薄壁密集焊缝结构是航空航天、造船及轨道交通等领域的重要结构形式,光纤激光焊接是该类结构有效、可靠的加工方法。构件变形和尺寸收缩是该类构件密集焊接时面临的两个主要技术难题。采用高频随焊冲击的方法进行相关试验,分析该方法对焊缝形貌、表面应力、焊接变形及尺寸收缩的影响规律。通过搭建专用装置模拟了薄壁密集焊缝结构的焊接,将随焊高频冲击位置设置在熔池后方的高温焊缝区。试验结果表明:针对GH3128高温合金薄板,该方法可将焊缝焊后的纵向残余应力由无冲击时的均值390.9 MPa调整为116.1 MPa,减小了约70%;该方法可将构件垂直于焊缝方向的翘曲变形量降低74.5%,将沿焊缝方向的尺寸收缩降低80%;针对06Cr19Ni10材料的圆筒形薄壁构件的多道焊接试验,随焊高频冲击可将构件的尺寸收缩由无冲击时的0.95 mm减小到0.29 mm。

采用高速摄像仪观察了光纤激光深熔焊接羽辉的动态行为,分析了羽辉的形成原因。结果表明:羽辉可分为底部周期性摆动部分和类似于激光束聚焦形态的狭长形部分;当小孔前壁上激光致蒸发蒸气靠近小孔口时,底部周期性摆动羽辉的摆动角度最大,反之,底部周期性摆动羽辉的摆动角度最小;狭长形羽辉的强度随着离焦量的增加(或深熔小孔口直径的增大)而增大。进一步分析表明:底部周期性摆动羽辉的形成与小孔前壁表面激光致蒸发蒸气的喷发有关;底部摆动羽辉的喷发过程中存在大量微粒;狭长形羽辉的形成与底部摆动羽辉沿光束方向喷发时携带的微粒进入光束内、受激光束加热发光有关。

基于自身搭建的光纤激光焊接在线监测系统, 实现不锈钢光纤激光焊接过程中搭接间隙的监测。研究发现, 当激光搭接焊接过程中出现间隙时, 对焊缝的横截面形貌影响较大, 但小孔熔深几乎不受影响。但实时监测到的光信号时域幅值及时频域上频率的分布有着明显的变化。利用相关的信号处理方法对信号进行了初步分析, 阐述了搭接间隙对光信号的影响规律及机制, 同时也为分析搭接过程中等离子体和熔池的动态行为提供了依据。

为研究304不锈钢光纤激光焊接模式的影响因素,参考均匀试验设计的思路,以激光功率、焊接速度、离焦量为变量设计了一组试验。通过分析成形的焊缝,获得了光纤激光焊接过程中热导焊和深熔焊的特征形式;定量计算了焊接模式与各焊接参数及其交互作用之间的关系,确定了焊接模式的影响因素。研究结果表明,304不锈钢光纤激光焊共有四种由热输入密度决定的焊缝成形形式。当热输入密度小于43.04 J·mm ^-3时,焊缝为圆弧形,对应的焊接模式为热导焊;当热输入密度大于66.82 J·mm ^-3时,焊缝为钉头形或钉状,对应的焊接模式为深熔焊;存在一种过渡状态,对应的热输入密度处于两种焊接模式的中间值。

采用4 kW ROFIN光纤激光器对厚度为0.5 mm的430不锈钢进行拼焊, 利用数码显微镜、光学显微镜、维氏硬度计和万能试验机等设备研究了激光焊接工艺参数对焊缝成型、显微组织和机械性能的影响规律。结果表明, 430不锈钢薄板连续光纤激光焊工艺参数的选择应遵循大离焦、高速度和小功率的规律, 在离焦量、焊接速度和激光功率分别为＋10 mm, 4.8 m/min, 1 000 W时可获得焊缝成型良好, 热影响区小、无裂纹和气孔的焊缝, 焊缝抗拉强度优于母材, 杯突试验得出焊接接头塑性为母材的96%。

采用5183焊丝作为填充材料, 对3 mm厚的5083铝合金对接接头进行光纤激光填丝焊接实验。分析了离焦量、焊接速度、送丝速度和激光功率对焊缝成型及强度的影响,并对最优焊缝进行了金相组织、显微硬度、力学性能的检测分析。结果表明, 采用离焦量0 mm, 激光功率4 100 W, 焊接速度4.2 m/min, 送丝速度3 m/min的工艺参数焊接3 mm厚5083铝合金, 可获得高质量焊缝, 焊缝硬度达HV 60以上, 未出现接头软化, 拉伸试验断裂位置为母材, 焊缝强度高于母材。

超薄不锈钢在航天、医疗器械、日用品中的应用日趋广泛, 对其激光焊接质量也提出了更加苛刻的要求。由于材料很薄, 易于汽化穿孔, 要想得到连续、无烧穿的焊缝, 关键是对参数的精确控制。采用光纤激光实现了0.2 mm厚1Cr18Ni9Ti 不锈钢片的对接及搭接焊。研究了激光功率、焊接速度、离焦量、脉冲频率、占空比等工艺参数对焊缝表面成形的影响规律, 并对焊缝显微组织及接头力学性能进行了考察。结果表明, 在连续焊模式下, 即使采用非常小的热输入, 也无法避免焊缝起始及收尾处出现的烧穿; 脉冲焊模式下, 热输入一定时, 采用低的脉冲频率、占空比及焊接速度相比高的脉冲频率、占空比及焊接速度可以有效减少单脉冲能量, 从而避免焊缝在起始及收尾处的烧穿。在优化的工艺参数下可得到表面成形良好、无烧穿的对接及搭接焊缝。焊缝中心区由柱状晶与等轴晶组成, 几乎不存在热影响区, 对接接头抗拉强度可高于母材, 搭接接头经拉剪测试断于母材。

对3 mm厚的C18000铜合金板分别进行了激光焊接和激光填丝焊接研究，重点分析了焊缝的组织、成分和力学性能。结果表明，直接采用激光焊接时，焊缝出现了晶粒长大的现象，显微硬度为90 HV，强度仅为313 MPa；采用ERNiCu-7焊丝进行激光填丝焊时，焊缝内Ni的质量分数自上而下从31%降至10%，焊缝组织为单相固溶体，显微硬度提高到130~180 HV，强度提高到391 MPa，性能优于直接激光焊接的。

采用光纤激光同轴保护焊接奥氏体不锈钢，利用激光焊接监测系统同步采集焊接过程中的光信号数据，并结合羽辉的形貌研究不同焊接条件对焊缝成形及光信号强度的影响规律。研究结果表明,光信号强度随着激光功率的增加逐渐增大。当离焦量从-6 mm变化到6 mm时，光信号强度先减小后增大。光信号变化可反映焊缝熔深的变化，可用于检测搭接间隙和焊缝位置变化引起的焊缝缺陷。通过P信号数据可判断焊接质量异常区的准确位置，焊接过程中光信号的强度同羽辉体积正相关。

为了研究光纤激光焊接奥氏体不锈钢过程中侧吹气体对焊缝组织和耐腐蚀性能的影响，建立了一种侧吹气体和金属蒸气的流体模型，分析了不同侧吹气体及其流量对金属蒸气温度场和速度矢量场的影响，提出了一种通过侧吹气体增加焊缝金属中氮元素含量的方法。试验结果表明，在不影响焊缝成形的前提下，该方法有效提高了上层焊缝金属中氮元素的含量，抑制了焊缝金属中铁素体的含量，增强了奥氏体不锈钢激光焊焊缝的耐点蚀性能。