大型复杂结构件高功率激光焊接的基础研究

The project focuses on fundamental research for high-power laser welding, aiming at welding manufacturing problems of large and complicated structural components in high service performance equipment, such as large marine dynamic positioning equipment, high-thrust rocket engines, and so on. It will enrich and improve the theory and technology basis of forming the weld shape and controlling the weld joint performance, enhance scientificity in high-power laser welding manufacturing. .Focus on exploring the heat and mass transfer mechanism of multiple states in rapid melting and solidification process under the action of high-power laser, seeking dynamic conditions maintaining weld pool and keyhole stability. Based on continuous metallurgy reaction model and multiphase flow numerical simulation, quantitative predicting fused area shape, composition and organization. Study the evolution of the joint microstructure, mastering the correlation rule connected the joint microstructure and fusion zone shape with mechanical properties. Establish high-power laser welding parameters generated online and real-time control method, geared to the needs of assembling states and dynamic working conditions of complex structures. Ultimately achieve precise controlling the weld shape forming and the weld joint performance in high-power laser welding of large and complicated structural components.

本项目针对大功率海洋动力定位装备、大推力火箭发动机等高服役性能装备中大型复杂结构件的焊接制造难题，开展高功率激光焊接基础问题研究，丰富和完善大型复杂结构件高功率激光焊接制造控形控性的理论和技术基础，提升高功率激光焊接制造的科学性。重点探索高功率激光作用下快速熔化凝固过程中多物态传热传质机理，寻求焊接熔池小孔稳定性的动力学条件；基于连续冶金反应模型和多相流数值模拟，定量预测熔凝区形状、成分和组织；研究接头微观组织演变规律，掌握接头微观组织及介观熔凝区形状与力学性能相关性规律；建立面向拼装状态和动态工况的复杂结构件高功率激光焊接参数在线生成与实时控制方法；最终实现大型复杂结构件高功率激光焊接制造的精确控形控性。

本项目针对大功率海洋动力定位推进器等高服役性能装备中大型复杂构件的焊接制造难题，从高功率激光焊接机理、工艺和过程控制三方面展开研究，取得的主要成果包括：建立了高功率激光焊接多相流数值模型，阐明了熔池、小孔、等离子体的相互作用机制，揭示了熔池与小孔多旋涡紊流动态行为、焊缝成形机理以及介观熔池非平衡凝固过程中的组织转变行为；发现了高功率激光焊接工艺参数与接头形状和组织分布相关性规律，揭示了接头形状和组织对接头性能的影响机制，建立了获得3种典型材料良好接头完整性的工艺条件；分析了高功率激光焊接拼装状态对整体焊缝形状及性能的影响，提出了复杂拼缝形貌的变基准测量与动态建模方法，建立了面向拼装状态的参数在线生成策略，实现了基于实时检测和动态补偿的焊接过程闭环控制。. 本项目取得了以下核心创新：①建立了能精确描述高功率激光焊接小孔宽开口特点的复合自适应热源模型，为熔池小孔精确模拟提供基础；②发现了高功率激光焊接熔池多漩涡流动行为，从本质上阐明了焊缝成形机理；③发现了高功率激光焊缝中存在轴向晶粒，并阐明轴向晶粒对焊缝组织性能的影响机制。以上创新工作为解决高功率激光焊接快速熔化与凝固过程中多物态的热质传递机理、熔凝区形状和组织与接头性能的相关性规律等关键科学问题提供了有效途径。. 在Corrosion Science、Journal of Alloys and Compounds、Materials & Design、International Journal of Heat and Mass Transfer、Applied Thermal Engineering、Journal of Materials Processing Technology等权威期刊上发表SCI论文41篇，在国际焊接学会年会（IIW）、国际光电子与激光应用会议（ICALEO）等高水平学术会议上发表论文6篇，项目成员获“第一届激光复合制造协同创新国际论坛”杰出青年学者奖，申请发明专利9项（授权6项）、授权实用新型专利4项。本项目相关研究成果为2015年国家科技进步一等奖“汽车制造中的高质高效激光焊接、切割关键工艺及成套装备”、2017年湖北省科技进步一等奖“大型高参数压力容器制造成套装备及其关键技术的研发与应用”提供了支撑。