最新刊期
      2023 年 第 7 期

        先进结构材料激光焊接

      • 田志,陈双建,李竹渊,杨晓宁,王登星,杨上陆
        2023, 53(7): 1-8. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.01
        摘要：高温熔盐反应堆（MSR）利用熔融盐作为传热介质，其结构材料需要面对高温、熔盐腐蚀和中子辐照等极端环境，因此对于结构材料的性能要求极为严苛。GH3539合金作为新一代候选结构材料，在极端环境下具有显著的高温机械性能，为推动该合金的焊接应用，采用激光焊接技术对GH3539合金进行焊接，研究了合金激光焊接接头的显微组织、凝固模式及接头力学性能响应。结果表明：GH3539合金激光焊接接头具有较大的深宽比，焊接接头分为母材区、热影响区和熔合区三部分。母材区为奥氏体组织，基体中存在大量的富W碳化物以及少量的富Ti析出相。焊接接头未发现明显的焊接热影响区。熔合区中靠近熔合线的组织类型为平面晶组织，平面晶组织迅速转变为垂直于熔合线方向生长的柱状晶，且具有明显的方向性，柱状晶前沿在焊缝中线处接触，导致部分组织在焊缝中线处不规则，同时在焊缝中心处发现部分等轴晶。力学性能结果显示，熔合区硬度均值为273 HV，硬度值明显高于焊接接头的其他部分，接头中未见明显软化区域。在高温800 ℃时，焊接拉伸试样断裂发生在母材区域，断裂模式为明显的晶间断裂，屈服强度和最大抗拉强度分别为212.6 MPa和295.2 MPa。GH3539合金在高温下依然表现出较好的力学性能。  
        关键词：GH3539合金;激光焊接;微观组织;硬度;高温强度   
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      • 刘红宁,王艳俊,杨上陆,朱政强
        2023, 53(7): 9-15. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.02
        摘要：为解决中锰钢焊接接头的脆性断裂问题，研究了焊后热处理工艺对厚度为1.6 mm的中锰TRIP钢激光自熔焊接接头组织、静态力学性能以及锰元素分布的影响，热处理温度选择Ac1（奥氏体开始转变温度）和Ac3（奥氏体转变终止温度）之间，这和中锰钢轧制温度是相同的，可以保证更高的强度和韧性。研究结果表明：焊态试样焊缝区主要为马氏体组织，热处理后焊缝主要组织为回火马氏体，并伴有碳化物析出；在620 ℃热处理3 min后，焊接接头抗拉强度无明显提高，但延伸率相对于焊态接头提高了1 959.2%，主要原因是热处理缓解了锰元素在晶界上的偏析。焊态接头失效断口为典型的脆性断裂，并出现了较多的二次晶间裂纹，热处理后的接头失效断口出现了较多的凹坑和韧窝，呈现良好的韧性断裂特征。在热处理后试样的应力应变曲线中发现了二次屈服，通过VIC-3D数字图像关联（DIC）技术发现这是吕德斯带穿越焊缝遇到硬度较高的马氏体组织导致应力突增所致，最终在母材处发生颈缩并断裂。  
        关键词：中锰TRIP钢;激光焊接;焊后热处理;力学性能;Mn元素偏析   
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      • 殷琪安,陶武,牟刚,樊雪,任闻杰,杨上陆
        2023, 53(7): 16-23. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.03
        摘要：利用热弹塑性有限元分析，对材料为Q235钢的重卡结构件激光-GMAW复合焊接的温度场及焊接变形进行数值模拟计算。将平面高斯热源与高斯倒锥体热源结合，建立了适用于激光-GMAW复合焊接的组合热源模型，计算所得的焊缝横截面形状和尺寸与试验吻合较好。对于整个焊接结构的焊接顺序分成多个部分进行规划，包括了两个待焊面的整体先后顺序、局部的焊接起始位置以及焊接路径选择，焊接路径包括顺序焊、分步退焊、跳焊。在结构上选取4条关键路径，并将路径上各点的z方向位移量进行标准差计算，并取平均值，作为整个结构z方向变形程度系数，建立了针对具有复杂变形趋势和变形分布的焊接结构的变形严重程度定量评估方法。将各步骤内的最优方案进行结合，最终得到的最优焊接顺序方案为先焊A面后焊B面，且B面采用跳焊路径，3号位置作为焊接起始位置。最优方案焊接变形程度系数为0.2 mm，与最差焊接方案相比，焊接变形程度系数降低了28.6%。  
        关键词：激光-GMAW复合焊接;组合式体积热源;热弹塑性分析;焊接顺序   
