摘要
窄间隙焊接技术采用深窄坡口形式代替传统大角度坡口，填充面积仅为常规方法的1/4-1/2，极大提高焊缝填充效率并改善焊后组织性能。其中，窄间隙激光焊接具有热源能量集中、微角度坡口形式、高速焊接等优势，在厚壁构件焊接领域具有广泛的应用前景。针对现有窄间隙激光焊接方法存在的焊缝侧壁熔合不良、气孔、组织性能均匀性差等问题，从焊接熔池调控技术出发，提出了电磁辅助窄间隙激光焊接新技术，利用恒定磁场和交变电流，驱动热丝周期性横向摆动。研究了电磁辅助作用下窄间隙激光焊接能量分布和熔池动态行为的变化规律，阐明了窄间隙坡口侧壁熔深增加机制，对厚壁构件的应用具有重要意义。 旋转扫描激光工艺提高激光热源对窄间隙焊接的适应性。旋转扫描激光改变热源分布形式，扫描激光中心区域具有最低的能量峰值，而最高的能量峰值出现在两侧区域，激光能量呈现“凹”型分布特征。随着旋转扫描频率和幅度的增大，激光热源连续性和熔化面积增加，能量密度显著降低，这能够增加焊缝熔宽并抑制指状熔深的产生。当旋转激光频率150Hz、幅度2.0mm时，激光束旋转行为能够改变熔池表面流动状态，在熔池中形成涡流区，使熔池沿宽度方向明显扩张，增强其与基板表面的润湿性；熔融金属在匙孔附近均匀分散，降低对匙孔壁的压迫，同时激光束高频旋转增加匙孔重叠率，提高匙孔连续性，因此显著降低焊缝气孔率。然而窄间隙坡口间隙的限制使旋转扫描激光能量难以直接作用于坡口侧壁，窄间隙激光焊接依然存在侧壁熔合不良缺陷。 为适应小窄间隙空间约束并改善旋转激光热源的局限性，提出了电磁辅助窄间隙激光焊接方法。研究结果表明，辅助电流电阻热显著降低焊丝熔化对激光能量的依赖性，随着焊丝偏离中心位置，熔池热传导所占的比例逐渐增加。相比于常规激光焊接，电磁辅助作用改变了等离子体的喷射方向，使得激光入射位置的等离子体电子密度降低，有利于削弱等离子体对激光能量的吸收，提高传输效率；而等离子体扩张提高了窄间隙坡口侧壁位置的加热面积，可视为有效热源对侧壁进行局部加热。 填充焊丝在电磁辅助作用下横向摆动，能够促使高温熔融金属在熔池中均匀分布，增强对坡口侧壁的热传导。同时，熔池强制对流增加液态金属横向流动量，促使高温金属向窄间隙侧壁流动，增加其在侧壁停留时间，改善侧壁润湿。随着电磁作用频率和幅度增加至30Hz和6.0mm时，熔池液态金属强制对流作用逐渐增强，此时电磁辅助驱动力对熔池流动起主导作用，促使熔池周期性横向流动特征更加明显。熔池稳定性与电磁作用频率和旋转激光频率耦合关系有关，导致焊缝凝固形貌的变化。 电磁辅助作用改变了窄间隙焊接传热行为，对窄间隙激光焊接工艺窗口的扩大具有显著作用。焊接温度场数值分析结果显示，电磁辅助作用下窄间隙焊接熔池温度分布更加均匀，峰值温度降低7.6%，侧壁温度增加10.7%，熔池固/液界面凝固前沿的温度梯度降低，冷却速率有所提高。电磁辅助技术通过增强高温熔池热传导和高温等离子体热辐射，提高对侧壁的能量输入，最终增加窄间隙坡口宽度适应性和焊缝表面弯曲度，焊缝呈现润湿良好的“月牙形”焊道。 采用优化后的工艺实现40mm厚度316L不锈钢多层窄间隙焊接，包括1层自熔穿透焊和11层窄间隙填充焊，窄间隙焊接接头成形良好，每层焊缝形状基本保持一致，无气孔、未熔合等缺陷。电磁辅助窄间隙多层焊接温度场显示各填充层的温度场特征基本相似。随着焊缝填充，熔池热积累逐渐增加，散热能力降低，有利于延长熔池高温停留时间，增强熔池能量向坡口侧壁热传导，使得熔池面积逐渐增加。而已凝固焊缝在后续焊道的作用下会产生重熔区和热处理区，峰值温度和冷却速率均降低。 电磁辅助能够改善窄间隙激光焊接接头组织性能均匀性。电磁辅助技术搅拌高温熔池液态金属，有利于降低熔池凝固前沿的温度梯度、增加熔池凝固速率，同时，熔池液态金属周期性横向流动会冲刷固/液界面处已凝固结晶的枝晶，弱化熔合区枝晶沿最优方向生长的趋势，抑制粗大柱状晶的生长，细化焊缝枝晶尺寸。316L焊缝晶粒细化和取向多样化能够提高焊缝整体性能。窄间隙多层焊接接头研究表明电磁辅助窄间隙激光焊接接头具有优良的强度和塑性匹配。
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