復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件為具有復(fù)雜密集內(nèi)通道的薄壁夾層結(jié)構(gòu)。由于構(gòu)件蒙皮呈三

維結(jié)構(gòu)及薄壁特征，無(wú)法實(shí)現(xiàn)一體化制造和無(wú)縫對(duì)接，導(dǎo)致在利用激光對(duì)接焊接

工藝進(jìn)行其外蒙皮拼接焊接時(shí)，易產(chǎn)生焊縫咬邊、背部凸起及背部飛濺等缺陷，

降低焊縫機(jī)械性能，污染并堵塞內(nèi)部通道。因此，亟需開發(fā)一種薄板對(duì)接焊接新

工藝，在保證焊接質(zhì)量的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)焊接凈成形，以滿足復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件蒙皮

拼焊的工藝需求。

通過分析可知，對(duì)接間隙的存在以及較小的激光光斑是引起上述缺陷的重要

原因。本文提出一種?GH3128 薄板對(duì)接雙光束激光-TIG?復(fù)合焊接工藝，?并在一定間隙冗余度（間隙不大于板厚的?0.2?倍）條件下進(jìn)行試驗(yàn)，系統(tǒng)地研究了焊接工藝參數(shù)（激光功率、電弧電流、焊接速度、熱源間距、焦斑間距）對(duì)焊

縫成形尤其是焊縫背部成形及背部飛濺的影響規(guī)律，并對(duì)焊縫凈成形機(jī)理進(jìn)行了

相關(guān)研究和分析。

焊接工藝試驗(yàn)結(jié)果表明：焊縫表面熔寬與電弧電流呈正相關(guān)，與焊接速度呈

負(fù)相關(guān)，與激光功率、熱源間距及焦斑間距關(guān)系不大；焊縫背部飛濺、背部凸起

及熔寬變化同激光功率呈正相關(guān)，與焊接速度及焦斑間距呈負(fù)相關(guān)；隨著電弧電

流的增加，焊縫背部凸起及熔寬變化呈先不變后增加的趨勢(shì)，背部飛濺呈現(xiàn)先減

少后增加的趨勢(shì)；隨著熱源間距的增加，焊縫背部熔寬、背部凸起及飛濺均呈現(xiàn)

先減小后不變的趨勢(shì)。由上述試驗(yàn)結(jié)果可知，激光功率、電弧電流、焊接速度、

熱源間距以及焦斑間距等焊接工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形具有極為重要的影響。

在工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，最終獲得了雙面成形良好、

背部?jī)舫尚蔚膶?duì)接焊縫，并對(duì)優(yōu)化參數(shù)下的焊縫的力學(xué)性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表

明：焊縫的顯微硬度略低于母材；焊縫接頭拉伸強(qiáng)度可達(dá)到母材的?90%，斷口形?貌顯示為韌性斷裂。上述試驗(yàn)結(jié)果說明優(yōu)化工藝參數(shù)下焊接接頭的組織和力學(xué)性?能可滿足復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件蒙皮對(duì)接焊接的成形要求。

本文通過設(shè)計(jì)試驗(yàn)，借助高速攝像研究焊接過程中激光與電弧的相互作用及

焊接熔池行為，分析了薄板對(duì)接焊接凈成形機(jī)理。研究發(fā)現(xiàn)：雙光束激光熱源在

前起到橋接熔池的作用，電弧熱源在后起到調(diào)控熔池及整形焊縫的作用，兩種熱

源復(fù)合作用，保證了焊縫良好成形；激光穿透行為是引起背部飛濺的主要原因，

控制激光能量輸入，使得激光能量不足以完全穿透焊縫，即可消除背部飛濺，實(shí)

現(xiàn)焊縫凈成形。?
最后，通過?2 mm 薄板對(duì)接焊接試驗(yàn)（間隙條件下），進(jìn)一步驗(yàn)證了雙光束激光-TIG?復(fù)合焊接工藝可以通過增加熔池體量，優(yōu)化激光與電弧能量匹配關(guān)系，

