性（Non-autogenous）多道雷射焊接。該方法在焊前需要預留極小的間隙或加工極窄的坡口，首先採用雷射自熔焊打底、然後採用具有橋接能力的雷射填絲焊和雷射-GMAW（熔化極氣體保護焊）複合焊接的方式進行後續焊道的熔合，通過多層多道焊實現厚板連線。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定性的影響、多層多道非自熔性雷射焊接易發生缺陷抑制機理、以及三種焊接方法的最佳化組合原則和坡口設計準則，並最終實現40mm厚板的焊接。研究表明，窄間隙雷射填絲焊過程中，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；窄間隙雷射-GMAW複合焊過程中，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定性起著重要作用。較小的電流與坡口角度對於熔滴穩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和側壁熔合不良等缺陷。試驗條件下獲得的窄間隙複合焊接最佳化工藝參數為：坡口角度為15°（坡口間隙的≤7mm），雷射功率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雷射多層焊的試驗研究，確定了適合於厚板窄間隙非自熔雷射多層焊的小角度類Y型坡口形式和尺寸、以及三種焊接方法的最佳化組合策略，並實現了40mm厚板的焊接，其接頭強度可達母材96%以上。