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      • 刘鹏,王艳俊,任闻杰,张晓冬,胡玉,孙柳青,杨上陆
        2023, 53(7): 24-30. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.04
        摘要：对12 mm厚304L不锈钢进行高功率摆动激光自熔焊接工艺试验，研究焊接速度、摆动频率、摆动幅度对焊缝宏观形貌和微观组织的影响规律。结果表明：当激光功率为9.5 kW、激光无摆动时，焊接速度从0.9 m/min增加至1.5 m/min，焊缝从熔透变为未熔透，未熔透试样的表面飞溅明显；当摆动频率在50~400 Hz范围内，随着摆动频率的增加，焊缝熔宽由6.67 mm单调减小至4.94 mm，而熔深在7.5 mm附近上下浮动；当焊接速度为0.9 m/min，摆动幅度在0.2~1.0 mm范围内，随着摆动幅度增加，焊缝的熔宽由5.36 mm单调增加至7.14 mm，熔深先增加后减小；当焊接速度为0.72 m/min，摆动幅度在0.5~1.0 mm范围内，随着摆动幅度增加，焊缝的熔宽由2.99 mm单调增加至7.73 mm，熔深由12 mm单调减小至8.42 mm。激光的摆动参数对焊缝熔宽的影响规律较焊缝熔深的更明显。焊缝接头的显微组织在焊缝深度方向存在差异，柱状晶主要分布在焊缝上部和中部，焊缝底部主要为等轴晶。激光束摆动会改变焊缝柱状晶和等轴晶在焊缝上部和中部的分布。  
        关键词：奥氏体不锈钢;中厚板;摆动激光焊;显微组织   
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      • 张旭志,张家志,丁建武,刘进辉,杨上陆
        2023, 53(7): 31-39. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.05
        摘要：使用可调环形光斑光纤激光焊接工艺，对铝硅镀层22MnB5钢进行激光拼焊，研究了中心激光束和环形激光束不同功率配比对焊缝宏观形貌、显微组织和力学性能的影响。结果表明，中心激光束和环形激光束的配比对焊缝熔宽的影响较小，当两者配比为1∶1时，焊缝表面的塌陷量最小。随着环形激光束功率的增大，焊缝中心区域的硬度值先增大后减小，当中心激光束和环形激光束的激光功率均为1 500 W时，取得最大值为448.5 HV。当中心激光束功率为2 000 W、环形激光束功率为0 W时，硬度值最小，为310.2 HV。在环形光斑激光作用区域，熔合线边缘会产生条带状铁素体，拉伸形变过程中裂纹在铁素体处萌生扩展，是焊接接头失效的主要原因。当中心激光束和环形激光束功率均为1 500 W时，接头抗拉强度和延伸率最高，接头断裂在焊缝熔合线附近；当中心激光束功率小于环形激光束功率时，焊缝裂纹从焊缝上边缘熔合线开始萌生；当中心激光束功率大于等于环形激光束功率时，裂纹由下边缘熔合线处萌生。  
        关键词：铝硅镀层;激光焊接;环形光斑;功率配比;力学性能   
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      • 田佳壮,陶武,杨上陆
        2023, 53(7): 40-45. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.06
        摘要：传统激光焊接车用先进高强钢时，经常容易发生焊接接头热影响区软化、焊缝脆化以及塌陷等影响焊接接头成形性能和力学性能的问题。针对此问题，使用超大离焦量激光焊接工艺，对1.6 mm厚度的TRIP800高强钢进行激光焊接，获得一种大尺寸的新型焊接接头，并对新型焊接接头的微观组织、硬度和力学性能进行分析。结果表明，当采用激光功率3 500 W、焊接速度3 m/min、离焦量为50 mm时，能够获得形貌良好、无明显缺陷的激光焊接接头。接头热影响区的组织以残余奥氏体和马氏体组织为主，焊缝区域以马氏体组织为主。焊接接头硬度的分布曲线由焊缝区至母材区呈现逐步降低的趋势，超大离焦焊接接头的抗拉强度与母材的强度相当，断后延伸率约为无离焦接头的1.25倍，断口呈现大量的韧窝，以韧性断裂为主。对于TRIP800高强钢的新型焊接接头力学性能的提升，主要是由于较宽的焊缝区域组织，增强了抵抗裂纹的能力，分散了激光焊接时的能量集中，使焊接接头不易产生较大的内应力，成形性能较好。  
        关键词：TRIP800高强钢;激光焊;超大离焦;微观组织;力学性能   
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        发布时间：2023-08-02
