面向厚板的窄間隙非自熔性激光多道焊接基礎(chǔ)研究

厚板焊接是艦船、潛艇和核設(shè)施等國防大型設(shè)備建造過程中必不可少的關(guān)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(zhì)高效連接。本項(xiàng)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(yù)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(hù)焊）復(fù)合焊接的方式進(jìn)行后續(xù)焊道的熔合，通過多層多道焊實(shí)現(xiàn)厚板連接。項(xiàng)目研究了厚板窄間隙條件下焊絲熔入機(jī)制及其對(duì)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(jī)理、以及三種焊接方法的優(yōu)化組合原則和坡口設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，并最終實(shí)現(xiàn)40mm厚板的焊接。研究表明，窄間隙激光填絲焊過程中，側(cè)壁間隙以及焊絲熔入方式等對(duì)焊接過程穩(wěn)定性有較大影響。相對(duì)而言，較小的坡口尺寸可以抑制焊絲送入時(shí)的偏擺現(xiàn)象以及消除側(cè)壁未熔合缺陷，本試驗(yàn)條件下獲得坡口間隙最大寬度≤2.5mm；窄間隙激光-GMAW復(fù)合焊過程中，熔滴過渡作用力的變化特點(diǎn)、小距離側(cè)壁對(duì)熔滴過渡行為的影響均對(duì)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(duì)于熔滴穩(wěn)定地向坡口底部過渡均起著負(fù)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(dòng)程度增加，當(dāng)熔滴與側(cè)壁的距離比熔滴與坡口底部的距離更近時(shí)，熔滴就在側(cè)壁過渡，從而造成焊接過程失穩(wěn)和側(cè)壁熔合不良等缺陷。試驗(yàn)條件下獲得的窄間隙復(fù)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(duì)16~40mm厚板的窄間隙非自熔激光多層焊的試驗(yàn)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(shí)現(xiàn)了40mm厚板的焊接，其接頭強(qiáng)度可達(dá)母材96%以上。 2100433B

針對(duì)現(xiàn)代大型結(jié)構(gòu)、壓力容器和國防建設(shè)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(jí)激光器，通過激光自熔焊、激光填絲焊與激光-GMAW復(fù)合焊等三種焊接方法的科學(xué)組合設(shè)計(jì)，進(jìn)行高精度高效率的厚板窄間隙非自熔性激光多道焊接。項(xiàng)目研究著眼于解決該方法目前存在的過程穩(wěn)定性、質(zhì)量可靠性和工藝適應(yīng)性不足的問題，深入探討窄間隙條件下焊絲的熔入過渡機(jī)制及其對(duì)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(jī)理等關(guān)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?；谏鲜鲫P(guān)鍵問題的深入認(rèn)識(shí)，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(yàn)系統(tǒng)，并用千瓦級(jí)激光器實(shí)現(xiàn)20~40mm厚板的優(yōu)質(zhì)高效焊接。該項(xiàng)技術(shù)一旦取得突破，對(duì)滿足現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)和國防建設(shè)的短周期、低成本和高質(zhì)量的迫切需求有著重要意義。

自熔性燒結(jié)礦堿度( CaO /SiO2) 與高爐爐渣堿度相當(dāng)，一般為0. 9 ～ 1. 2。自熔性燒結(jié)礦的含鐵礦物主要為磁鐵礦、赤鐵礦，主要黏結(jié)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(jié)礦的還原性及軟熔性較酸性燒結(jié)礦好，在高爐單獨(dú)使用該礦冶煉生鐵時(shí)，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(jié)礦的機(jī)械強(qiáng)度差、粉末多，不利于高爐強(qiáng)化煉鐵，因而正在逐步被高堿度燒結(jié)礦所取代。由于近來球團(tuán)礦和天然塊礦的成本相對(duì)較高，大量使用球團(tuán)礦或塊礦會(huì)導(dǎo)致鐵水成本升高，企業(yè)的生產(chǎn)效益下降，因此新鋼對(duì)自熔性燒結(jié)進(jìn)行了燒結(jié)試驗(yàn)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(fù)合焊接新工藝，實(shí)現(xiàn)了大厚板的高效率、高質(zhì)量焊接，掌握了窄間隙條件下復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性、焊縫成形、微觀組織和接頭力學(xué)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(jī)理，及其對(duì)側(cè)壁未熔合缺陷的影響機(jī)制，提出了對(duì)應(yīng)的抑制方法或經(jīng)驗(yàn)公式和基于接頭強(qiáng)韌性增強(qiáng)的組織性能調(diào)控機(jī)理。研究結(jié)果不但為大厚度接頭高質(zhì)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(fù)合焊接基礎(chǔ)理論。主要研究結(jié)果如下： (1) 將復(fù)合焊接坡口寬度成功壓縮至6mm，遠(yuǎn)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(zhì)量。采用6mm矩形坡口，以9道焊縫實(shí)現(xiàn)了40mm低碳鋼的復(fù)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(qiáng)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(fù)合焊接熱源熔化能增量比開放空間復(fù)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(yīng)是提升窄間隙復(fù)合熱源能量傳輸效率，增加焊接熔深的關(guān)鍵機(jī)制。 (3) 提出了表征復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性的電弧電信號(hào)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(yīng)對(duì)激光-電弧復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性的增強(qiáng)程度和作用機(jī)制。計(jì)算結(jié)果表明窄間隙復(fù)合焊接近似熵值比開放空間復(fù)合焊接低1-16%，焊接過程穩(wěn)定性明顯增強(qiáng)。 (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(fù)合焊接未熔合缺陷定量預(yù)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(hù)氣體對(duì)窄間隙復(fù)合焊接接頭組織性能有明顯影響。其中，CMT（Cold Metal Transfer）電弧因?yàn)闊彷斎氲陀诔Ｒ?guī)脈沖電弧和短路電弧，其復(fù)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(xué)性能。其次，隨著保護(hù)氣體中CO2含量增加，窄間隙復(fù)合焊接熔池冷卻速度加快，Mn元素?zé)龘p加劇，最終導(dǎo)致接頭針狀鐵素體含量減少，力學(xué)性能下降。 2100433B