高强钢三明治板激光焊接制造基础研究

轻量化金属三明治板可为舰船轻型结构最大减重50％，最大空间节省50％，并在减震、减噪、绝热、防火、抗冲击、节材等方面相对加强板结构有显著优势，开展激光焊接制造高强钢三明治板的基础研究在舰船及其它运载工具的结构轻型化和扩展激光焊接应用范围方面有重大的实用价值。本课题针对高功率激光焊接制造高质量的高强钢三明治板，研究下述三个科学问题：1、带可变间隙和不对称芯板的金属三明治板穿透焊接中激光束、小孔和熔池的特殊行为，焊缝凝固行为及组织演化规律，焊缝成型机理及焊接缺陷形成机理与防止；2、激光焊接制造轻型金属三明治板承载时焊接接头的各种受力状态及其在这些受力状态下的变形，失效的宏观机理和损伤，破坏的微观机理；3、激光焊接高强钢三明治板时变形和残留应力的预测及其有预控制。本课题的完成可为保证结构的质量提供优化设计的依据，可为制造金属三明治板这一重大的新型工程领域关键技术的突破奠定重要的理论基础。

高强钢三明治板具有比刚度大、比强度高、吸能抗冲击等显著优势，在解决结构轻量化的同时，提高了结构的安全性。然而，以激光焊接为主要制造手段的高强钢三明治板，结构变量多、设计复杂、制造难度大，严重阻碍了高强钢三明治板在我国舰船制造、航空航天以及民用结构等领域的应用。本项目从结构优化设计准则、激光焊接质量控制以及焊接制造变形控制三个方面，开展了高强钢三明治板激光焊接制造研究，建立激光焊接制造高强钢三明治板的新方法与新技术。本项目完成了项目计划书规定的阶段目标，取得了系列创新性成果，主要包括：（1）研发了金属三明治板弯曲性能试验方法，揭示了三明治板在弯曲试验中的变形、损伤、失效以及破坏过程，发现了T型穿透焊接接头是三明治板失效及破坏的决定因素，突破了传统的均匀完整焊接接头的理念；（2）阐明了金属三明治板焊接制造焊缝成形机理，提出了气泡产生的“小孔尖端振荡”模型，建立了提高T型穿透焊接搭接处焊缝宽度的方法，解决了气孔抑制和焊缝宽度调控的技术关键；（3）揭示了接头间隙对激光焊接过程等离子体、熔池和匙孔动态行为的影响规律，以等离子体、熔池和匙孔形态为参量，实现了接头间隙的实时监测，攻克了金属三明治板焊接制造接头间隙实时测量的难题；（4）基于激光焊接接头不完整性的特征，提出了金属三明治板弯曲刚度和剪切刚度计算的修正公式，建立了焊接金属三明治板结构优化设计数学模型及方法；（5）引入界面单元、建立了高强钢相变计算模型，使得计算预测的焊接残余应力及变形更加符合实测，为解决密集焊缝条件下高强钢三明治板变形问题提供了技术支撑。.根据上述激光焊接制造高强钢三明治板的新方法与新技术，优化设计并制造了高强钢三明治板（BS960, L1200H60t5s100），测试表明：同面积同重量条件下，金属三明治板刚度比实心板提高了47倍。鉴定委员会认为，该项目成果达到了国际领先水平。.通过本项目研究，申请发明专利11项，其中授权专利1项；发表论文46篇（含已录用6篇），其中SCI收录论文29篇（含已录用3篇），出版英文专著一部；培养博士生5名，硕士生10名。