      • 严益,岳民杰,玉昆,王金龙
        2023, 53(7): 46-51. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.07
        摘要：采用30 kW超高功率光纤激光器对总厚度20 mm的镍-不锈钢复合板开展激光深熔焊试验，分析了激光功率、焊接速度和离焦量对焊缝表面成形的影响。结果表明，在离焦量-8 mm，焊接速度2.1 m/min保持不变的情况下，随着激光功率的增加，焊缝均得以实现单面焊背面成形，但存在表面下塌、飞溅和咬边缺陷；当激光功率为26 kW时，在焊接过程稳定阶段（除起弧和收弧位置）获得了背面成形均匀、连续、根部熔透良好的焊缝；当激光功率为25 kW、离焦量为-8 mm时，焊接速度范围在1.8~2.4 m/min时，焊缝表面出现塌陷及底部驼峰缺陷；当焊接速度为2.4 m/min时，焊缝部分位置未焊透，且焊缝稳定性差；随着离焦量从-3 mm到-10 mm变化，焊缝均被熔透，但存在飞溅、咬边和表面下塌缺陷。本研究为后续进一步优化激光深熔焊工艺提供了试验依据。  
        关键词：超高功率激光;镍-不锈钢复合板;激光深熔焊;厚板;焊缝成形   
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      • 成晓雷,唐文敏,汪选国
        2023, 53(7): 52-59. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.08
        摘要：黄铜和紫铜形成的异种金属复合结构可以兼顾黄铜的机械性能和紫铜的导热性能，因此在航空航天、汽车、制冷设备等领域经常需要将两者进行焊接。采用光纤激光器对H62黄铜与T2紫铜薄板搭接激光焊接进行试验。对比研究了激光功率、焊接速度等主要工艺参数对焊缝成形性能、力学性能的影响，获得具有良好外观的焊接接头。当热输入大于105 J/mm时，焊接模式由激光热导焊转变为激光小孔深熔焊，熔深大幅升高，当激光功率为1 800 W，焊接速度为13 mm/s时获得了最大深宽比为2.51。分析了焊接接头及界面处成分、组织的分布与演化，探究了组织和力学性能之间的关系。发现熔池流动以环形流动为主，形成了焊缝中心锌元素含量高于焊缝边缘的成分分布。提出熔池流动和成分偏析造成的成分不均匀是接头组织和性能不均匀的主要原因。焊缝中心硬度测试显示，在两材料界面附近存在较大的硬度梯度，发现较高的热输入可以促进两材料混合，降低界面处力学性能差异。  
        关键词：激光焊;黄铜;紫铜;微观组织;工艺参数   
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      • 叶泽涛,李悦,马龙飞,占小红,王建峰,庄明祥
        2023, 53(7): 60-66. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.09
        摘要：针对钛合金薄板激光焊接残余应力与焊接变形大的问题，提出了液氮冷却激光焊接方法，将液氮冷却氩气作为冷却介质作用于试件表面。开展了TC4钛合金锁底结构液氮冷却激光焊接实验，分析了不同冷却条件下TC4钛合金激光焊接接头的微观组织、残余应力与焊接变形。结果表明，相较于自然冷却的激光焊接接头，液氮冷却激光焊接接头热影响区宽度变窄，焊缝中部宽度增大63.7%，下熔宽增大70.5%，焊缝组织更为均匀，焊后变形显著减小，整体变形量降低约5.2%。这是由于液氮冷却熔池后方处于高温的金属急剧冷却，很大程度上补偿了已产生的压缩塑性应变，使得焊接变形减小。  
        关键词：TC4钛合金;锁底结构;激光焊接;液氮冷却;残余应力;焊接变形   
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      • 王清曌
        2023, 53(7): 67-72. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.10
        摘要：高效、高精、绿色的激光焊接技术日渐成为结构件制造的主流方式之一。激光焊接技术在中厚板结构件制造上的成功导入已成为工程机械行业技术领先的重要标志。由于工程机械制造批量化、加工精度要求低等特征，提升了激光焊接技术导入中厚板结构件制造应用的难度。总结了典型工程机械结构件特点，从工艺—设备—产线3个层次梳理总结了该技术导入过程待解决的关键问题。依据工程开发经验，明确了中厚板结构件激光焊接工艺技术及成套装备开发要点，提出了激光焊接技术向工程机械结构件一般制造的导入范式，并基于范式提出了后续工艺全面导入的工作思路，总结了四大基础工作。  
