第1章绪 论
激光-GMAW 复合焊接技术已经在欧美各国中应用，说明复合焊接头整体力学性能满足了构件的使用要求，但是，由于激光与电弧两热源特性不同，即激光的深熔透性与电弧的宽适应性不同，使得复合焊接头的尺寸和显微组织非均匀性比传统电弧焊接头更加突出。复合焊接头由激光作用区和电弧作用区组成，这两个区无论是在尺寸还是组织结构上都表现出很大的非均匀性[ 2 2 - 2 5 ]。非均匀显微组织对复合焊接头力学性能的影响机制以及复合焊接头各区对接头力学性能的贡献尚未明确。 因此，本文提出了激光-GMAW 复合双面同步横焊新方法，针对 30 mm 厚船用高强钢，重点研究激光对脉冲电弧熔滴过渡行为的影响，优化厚板激光-GMAW 复合双面同步横焊打底层和填充层焊接工艺，获得接头尺寸主要控制因素。系统研究厚板激光-GMAW 复合双面同步横焊接头尺寸和显微组织的非均匀特征，建立非均匀显微组织与接头静、动载力学性能的关系，为提高激光-GMAW 复合焊非均匀接头的力学性能提供理论指导。
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第2章 试验材料及方法
2.1 试验材料
试验母材是厚度为30 mm的船用高强钢，配套焊丝为JS80，焊丝直径为1.2 mm。母材和焊丝的化学成分如表2-1所示。图2-1是30 mm厚船用高强钢激光-GMAW复合双面同步横焊坡口示意图，采用K型坡口，坡口钝边为10 mm，坡口角度为30°，焊接间隙为0.3 mm至0.6 mm。焊接时，采用95%Ar和5%CO2混合气作为焊接保护气，流量为25 l/min。
2.2 试验方法与设备
激光-GMAW 复合双面同步横焊系统由 2 套激光-GMAW 复合焊（Hybrid laser-GMAW welding, HLAW）组成，如图 2-2(a)所示。2 套激光-GMAW 复合热源分居待焊试板的两侧，并采用相同的焊接工艺参数进行激光-GMAW 复合双面同步横焊位置的焊接。采用激光在前，电弧在后的复合方式进行焊接。图 2-2(b)为激光-GMAW 复合双面同步横焊系统示意图，v 为焊接速度， D 为激光束焦点至焊丝延长线的距离，即激光与电弧间距（光-丝间距），α 为激光束与水平面的夹角，β 为电弧与水平面的夹角，θ为激光与电弧的夹角。激光-GMAW复合双面同步横焊系统主要设备包括：2台IPG公司的激光器，分别为5 kW的光纤激光器（YLS-5000）和10 kW的光纤激光器（YLS-10000），如图2-3所示，激光器主要参数如表2-2所示；2台福尼斯公司的电弧焊机（TPS4000）；2台KUKA公司的KUKA机器人（KR16-2）及其运动装置，如图2-2(a)所示。
第 3 章 激光-GMAW 复合焊熔滴过渡特性及其稳定性控制 .................... 32
3.1 引言 ............................32
3.2 熔滴过渡行为的表征参数 ....................32
第 4 章 高强钢激光-GMAW 复合双面横焊的工艺特性 .......................... 60
4.1 引言 ....................................60
4.2 打底层焊接工艺研究 ............................60
4.3 填充层焊接工艺研究 ................................ 66
4.4 接头整体性能 ......................... 68
4.5 激光-GMAW 复合双面同步横焊工艺稳定性验证 .......................... 69
4.6 本章小结 ................. 69
第 5 章 高强钢激光-GMAW 复合焊接头的非均匀特性 .......................... 71
5.1 引言 ..........................71
5.2 材料特性 ..............................71
第6章 高强钢激光-GMAW 复合焊接头力学性能分析
6.1 引言
上一章研究结果表明，厚板激光-GMAW复合双面同步横焊接头在焊缝尺寸、显微组织、物相、晶粒尺寸和大角度晶界数量存在非均匀性。本章将重点分析非均匀接头的硬度、拉伸性能、冲击性能和抗疲劳裂纹扩展性能，并阐明微观组织不均匀性与焊缝不同区域力学性能、裂纹扩展特性之间的影响关系，确定影响接头整体性能的主要微观组织结构特征及其分布位置。
6.2 显微硬度
图6-1(a)是焊缝激光作用区（焊缝中心）的显微硬度分布，从图可以看出，焊缝激光作用区硬度分布不对称，下板热影响区的平均硬度为400 HV，上板热影响区的平均硬度为370 HV，下板热影响区的平均硬度比上板热影响区的平均硬度高8%。这是因为出于安全的考虑，进行激光-GMAW复合双面同步横焊接时，试板两侧激光束与水平线有10°~15°的夹角，更多的能量作用在上板，导致上板的冷却速率比下板慢，因此，上板热影响区的平均硬度比下板热影响区低。从图6-1(a)还可以看出，焊缝热影响区的平均硬度为385 HV，焊缝的平均硬度为360 HV，母材的平均硬度为315 HV。焊缝的平均硬度比母材的平均硬度提高了14%。 图6-1(b)是焊缝电弧作用区（距离焊缝表面1 mm）的显微硬度分布，从图可以看出，焊缝热影响区的硬度最高，焊缝次之，母材的硬度最低。焊缝热影响区的平均硬度为420 HV，焊缝的平均硬度为395 HV，母材的平均硬度为315 HV。焊缝的平均硬度比母材的平均硬度提高了25%。
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结 论
(1) 在激光-GMAW复合焊过程中，采用连续电流电弧，激光会影响熔滴过渡频率、直径和落点，且其波动幅是脉冲电流电弧的3倍；而采用脉冲电流电弧，激光对熔滴过渡频率和直径的影响小，主要影响熔滴落点。激光吸引收缩电弧导致熔滴所受电磁力和等离子流力方向改变是其影响熔滴落点的主要原因。与激光-连续电弧复合焊相比，激光-脉冲电弧复合焊的熔滴过渡更加稳定，更适合激光-GMAW复合焊接。
(2) 电弧形态是实现激光-GMAW复合热源稳定焊接的主要控制因素。对于连续、脉冲电流电弧，激光引入后，改变了熔滴所受的电磁力方向，进而影响熔滴落点。针对横焊位姿因重力、非对称坡口对熔滴、电弧的影响，利用激光对电弧的吸引和收缩作用，通过减小光-丝间距，有效地抑制了电弧侧壁燃弧，熔滴在电磁力和等离子流力的作用下，稳定过渡到熔池中，实现了横焊位姿30 mm厚船用高强钢激光-GMAW复合焊熔滴过渡稳定性控制，解决了厚板横焊侧壁未熔合问题。
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参考文献（略）