實(shí)現(xiàn)對(duì)接焊接（間隙條件下）的焊縫凈成形。

關(guān)鍵詞：GH3128 薄板；對(duì)接焊接；雙光束激光-TIG?復(fù)合焊接；焊縫形貌；

凈成形

研究背景及意義

航天發(fā)動(dòng)機(jī)作為航天飛行器推進(jìn)系統(tǒng)的核心構(gòu)件，其制造可靠性是航天發(fā)動(dòng)

機(jī)研制進(jìn)程的的重點(diǎn)和難點(diǎn)。航天發(fā)動(dòng)機(jī)的工作熱負(fù)荷條件苛刻，其主要承熱結(jié)

構(gòu)多采用復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)。復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)為具有復(fù)雜密集內(nèi)通道的薄壁夾層結(jié)

構(gòu)，主要由導(dǎo)熱面和基體兩大部分組成，該結(jié)構(gòu)需要通過焊接技術(shù)將導(dǎo)熱面蒙皮

與基體上的筋有效連接起來(lái)，最終完成內(nèi)流道結(jié)構(gòu)的制造[1]。由于?GH3128?材料?的熱強(qiáng)性好，并可在?950℃高溫下長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，故而導(dǎo)熱面蒙皮多由厚度為 1 mm?的?GH3128 固溶態(tài)薄板加工而成[2]。復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)良好的材料特性和獨(dú)特?的結(jié)構(gòu)特征，可有效實(shí)現(xiàn)構(gòu)件減重效果好，換熱效率高的目的[3-5]。

隨著航天發(fā)動(dòng)機(jī)性能的不斷提升，復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件整體結(jié)構(gòu)也呈現(xiàn)更加復(fù)雜

三維的特點(diǎn)，這直接導(dǎo)致導(dǎo)熱面面型的三維曲面變化，極大的提升了蒙皮加工難

度。蒙皮結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及其薄壁特征，使得蒙皮難以實(shí)現(xiàn)一體化制造，故必須采

用多段拼接工藝進(jìn)行連接制造。復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件的典型結(jié)構(gòu)及蒙皮拼接示意圖如

圖?1-1 所示。

?

?

蒙皮的拼焊作為重要而不可或缺的制造工藝，在復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件的焊接制造

中具有極其重要的地位。目前，多采用激光拼焊工藝進(jìn)行蒙皮拼焊制造。激光焊

接技術(shù)作為現(xiàn)今最具發(fā)展前景的焊接技術(shù)之一[6]，已廣泛應(yīng)用于航空航天、軌道

列車等諸多領(lǐng)域。激光焊接技術(shù)具有焊接速度快、焊件變形小、材料選擇范圍廣、

能量控制精確、無(wú)需真空環(huán)境、接頭質(zhì)量高、加工柔性好等優(yōu)勢(shì)，使得其能夠更好的適應(yīng)復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件的三維制造工藝，尤其在蒙皮與基體的搭接焊接工藝

中，激光焊接具有得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，故而選擇激光焊接技術(shù)作為復(fù)雜內(nèi)流道

構(gòu)件制造工藝的主要發(fā)展方向。

導(dǎo)熱面蒙皮具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜、尺寸大、薄壁的特點(diǎn)，受制造工藝技術(shù)及精度的

限制，各段蒙皮間極難實(shí)現(xiàn)無(wú)縫對(duì)接，勢(shì)必存在對(duì)接間隙。由于激光束的聚焦光

斑小、穿透能力強(qiáng)、熔池橋接性能差[7]，所以單激光焊接時(shí)，對(duì)接間隙的存在既

會(huì)導(dǎo)致焊縫凹陷、咬邊等缺陷，如圖?1-2?所示，影響焊縫連接強(qiáng)度；又會(huì)導(dǎo)致焊?縫背部出現(xiàn)凸起、飛濺等缺陷，如圖?1-3?所示，污染并堵塞流道，降低構(gòu)件熱防?護(hù)效果。所以，在一定間隙冗余度（間隙不大于板厚的0.2?倍）條件下，實(shí)現(xiàn)蒙?皮這一薄板結(jié)構(gòu)的無(wú)缺陷凈成形（焊縫正面無(wú)咬邊，背面無(wú)凸起及飛濺）的對(duì)接?焊接，是復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件激光焊接制造的技術(shù)關(guān)鍵和瓶頸。

?

