为探究厚板激光切割过程中工艺参数对切割断面质量的影响，使用奔腾激光自主研发的30000 W超高功率光纤激光切割机对40 mm厚304不锈钢进行四因素、五水平正交试验，分析残差结果，得到各工艺参数对切割断面指标（上下切缝宽度、垂直度以及上部、中部、下部板材粗糙度值）的影响规律。结果表明：上下表面切缝宽度影响主次为离焦量、辅助气压、激光功率、切割速度；垂直度影响主次为切割速度、离焦量、激光功率、辅助气压；粗糙度影响主次为激光功率、离焦量、辅助气压、切割速度。残差分析结果表明，超高功率激光切割40 mm厚304不锈钢优化工艺参数如下：激光功率为20000 W、切割速度为200 mm/min、辅助气压为18 bar、离焦量为+11 mm。

激光焊接技术是提高超高强钢固体火箭发动机加工精度、加工效率和服役安全性的重要技术手段。梳理了国内外超高强钢中厚壁结构全位置激光焊接、单道全穿透焊接、功率调制激光焊接和激光焊熔池动力学仿真模拟等关键技术的研究进展,系统地展示了这些新进展在超高强钢固体火箭发动机壳体激光焊接质量控制方面的潜在应用价值。所述的研究进展可为我国超高强钢固体火箭发动机壳体的优质高效制造提供参考。

采用高功率光纤激光对20 mm厚Q345碳钢进行激光切割的工艺探究并观察切割后的重铸层和热影响区的微观组织。采用多组单因素实验, 对比研究了激光功率、切割速度、辅助气体压力、离焦量对切割质量的影响规律, 最佳工艺参数为激光功率8 kW、切割速度0.6 m/min、离焦量+10 mm、氧气辅助压力140 kPa、喷嘴直径1.4 mm、切割高度0.5 mm。通过SEM观察了切割后碳钢样品横截面的微观形貌, 发现了重铸层及热影响区与基材之间微观组织形态与尺寸的差异, 并分析了重铸层及热影响区微观组织的形成机理。研究成果有助于超高功率光纤激光切割技术在中厚钢板切割领域应用的推广。

针对激光单道焊接厚板过程中因根部熔池滴落造成焊缝难以成型的问题,提出稳定磁场和电流产生的向上安培力对根部熔池进行辅助支撑焊接厚板的方法。实验结果表明单独电流或磁场的存在对厚板焊接熔池滴落行为影响很小,但引入安培力后根部熔池滴落得到抑制,改善了熔池流动性,焊接过程更加稳定,焊缝成型质量良好,呈现Y字型。相同的激光功率等工艺参数条件下,改变安培力大小和方向可以有效控制焊缝的深度,扩展了焊缝质量控制工艺参数。该方法极大地提高了厚板的焊接效率和焊接质量,为解决激光单道焊接厚板“要么不透,一透就漏”的难题提供了新的工艺方法,单道焊接厚度达到30 mm。

采用激光焊与激光-MIG复合焊两种打底焊方式和激光-MIG复合焊与MIG(熔化极惰性气体)保护焊两种填充焊方式进行两两组合,完成了15 mm厚316L奥氏体不锈钢的焊接。对各试验组焊接接头的显微组织和力学性能进行了研究,结果表明,采用全激光-MIG复合焊得到的焊接接头成形最优。激光-MIG复合焊焊层中心部位存在胞状晶组织,而MIG焊焊层几乎全为柱状晶结构。复合焊填充层的拉伸强度高于MIG焊填充层,而激光打底层与复合打底层强度相当,所有断裂均为韧性断裂。两种打底焊层焊缝中心显微硬度均高于母材,复合填充焊层焊缝中心显微硬度略高于母材,MIG焊填充焊层则低于母材。

采用超窄间隙激光焊对100 mm厚304奥氏体不锈钢进行了焊接试验,并研究了接头的显微组织和力学性能。结果表明,超窄间隙激光焊可以实现百毫米级及以上厚板的有效连接且焊缝的成形良好。接头的显微组织由奥氏体和少量铁素体组成,晶粒呈胞状和等轴状。接头的拉伸强度为658 MPa。拉伸断裂位于焊缝的胞状晶区,断裂形式为典型的延性断裂,断口形貌为细小均匀的韧窝和撕裂棱。焊缝组织中等轴晶区的显微硬度大于胞状晶区。

