填充热丝激光焊接过程稳定性及其关键技术的研究

能量密度集中的激光作为焊接热源优势明显，但不填丝激光焊接的实际应用具有较大限制；而一般的激光填丝焊接效率低下，难以满足实际生产需要。本项目将填充热丝应用到激光焊接中，母材通过激光加热，焊丝通过电流加热。两种热源的复合应用不仅能精确控制热输入，从而减少母材稀释率，获得小的变形和残余应力，同时可以高效率的向焊缝中填充金属，调整焊缝成分满足各种性能要求。因此，该焊接方法针对表面堆焊，窄间隙焊接和异种金属焊接具有突出优势和巨大应用空间。目前国内外对填充热丝激光焊接有一些初步研究，但都是基于特定条件的实验结果，对于主要工艺参数对焊接质量和焊接过程稳定性的影响规律缺乏基础研究，限制了填充热丝激光焊接的应用。本项目研究激光和填充热丝相互作用时母材和焊丝的熔化现象，通过建立焊丝加热电流的数学模型和焊接过程的在线检测，提高填充热丝激光焊接过程的稳定性，解决该焊接方法实际应用中的关键问题。

项目按预定研究内容进行，完成情况良好，实现了预定的研究目的。.焊丝稳定过渡和侧壁熔合是激光热丝焊应用的关键科学问题。系统研究了激光热丝焊的焊丝过渡行为和侧壁熔合行为,揭示了焊丝稳定过渡和侧壁高质量熔合的控制机理，获得了焊丝稳定过渡和侧壁高质量熔合的工艺控制原则。在此基础上，将激光热丝焊成功应用于超级马氏体不锈钢表面堆焊和球墨铸铁窄间隙焊接，获得了良好的成形质量和力学性能。.（1）研究了工艺参数对焊丝过渡行为和成形质量的影响规律，采用高速摄像的方法观察了不同工艺参数下的焊丝过渡行为，根据焊丝熔化位置不同，将焊丝过渡行为分为熔断过渡、连续过渡和触底过渡三种典型方式，其中连续过渡是稳定的焊丝过渡，是获得良好焊缝成形的关键。（2）通过高速摄像和红外测温可以判别焊丝上存在P1和P2两个特征点，将其温度分别与焊丝固液相温度进行对比，可以作为焊丝稳定过渡的判据：当P1温度不超过焊丝固相线温度且P2温度不低于焊丝液相线温度时，可实现稳定的焊丝过渡。（3）建立焊丝温度场模型，采用数值模拟方法计算获得不同工艺参数下的焊丝特征点温度，将其与焊丝稳定过渡的判据进行比较，获得了焊丝稳定过渡的工艺控制原则和控制机理。（4）通过研究工艺参数对侧壁未熔合缺陷和熔合比的影响规律，获得了侧壁高质量熔合的工艺控制原则。增加热输入，采用强焊接规范以及减少母材散热均有利于抑制侧壁未熔合缺陷的产生。侧壁均匀熔化是熔合比控制的关键，减小激光功率和送丝速度有利于侧壁均匀熔化。（5）基于侧壁受热分析，揭示了高质量侧壁熔合的控制机理。熔池传热加热侧壁整体，增加熔池传热有利于抑制侧壁未熔合缺陷；反射激光加热侧壁局部，减小反射激光热量有利于侧壁均匀熔化，是熔合比控制的关键。（6）将激光热丝用于超级马氏体不锈钢FV520B的表面修复，发现良好的焊丝过渡可保证单道堆焊优良的成形质量，利用响应曲面法研究了多道修复焊工艺参数选择和成形质量优化问题，获得表面平整、稀释率低、无未熔合缺陷的多道修复层，力学性能接近母材。（7）将激光热丝焊用于高韧性球墨铸铁的窄间隙焊接，基于焊丝稳定过渡和侧壁良好熔合的控制原则，获得了成形良好无缺陷的焊接接头，拉伸强度达到了母材85%以上，高于文献中其他焊接方法，与激光电弧复合焊相比提高了29%。