为了解决6061铝合金在激光焊接过程中出现的易变形、变形大的问题, 采用施加超声波以辅助焊接的方法, 以1mm厚的6061铝合金薄板为研究对象展开超声波辅助激光焊接试验, 探究超声波对6061铝合金焊接变形的抑制作用; 利用单因素试验方法分析了超声波功率对焊接变形的影响规律, 设计包括超声波功率、激光功率、焊接速率、离焦量、保护气流量在内的五因素五水平正交试验, 分析了超声波功率以及常规焊接参量分别对焊接变形的影响程度, 并获得了能够得到最小变形的工艺参量组合。结果表明, 焊接变形会随着超声波功率的增加而减小, 超声波功率800W时较无超声情况下试件的挠曲变形及角变形分别减小了51.27%和51.46%; 同时, 当激光功率为1000W、焊接速率为5m/min、离焦量为+1mm、保护气流量为15L/min、超声波功率为800W时,可以获得变形最小的试件, 所得到的试件挠曲变形量为0.42mm, 角变形量为0.26mm。此研究为超声波辅助焊接在控制薄板焊接变形方面的应用提供了一定的工艺和理论参考。

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。

为了揭示核主泵屏蔽套用Hastelloy C-276薄板脉冲激光焊接的热力学行为, 借助ANSYS软件建立了三维有限元模型。实验测量了焊接温度历程和残余变形, 验证了所建立有限元模型的可靠性。基于验证的有限元模型, 采用改变焊接过程中的夹具拘束和随焊激冷等多场调控参数的方法, 进一步研究了夹具拘束距离、激冷位置以及激冷强度对Hastelloy C-276薄板焊接纵向残余应力和横向收缩变形的影响规律。结果表明, 温度历程和残余变形的模拟结果与实验结果吻合较好; 多场调控参数对焊接纵向残余应力和横向收缩变形的分布和大小有显著影响。鉴于焊接纵向残余应力和横向收缩变形是影响核主泵屏蔽套周长尺寸精度、整体稳定性以及超长使役的关键因素, 确定了既降低横向收缩变形又兼顾纵向残余应力尽量小的合理多场调控参数是夹具拘束距离为12 mm, 激冷位置为6 mm以及激冷强度为12 500 W/(m2·K)。

基于ABAQUS软件建立了考虑搭接界面接触约束的顺序耦合热-弹塑性有限元模型,研究了完全熔透和部分熔透搭接激光焊接接头的温度场、残余应力场以及焊接变形,并通过试验验证了模型的准确性。结果表明:完全熔透焊接接头由于热输入量较高,其高纵向残余应力区的范围比部分熔透焊接接头宽约30%;由于部分熔透板材对焊缝金属自由膨胀的约束强于熔透板材,故部分熔透焊接接头下板搭接界面的横向残余应力峰值(198 MPa)大于完全熔透焊接接头;部分熔透焊接接头上下表面之间的横向收缩差异明显大于完全熔透焊接接头,从而导致部分熔透焊接接头沿板厚方向的焊接变形更大。

平行平板光学零件焊接变形产生弥散斑影响会聚光束成像质量。用有限元法分析红外探测器窗口异种材料焊接界面的应力分布, 根据 Suhir双材料界面的弯矩平衡微分方程计算窗口弯矩分布, 研究焊料厚度、不同焊料和被焊材料热膨胀失配对窗口变形的影响。在正交试验优化焊接工艺过程中, 用激光干涉法检测窗口变形, 检测结果表明窗片顶面的仿真计算变形曲面与实测轮廓曲面一致。材料热失配和钎焊料弹塑性是引起窗口变形的主要原因。

分别采用气体保护焊(GMAW)和激光焊(LBW)焊接板厚为2.8 mm的Q345低合金高强钢对接接头，并测量了对接接头的面外变形。基于Abaqus软件平台，开发了同时考虑材料非线性与几何非线性的热-弹-塑性有限元算法。利用开发的算法计算了GMAW和LBW两种焊接方法的焊接温度场、焊接变形和残余应力。模拟温度场时，采用等密度椭球热源模拟GMAW的热输入，分别采用高斯分布锥形体热源、由等密度半椭球热源与锥形体热源组成的复合热源模拟LBW的热输入。数值模拟结果和试验结果表明，焊接2.8 mm厚的Q345钢板对接接头时，LBW产生的面外焊接变形明显小于GMAW；LBW在焊缝附近产生的纵向高拉伸应力区域范围明显小于GMAW，且两者的纵向与横向残余应力分布形态也有较大差异。此外，模拟激光焊时，虽然高斯分布锥形体热源与复合热源模型在板厚方向的热流密度分布不同，但两者产生的焊接变形差异很小，焊接残余应力分布也基本一致。数值模拟结果对两种激光热源模型并不十分敏感。

以316不锈钢板为对象, 研究了其光纤激光-TIG复合焊接的工艺特点, 探讨了各主要参数对焊缝成型的影响规律。结果表明, 相比单独TIG焊接, 用光纤激光-TIG复合热源焊接316不锈钢, 焊接速度能明显提高, 熔深明显增大, 而熔宽增加并不明显甚至减小。以复合焊工艺 (TIG电流120 A, 激光400 W, 焊接速度27 cm/min)对5 mm厚316不锈钢板进行对接焊, 结果显示光纤激光-TIG复合焊接316不锈钢板相比单独TIG焊接能够显著提高焊缝的抗拉强度, 使其非常接近母材, 弯曲性能也与母材一样良好, 同时焊接变形明显减小。

为了揭示夹具拘束距离对0.5 mm厚Hastelloy C-276薄板脉冲激光焊接变形的影响，基于有限元软件ANSYS建立了三维热力耦合有限元模型。采用位移约束假设代替实际夹具的拘束作用，研究了夹具拘束距离对Hastelloy C-276薄板焊接纵向挠曲变形及横向收缩变形的影响规律。实验测量了焊接热循环曲线和残余变形，验证了所建立有限元模型的可靠性。模拟结果表明，随着夹具拘束距离从8 mm增加到20 mm，焊接纵向挠曲变形及横向收缩变形均表现为近似线性增大的趋势，特别是焊接横向收缩变形增加了将近3.6倍，而减小夹具拘束距离可以控制焊接残余变形。该模型较准确地模拟了薄板脉冲激光焊接温度场及残余变形，为抑制薄板焊接变形提供了理论和实验依据。

提出了一种试验设计方法来优化 SUS301L奥氏体不锈钢非穿透型激光搭接焊接工艺参数。在保证焊接接头的力学性能的前提下, 通过对焊接过程中工艺参数的优化来减少焊缝背面变形。为了获得最佳的工艺参数, 试验制定了一套与每个焊缝特征相关的焊接参数的数学模型, 并以熔深的最小化和熔宽的最大化, 以及背面变形和剪切强度作为目标进行了优化。研究采用了部分正交试验法来降低试验误差和减少试验样本数。试验所用激光器为 CO2激光器, 试验优化得到的最佳工艺参数为: 激光功率 P越2.2 kW、焊接速度 v越4.5 m/min、激光入射角兹越45毅、离焦量驻f越+2 mm、保护气体 fg越25 L/min(He: Ar=2:3)。