第三代核电技术中, 堆内核心构件堆芯围筒的焊接制造技术是一个急需攻克的难题, 由于工件尺寸大, 尺寸精度要求高, 需探索采用万瓦级激光焊接一次成形技术, 此前这类产品的激光单道焊接在国内外尚无成功的案例。对万瓦级光纤激光深熔焊接厚板焊接缺陷的抑制方法进行了研究。结果表明, 离焦量是万瓦级光纤激光深熔焊接厚板过程中一个关键工艺参数。负离焦时, 匹配优化离焦量和焊接速度可以有效抑制缺陷获得成形良好的全熔透焊缝; 背保护气体不仅改善了焊缝下表面成形, 同时改善了焊缝上表面成形使整个焊缝截面呈“I”型; 侧吹气体射流辅助激光深熔焊接, 可以较好抑制钉子头焊缝和上表面飞溅的产生; 采用横焊焊接方位时, 可以有效抑制焊缝塌陷与底部驼峰的产生。成功实现了15 kW 光纤激光单面自熔焊接双面成形18 mm厚不锈钢, 并实际应用于焊接生产堆芯围筒。

采用20 kW超高功率光纤激光器单道焊接了20 mm厚316LN奥氏体不锈钢, 研究了焊接工艺参数对焊缝成形及宏观形貌的影响, 并对焊接接头的显微组织和力学性能进行了分析。结果表明, 采用负离焦可以得到成形良好的焊缝；焊缝组织为单一的奥氏体组织, 焊缝上部和底部中心区存在等轴晶粒, 焊缝中部中心区为粗大的柱状晶。在优化的工艺参数下, 焊接得到的接头抗拉强度为645 MPa, 与母材相当。焊接接头断裂于熔合线边界处, 为典型的韧性断裂。焊接接头热影响区的显微硬度略高于焊缝和母材。

采用高功率碟片激光器焊接8 mm厚TC4钛合金, 研究了激光焊接接头的显微组织和力学性能。结果表明, 焊缝组织为晶界明显的粗大原始β柱状晶, 晶内为针状马氏体, 随着激光功率的增加, 马氏体分布更加密集; 近焊缝侧的热影响区组织为残余α相＋针状马氏体, 近母材侧的热影响区只发生α相向β相转变。焊接接头的显微硬度从母材到焊缝呈增加趋势, 至焊缝处达到最高, 不同功率下的焊缝显微硬度相当; 8 mm厚 TC4钛合金在速度为2.7 m/min, 7.3～7.9 kW高功率工艺参数下可获得质量良好的焊缝, 焊接接头的抗拉强度、延伸率与母材相当, 断裂在母材; 在速度为2.7 m/min, 7.0 kW低功率工艺参数下, 焊缝有气孔倾向, 焊接接头的延伸率只有母材的24%, 断裂在焊缝。断在母材和焊缝的断口都呈韧窝形貌, 断在焊缝的断口韧窝数目更少。

研究了蛇形轧制工艺参数对铝合金厚板变形与残余应力分布的影响。基于蛇形轧制的咬入条件与本构模型以及边界条件等关键技术, 构建了铝合金厚板的单道次蛇形轧制有限元模型, 并与相关文献的仿真结果进行了比较, 结果显示其相对误差不超过10%。考虑最小、最大压下量均相等的条件下压下量分配对蛇形轧制的影响, 建立了多道次蛇形轧制的有限元模型并进行了仿真实验。结果表明: 铝厚板应变不是按板厚中心面呈对称分布, 慢速辊一侧的应变明显小于快速辊一侧, 而且压下量对称递增分配产生的应变最大, 单向递增分配产生的应变最小, 对称递增比单向递增分配压下量产生的应变平均要高出20%左右。此外, 压下量对称递减分配引起的剪切应变最大, 单向递增分配引起的剪切应变最小, 对称递减分配比单向递增分配压下量产生的剪切应变要高出2倍。