高强钢厚板激光-GMAW复合双面同步横焊特性研究

摘要

舰船、大型储罐、压力容器和管道等大型厚壁构件对高效激光-GMAW复合焊接技术的需求十分迫切。对于一些大型结构件来说，横焊是一种重要连接形式，受重力的影响，熔滴过渡行为更加复杂，焊缝成形控制难度也更大，易产生侧壁未熔合和未焊透等缺陷。本文以此为研究目标，针对30 mm厚船用高强钢对接接头横焊应用需求，开展激光-GMAW复合双面同步焊技术的系统研究。针对激光-GMAW复合焊接技术一直以来备受关注的熔滴过渡行为，接头非均匀性对其力学性能的影响等问题开展系统的研究。
　　首先，研究激光与连续、脉冲两种不同形式电弧复合平焊过程，激光对熔滴过渡行为的基本影响规律。试验结果表明，激光-GMAW复合焊过程，对于连续电流电弧，激光影响熔滴过渡频率、直径和落点，其波动幅是脉冲电流电弧的3倍；而对于脉冲电流电弧，激光主要影响熔滴落点。与激光-连续电流电弧复合焊相比，激光-脉冲电流电弧复合焊的熔滴过渡更加稳定，更适合激光-GMAW复合焊接。在此基础上，深入研究激光-脉冲电流电弧复合横焊熔滴过渡行为，确定电弧形态是实现激光-GMAW复合横焊熔滴稳定过渡的主要控制因素。对于连续、脉冲电流电弧，激光引入后，弧柱区体积减小，电弧收缩，改变了熔滴所受的电磁力和等离子流力的方向，进而影响熔滴落点。针对横焊位姿因重力、非对称坡口对熔滴、电弧的影响，利用激光对电弧的吸引和收缩作用，通过减小光-丝间距，有效地抑制了电弧侧壁燃弧，熔滴在电磁力和等离子流力的作用下，稳定过渡到熔池中，实现了横焊位姿30mm厚船用高强钢激光-GMAW复合焊熔滴过渡稳定性控制，解决了激光-GMAW复合横焊位姿电弧偏离和熔滴下落等过程控制难题与侧壁未熔合问题。
　　进一步，开展30mm厚船用高强钢对接接头激光-GMAW复合双面同步横焊工艺研究，优化打底层和填充层焊接工艺，获得接头尺寸主要控制因素。采用激光-GMAW复合双面同步焊新方法，4道焊接完成了30mm厚船用高强钢横焊位姿的高强、高效连接。焊缝表面成形良好，无裂纹、未焊透、侧壁未熔合和气孔等缺陷。接头屈服强度、抗拉强度和抗疲劳裂纹扩展性能均高于母材，-50℃接头冲击韧性吸收功达到57.3 J。激光-GMAW复合双面同步焊的打底层焊接是保证焊接质量的关键，打底层焊缝熔深的主要影响因素是焊接速度；焊缝中心熔宽的主要影响因素是激光功率；焊缝表面熔宽则主要取决于电弧电流。打底层焊接应采用高激光功率(4.7 kW)，低焊接速度(0.6 m/min)，保证双面熔池贯通，可以有效抑制未焊透和气孔缺陷，焊缝熔深可达18 mm。填充层焊接则应采用小激光功率（1.9 kW）引导电弧实现稳定填充。
　　因激光与电弧热源的作用区域与能量密度不同，造成焊缝不同位置的几何尺寸、微观组织结构表现出较大的不均匀性，因此焊缝不同位置的力学性能也呈现出较大的差异。大体上，焊缝中的激光作用区的平均熔深是电弧作用区的2倍，平均熔宽是电弧作用区的1/4；激光作用区的平均晶粒尺寸是电弧作用区的1/2，大角度晶界（>15°）的比例比电弧作用区提高了24％。焊缝中的激光作用区在-50℃下的屈服强度、抗拉强度、断后延伸率和冲击吸收功分别比电弧作用区提高了13%、8%、3.1倍和78%；在应力强度因子幅为80 MPa·m1/2时，焊缝中的激光作用区抗疲劳裂纹扩展性能比焊缝电弧作用区提高了17%。
　　厚板高强钢激光-GMAW复合双面同步横焊焊缝激光作用区对焊缝整体性能的提高起着决定性作用，形成的细晶、高比例大角度晶界（>15°）微观组织结构是其静、动载性能明显高于焊缝电弧作用区的主要原因。

目录

封面

中文摘要

英文摘要

目录

第1章 绪 论

1.1 课题背景及研究目的与意义

1.2 厚板主要焊接方法

1.3 厚板激光-GMAW复合焊接研究进展

1.4 激光-GMAW复合焊熔滴过渡行为研究进展

1.5 激光-GMAW复合焊的关键性问题分析

1.6 课题的主要研究内容

第2章 试验材料及方法

2.1 试验材料

2.2 试验方法与设备

2.3 组织结构分析方法

2.4 性能分析方法

第3章 激光-G M AW复合焊熔滴过渡特性及其稳定性控制

3.1 引言

3.2 熔滴过渡行为的表征参数

3.3 激光-GMAW复合焊的熔滴过渡与电弧特性

3.4 横焊位姿激光-GMAW复合焊熔滴稳定过渡控制

3.5 本章小结

第4章 高强钢激光-G M AW复合双面横焊的工艺特性

4.1 引言

4.2 打底层焊接工艺研究

4.3 填充层焊接工艺研究

4.4 接头整体性能

4.5 激光-GMAW复合双面同步横焊工艺稳定性验证

4.6 本章小结

第5章 高强钢激光-G M AW复合焊接头的非均匀特性

5.1 引言

5.2 材料特性

5.3 接头尺寸的非均匀性

5.4 接头微观组织结构的非均匀性

5.5 本章小结

第6章 高强钢激光-G MAW复合焊接头力学性能分析

6.1 引言

6.2 显微硬度

6.3 低温拉伸性能

6.4 低温冲击性能

6.5 抗低周疲劳裂纹扩展性能

6.6 本章小结

结论

创新点

参考文献

攻读博士学位期间发表的论文及其它成果

攻读博士学位期间发表的其他学术论文及专利

声明

致谢

个人简历