双金属层状复合材料共熔池激光穿透焊物理机制及“三明治夹层”接头组织性能调控研究

For the welding of bimetal laminar composite plates and pipes, a high-brightness laser penetration welding with a communal melting pool was proposed to achieve synchronous welding of both layers and meeting the requirements of surface corrosion resistance. The project plans to adopt a combination of theoretical analysis, experimental testing, and multi-phase multi-scale numerical analysis to reveal the asymmetric molten pool flow behavior of independent vortex formed near the upper and lower surfaces when the bimetal laminar composite is welded by high-power laser with a communal melting pool, to study the influence of high-brightness laser process parameters, bimetal lamellar material thickness and its inter-layers proportion, butt gap, external magnetic stirring and wire-filling parameters on asymmetrical molten pool flow, to explore the formation mechanism of sandwich-shaped welded joint through asymmetrical molten pool flowing, to characterize the microstructure, properties and residual stress distributes of sandwich-shaped welded joints, to establish a comprehensive evaluation system for microstructure properties, residual stress and surface corrosion resistance for the joints, and to develop a technical procedure for high-brightness laser penetration welding of bimetal laminar composite plates. The achievements will enrich the knowledge about the preparation and high efficient manufacturing of welded structures of layered composites, and it is of great significance to optimize the structure design of and to predict service performance of these structure.

针对双金属层状复合材料板材与管材的焊接，提出采用高亮度激光共熔池穿透焊接方案，实现其沿垂直层状方向的同步焊接，并能获得满足表面耐蚀性要求的焊接接头新思路。拟采用理论分析、试验测试、多相多尺度有限元分析相结合的研究方法，揭示双金属层状复合材料高亮度激光共熔池穿透焊时，在熔池上下表面附近形成独立涡流的非对称熔池流动行为，研究高亮度激光工艺参量、双金属层状材料厚度及其比例、对接间隙、外加磁搅拌和填丝技术等对非对称熔池流动的影响规律，探索非对称熔池流动形成“三明治夹层“状焊接接头形貌的形成机理，表征“三明治夹层“状焊接接头的微区组织性能、残余应力形成与分布规律，建立微区组织性能、残余应力和表面耐蚀性的综合评价体系，制定高亮度激光共熔池穿透焊技术规程。研究成果将丰富层状复合材料的制备与高效焊接技术，对于对复合材料结构的优化设计和服役性能预测具有重要意义。

基于激光穿透焊的熔池流动行为特征提出的层状双金属复合材料激光穿透焊技术，实现了层状双金属复合材料的一次焊接成形，同时可降低基层金属对复层金属的稀释和对其功能性能的破坏，在提高层状双金属复合材料焊接质量和推广应用等方面具有极大潜力。. 以焊接速度、激光功率和基层金属厚度为变量，设计了三因素三水平的正交实验，对 X65/DSS2205 层状双金属复合材料进行激光穿透焊接实验。发现双金属复合板激光穿透焊接接头显微组织在厚度方向存在明显的分层，基层金属厚度对于焊接接头的复层元素含量、以及接头复层一侧耐腐蚀性能都有较为明显的影响，但相比焊接速度与激光功率，其影响度相对较小。. 以DSS2205/X65双金属复合板为对象进行激光共熔池穿透焊接，引入铷铁硼永磁体施加的外加稳态磁场进行辅助调控。结果表明，DSS2205/X65双金属激光共熔池穿透焊接过程中，两种液态金属在熔池中部发生相向流动，凝固后形成两种焊缝组织交错分布的焊缝过渡区，在化学成分、显微组织和微区性能上具有复杂的不均匀性；外加辅助磁场通过改变等离子的作用行为改变了焊缝轮廓，+Y方向匹配 100mT 磁场大小时，接头兼具较低的过渡区尺寸和不均匀性以及理想的复层奥氏体含量。并通过高速摄影及灰度分析的方法对熔池流动行为进行研究，揭示接头形成机理。. 采用激光穿透焊技术，利用Marangoni对流效应将厚度为3mm的DSS2205/X65双金属进行焊接，然后通过摆动激光填丝焊接完成了15mm深度U形坡口的填充，实现了厚度为18mm的层状双金属复合板的焊接。结果表明随着激光功率的增大，熔宽和熔深增加；随焊接速度增加，焊缝的熔深减小；随着送丝速度的增加，焊缝的表面成形趋于饱满。当激光摆动宽度较小时，焊缝熔深增加；随着摆动宽度增加，焊缝熔深降低，同时熔宽增加；采用超过90Hz摆动频率可降低侧壁未熔合产生倾向。. 研究已发表论文18篇，国内外会议交流2次，授权发明专利2件，参与研究的博士5名，硕士6名。