为了明晰光丝距离对激光填丝焊接过程影响规律, 采用高速摄像、外观检查、宏观金相等方法, 对3种光束模式下不同光丝距离与激光堆焊关系进行了理论分析和实验验证, 得到了光丝距离对焊丝熔化、熔滴过渡、熔池波动和焊缝凝固的稳定性影响数据。结果表明, 光丝位置由相交(-5mm)向相离(+5mm)变化时, 熔滴过渡经历“液滴→液滴+液桥→液桥→液滴+液桥”阶段; 相同光丝距离时, 单光束激光模式、双光束激光串行模式和双光束并行模式的焊缝熔深依次降低, 甚至出现焊缝偏移和无熔深现象; 单光束模式和双光束串行模式对焊丝熔化和熔池的影响规律近似, 但双光束并行模式下具有特殊性; 单光束激光焊接时, 随着离焦量的增加, 焊缝的熔深由最大值409.8μm迅速减小到282.6μm; 双光束激光串行模式时, 焊缝的最大熔深仅为328.4μm, 随着离焦量降低而减小, 但正离焦量为焊缝截面呈现不对称状态; 双光束激光并行焊接模式时, 焊丝偏向小功率激光束时, 焊缝无熔深; 随着焊丝向大功率激光束移动, 形成仅有226.5μm小熔深焊缝。该研究为铝合金激光增材和焊接提供了参考。

水下原貌修复是核电厂乏燃料水池和内置换料水箱修复的优选方案之一。采用第三代核电站乏燃料水池用S32101双相不锈钢母材以及ER2209不锈钢焊丝, 进行了V形坡口激光填丝焊接修复工艺的试验探索, 并对焊缝性能进行了综合检测, 主要结论包括：激光填丝焊接+激光再热的复合焊接工艺可以获得外观良好的焊缝成形, 焊缝组织主要由铁素体及奥氏体构成; 参照核电建造标准, 焊缝的室温拉伸、高温拉伸、低温冲击、铁素体含量和耐晶间腐蚀性能均满足要求。研究结论为核电厂乏燃料水池和内置换料水箱的水下焊接工艺研究奠定了良好基础。

以TC4钛合金焊丝为填充材料,对1.2 mm厚的TC4钛合金板材进行激光填丝焊接试验研究,以分析工艺参数对焊缝宏观成形的影响。通过开展单一变量试验,探索激光功率、焊接速度以及送丝速度对焊缝宏观成形的影响规律。同时,还对相同工艺参数、不同试板装夹间隙宽度情况下的焊缝成形情况进行研究,探讨所获得的较优工艺参数的适用情况。最终得到1.2 mm厚的TC4钛合金激光填丝焊接的较优工艺参数:激光功率为1.5 kW,焊接速度为1.2 m/min,送丝速度为2.5 m/min。此工艺参数组合下得到的焊接接头焊缝宏观成形良好,无明显外观缺陷。

研究了SiC颗粒增强Al基(SiC_p/Al)复合材料的激光焊接特性,并对比分析了激光-冷金属过渡(CMT)复合焊接、单光束和双光束激光填丝焊接方式对焊接接头形貌和拉伸性能的影响。实验结果表明,双光束激光填丝焊接可获得表面无明显缺陷且连续性较好的焊缝。单光束激光填丝焊接接头的力学性能最优,其强度可达到母材强度的69.4%。受焊缝区气孔率的影响,激光-CMT复合焊接和双光束激光填丝焊接接头的强度仅能达到母材强度的62.5%和53.8%。

超窄间隙激光填丝焊(Ultra-narrow gap laser welding,Ultra-NGLW)是一种先进的厚贝氏体钢焊接技术。通过数值模拟和X射线衍射法,分析了超窄间隙激光填丝焊接头残余应力的分布和变化,结果表明:在不同厚度(20 ,50 ,70 mm)的超窄间隙激光填丝焊接头的表面,残余应力均呈“W”形分布。利用微型剪切试验,分析了显微组织对接头残余应力的影响:熔合线处形成的马氏体脆硬组织使接头形成了“软-硬-软”的夹心组织,导致接头的应力分布与一般的焊接接头不同,而多层填丝焊的特殊工艺导致接头中间层的应力增加。

研究了激光填丝焊接工艺参数对哈氏合金薄板纵向挠曲变形的影响,结合样件弯曲刚度和等效载荷分析了焊接工艺参数对纵向挠曲变形的影响。结果表明:激光填丝焊接过程的线能量和相对送丝量通过影响弯曲刚度和等效载荷,进而影响纵向挠曲变形;随着线能量的逐渐增大,等效载荷也逐渐增大,样件的弯曲刚度呈减小—增大—减小的变化趋势。在一定范围内增大线能量会使等效载荷和弯曲刚度同时增大,从而导致挠曲变形的变化幅度相对较小。相对送丝量增大使弯曲刚度在等效载荷不变的情况下明显增大,从而导致焊接变形减小。在合理的参数范围内尽量选择小线能量和大相对送丝量有利于抑制变形。

基于电子背散射衍射(EBSD)技术,对6016和5182铝合金在相同工艺条件下的激光填丝焊接接头的组织与织构进行分析研究。结果表明:6016和5182焊缝均由柱状晶与等轴晶组成,且柱状晶区域沿<100>方向均存在强烈的织构;焊接接头受成分过冷和异质形核的共同影响;6016铝合金接头受到异质形核的作用较大,等轴晶占比较大且晶粒取向呈随机分布的状态,柱状晶的主要织构为立方织构(<100>{001});5182铝合金接头受异质形核的影响不大,等轴晶存在沿<100>方向的织构,且主要由柱状晶构成,柱状晶的主要织构为纤维织构(<100>∥RD)、立方织构(<100>{001})和高斯织构(<100>{011})。

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。

采用超窄间隙坡口和光纤激光填丝多层焊工艺, 焊接了50 mm厚的SA508Gr.3Cl.2核电用钢,测试并分析了接头的微观组织和性能。结果表明, 焊接接头无宏观缺陷; 热处理后接头中部焊缝中心组织主要为上贝氏体和针状下贝氏体, 母材侧热影响区的粗晶区组织为高温回火马氏体, 硬度为280 HV。焊接接头拉伸试样的拉伸断裂位置均位于母材, 接头抗拉性能良好。接头上、中、下部位的焊缝冲击韧性均小于母材的, 但焊缝冲击试样的断口形貌仍具有一定的韧性断裂特征。

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。