D406A超高强度钢因强度极高兼有良好的韧塑性而被广泛应用在航空航天领域,常规的焊接方式逐渐难以满足对其接头日益提高的要求。本文首次对D406A钢的激光扫描-TIG复合焊接特性进行研究,分析不同激光扫描方式对焊缝成形、组织和性能的影响规律。焊缝成形研究。采用合理的电弧长度、热源间距、焊枪倾角的匹配可以获得激光电弧两热源之间最强的耦合作用,提高能量利用率。采用合理的焊接速度、激光功率、电弧电流的匹配可以获得全熔透优质焊缝。采用合适的离焦量可使焊缝成形良好且激光束搅拌熔池能力最强。采用一定的激光扫描幅度(2mm)时,激光扫描频率、扫描速度、扫描模式是影响焊接过程稳定性进而影响焊缝成形的关键,过大的扫描频率或速度和不合适的扫描模式会使得热源互相干扰焊接过程不稳定,对其分别进行调整可在一定范围内获得凝固条纹均匀且无飞溅的光滑焊缝。接头组织分析。焊缝凝固结晶组织表现为从熔合区至焊缝中心区组织由平面晶和胞状晶向细长树枝晶和等轴晶过渡。接头固态相变组织表现为焊缝区和热影响区均主要为板条马氏体、残余奥氏体和贝氏体混合组织,热影响区马氏体较焊缝区尺寸短小且均匀。激光扫描频率、扫描速度、扫描模式和激光扫描能量模式是影响焊缝凝固结晶组织的关键。激光扫描频率为50Hz时柱状晶破碎取向各异,100Hz时焊缝组织细化均匀,200Hz时,热源互相干扰焊接过程不稳定,组织粗大。激光扫描速度为50mm/s时可以获得等轴晶,扫描速度过小组织细化不明显,过大则焊接过程不稳定。激光螺旋扫描时可以获得等轴晶,而激光锯齿和横线扫描时,未发现等轴晶区的存在。连续激光扫描可在焊缝中部相当大的区域内产生等轴晶。束流搅拌作用机理分析。组织上,与无扫描焊缝比较,激光扫描柱状晶相对细化,脉冲激光扫描焊缝中心还存在柱状晶在近中心线附近生长偏折以及部分破碎的情况;激光扫描焊缝中心存在等轴晶区,连续激光扫描等轴晶区占整个焊缝截面的16.9%,而脉冲激光扫描仅为6.9%。性能上,连续激光扫描的焊缝区硬度最大,为590HV,比母材(225HV)高出162%。由于激光电弧的耦合作用使得能量更集中,故激光扫描的热影响区软化区较窄,连续激光扫描比无扫描减少了50%。连续激光扫描在焊缝中心横向残余应力最低,绝对值为422MPa,比最高的无扫描降低了40.6%,且各区域横向应力分布最为均匀。连续激光扫描接头抗拉强度为1614MPa,断在焊缝,占母材的97%,延伸率为5.9%,比无扫描的5.0%高了12%,达到母材的92%,屈服强度也有提升。分析上述情况,激光扫描是通过改善温度梯度和改变熔池受力提高熔池对流和搅拌等作用改善晶粒生长行为,从而改善焊缝力学性能。激光扫描的加入使得熔合区局部冷却速率增加,故柱状晶细化;激光扫描过程中熔池中的最大温度梯度方向不断改变,致使柱状晶择优生长的方向时刻改变,打乱了晶粒的生长方向;这种温度场的变化会导致表面张力差从而改变熔池受力,由此增强了熔体流动,柱状晶破碎成短棒状,取向各异,均匀弥散分布。以上均使得组织均匀,降低偏析,有利于提高焊缝的屈服强度和延展性,同时抵抗应力的效果强。针对连续激光扫描焊缝中心出现相当大区域的等轴晶,这是因为激光束摆动引起的热源移动会造成其移动方向上后方的熔池处温度梯度很低,而结晶速度较大,为等轴晶生长提供了足够的过冷度,故产生等轴晶区,有利于细化焊缝组织,提高焊缝韧性。