        关键词：激光焊接;工程机械;中厚板结构件;精度;范式   
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      • 杨文东,杜预,王佳乐,黄依淼,唐杉杉,王晓南,王润宇,李响
        2023, 53(7): 73-80. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.11
        摘要：铝/钢复合结构具有强度高、耐腐蚀、质量轻等优点，是汽车制造、航空航天等行业最受关注的实现轻量化设计的方案之一。然而，铝合金与钢的物理和化学性能严重不匹配，很难通过传统熔焊技术实现连接。脉冲激光焊接技术具有热输入控制精准、加工速度快、灵活性高、能量密度高等优点，在焊接铝/钢异种金属上存在着更大的优势。从脉冲激光参数、脉冲激光复合焊接、对焊接母材进行预处理等多个角度梳理了国内外脉冲激光焊接铝/钢异种金属的研究进展，并给出了铝/钢脉冲激光焊接技术仍需开展的工作，旨在为后续相关研究提供参考。  
        关键词：脉冲激光焊;铝/钢;异种金属;复合焊接;预处理   
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      • 陈挥扬,卓理政,崔运佳,张龙强,王运喜
        2023, 53(7): 81-89. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.12
        摘要：核电厂的建造与运行是一个极其复杂的系统，焊接是其设备制造、装配、检修等过程中必不可少的重要工艺之一，焊缝质量的好坏直接关系到核电厂设备的可靠性和运行状态。相较于传统焊接工艺，使用激光焊接不仅能改善焊接质量，减少变形和残余应力，还能够提高效率，缩短工期。但目前在核电领域，激光焊接技术的应用并不多。为推广激光焊接技术在核电领域的应用，介绍了近年来激光焊接核级材料的研究现状。包括对常见的Zr合金、不锈钢以及新型材料等的激光焊接性能研究；分析其在核电厂设备的维修以及制造等领域的应用与研究现状。在此基础上，对目前核电厂激光焊接技术应用较少的原因进行分析，并对其将来的研究方向进行展望。  
        关键词：激光焊接;核级材料;核电设备;焊接性能   
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      • 刘晟,白海明
        2023, 53(7): 90-101. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.13
        摘要：煤矿液压支架在服役过程中长期暴露于潮湿、腐蚀的恶劣环境中，表面容易发生腐蚀与磨损。激光熔覆技术提供了一种高效、高质量的表面修复方式，以提高煤矿液压支架的服役寿命。文章综述了液压支架激光熔覆的研究进展，首先介绍了激光熔覆工艺、材料体系对涂层耐腐蚀性能、耐磨性能、硬度、疲劳强度等性能的影响；其次从实际应用出发介绍了激光熔覆技术在液压支架修复上的使用情况，探讨了适用于液压支架不同部件的激光熔覆材料体系以及熔覆后涂层的性能表现情况；最后对激光熔覆修复液压支架未来的研究重点进行了总结与展望。  
        关键词：激光熔覆;液压支架;耐蚀性;耐磨性   
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      • 聂宇,邓爱林,陈辉,张英波,刘艳,伍亚辉,张炳旭
        2023, 53(7): 102-109. DOI: 10.7512/j.issn.1001-2303.2023.07.14
        摘要：为研究稀土元素钇（Y）对铝合金的强化作用，通过制备不同Y含量的焊丝，研究了Y元素对铸锭以及铝合金激光焊接接头组织、拉伸性能以及热裂纹敏感性的影响。结果表明：当在铸锭中加入Y元素，产生聚集的块状相，随着Y含量的增加，铸锭力学性能降低。通过自制焊材进行激光焊接，发现当焊材中Y含量为0.15 wt.%时，激光焊接接头焊缝区获得细小的组织，接头抗拉强度得到一定程度的提升，但随着Y元素进一步增加，力学性能逐渐下降，组织也逐渐粗化。热裂纹实验表明，添加0.15 wt.%的Y元素，柱状晶区较未添加Y的区域窄，等轴晶数量增加，可以降低焊接热裂纹敏感性。  
        关键词：稀土钇;铝合金;激光焊;热裂纹   
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