如前所述，對(duì)接間隙的存在以及體積較小的激光焊接熔池是導(dǎo)致對(duì)接焊縫表

面凹陷的主要原因。所以增加焊縫熔池體量是消除凹陷缺陷的有效可行技術(shù)途

徑。激光填絲焊接工藝是目前比較常用的可有效增加金屬熔化體量的焊接工藝，

在鋁合金焊接和中厚板激光焊接工藝中應(yīng)用較為廣泛。在本課題的應(yīng)用背景下，

由于蒙皮厚度小，填絲工藝的加入必然會(huì)引起熔池的劇烈波動(dòng)，增加多焊接工藝

參數(shù)（光絲間距、送絲速度等）匹配的復(fù)雜性，從而導(dǎo)致焊縫背部凸起及飛濺狀

況更為嚴(yán)重；同時(shí)，蒙皮拼焊的環(huán)形對(duì)接焊縫的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)以及零焊接缺陷的工藝

需求，必然導(dǎo)致起始開光和終止關(guān)光處的送絲參數(shù)調(diào)制難度極大。

所以，為提升激光焊接工藝對(duì)間隙的適應(yīng)性，在不添加填充材料的前提下，?通過改變激光焊接方式，達(dá)到適當(dāng)增加焊接熔池體量的目的，可望有效提升焊縫成形質(zhì)量。如通過激光束傾斜入射及雙光束并行作用等方法，可有效增加對(duì)接間

隙兩側(cè)基體金屬熔化區(qū)域，改善焊接工藝對(duì)間隙的適應(yīng)性。但這些方法在焊接過

程中，要實(shí)現(xiàn)雙面成形，激光功率必須滿足穿透蒙皮的能量需求，這必然導(dǎo)致激

光小孔穿透焊縫，引起背部飛濺及凸起等缺陷，無(wú)法滿足復(fù)雜內(nèi)流道構(gòu)件對(duì)流道

形貌的要求。

針對(duì)上述問題，本文在雙光束激光對(duì)接焊接工藝的基礎(chǔ)上引入電弧，采用雙

光束激光-TIG?復(fù)合焊接工藝，通過激光與電弧熱源復(fù)合作用，充分利用電弧的

熔化效應(yīng)，抑制激光的穿透效應(yīng)，以達(dá)到消除激光穿透焊接引起的背部飛濺等缺

陷的目的；同時(shí)，雙激光于焊縫兩側(cè)的對(duì)稱作用效果以及激光與電弧熱源的復(fù)合

效果，可有效增加熔池寬度，提高熔池橋接能力和間隙適應(yīng)性，進(jìn)而有效消除焊

縫咬邊缺陷。

本文的薄板對(duì)接雙光束激光-TIG?復(fù)合焊接工藝，既可為復(fù)雜內(nèi)流道結(jié)構(gòu)的

蒙皮拼焊提供可靠的凈成形工藝窗口，更可為雙面成形要求嚴(yán)苛的薄板間隙對(duì)接

焊接提供新方法與新思路，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

因此，本文在一定間隙冗余度（間隙不大于板厚的?0.2?倍）條件下，系統(tǒng)地

研究焊接工藝參數(shù)（激光功率、電弧電流、焊接速度、熱源間距、焦斑間距）對(duì)

焊縫成形，尤其是焊縫背部成形及背部飛濺的影響規(guī)律，并通過優(yōu)化焊接工藝參

數(shù)，最終獲得雙面成形良好、無(wú)飛濺的凈成形焊接接頭；同時(shí)，通過研究焊接過

程中激光與電弧相互作用及焊接熔池行為，分析薄板對(duì)接焊接凈成形物理機(jī)制。