近年来随着高功率激光器的发展,单道激光焊接厚板穿透深度可以达到30mm以上,在对焊接标准要求极其苛刻,焊缝质量稳定性和可靠性极其严格的核电、海工等大厚度核心关键零部件的制造中,单道激光焊接是首选。激光焊接工艺虽然高效可靠却受制于焊缝根部驼峰以及滴落等缺陷造成焊缝成型质量差的问题,国内外都在努力寻求激光厚板单道焊接双面成型在焊接厚度方面的突破,厚板焊接领域近年来一直成为研究热点。基于以上研究背景,本文主要针对厚板焊接失稳造成焊缝驼峰和未熔合缺陷的问题开展了焊接稳定性和焊缝的成型性实验研究和机理研究,具体工作如下:首先,本文提出了一种抑制根部驼峰和滴落等焊缝成型缺陷的电磁辅助激光焊接厚板的方法。该方法利用在焊缝处导入单一方向大电流,并在外加磁场的条件下产生对熔池持续稳定向上的电磁力,来保证焊缝的成型性和维持焊接过程的稳定性。通过高速相机和“三明治”焊接方法,首次完整系统地直接观测了焊接过程上部、纵向截面和根部熔池和小孔的瞬态耦合流动行为和演化过程,包括了熔池滴落的瞬态流动过程研究、熔池自形成到动态稳定的熔池形貌演化过程、熔池内部纵向流动行为研究以及稳定焊接过程中熔池根部无滴落的流动行为研究。研究结果表明(1)影响厚板焊接稳定性的力主要有小孔蒸汽反冲压力、动压力、震荡阻力和重力等。造成熔池滴落的根本原因是熔池的表面张力不足以平衡熔池向下流动的趋势,造成根部凸起长大甚至滴落的发生。另外小孔局部内部壁面因为受到激光能量强烈辐射剧烈蒸发形成小孔内壁的震荡,该震荡推动熔池局部的高速流动,加剧了焊接过程的失稳。(2)也发现焊接过程中根部凸起一直存在的现象,电磁力只能抑制根部凸起部分熔池不发生滴落,保证焊缝的成型性,并且持续稳定电磁力也是调整焊缝成型质量的关键。通过以上动态流动行为全面深入地分析了破坏焊接稳定性的作用力,提出通过外力辅助支撑熔池保证焊缝的成型性和焊接过程的稳定性的设想。其次,在以上直接观测熔池、小孔动态耦合流动行为的试验基础上开展了电磁力抑制根部滴落,保证焊接稳定性和焊缝成型性的机理研究。研究结果表明(1)在小孔的正下方一小段距离有一个三角形的区域,该区域为激光束向前移动后由热传导方式被熔化。三角形区域评定参数?和H值对焊接过程有着重要作用,是熔池流动动压力的决定因素,最直接的焊接实验结果就是导致熔池根部最前端的凸起。(2)小孔因为局部内壁受到激光过多辐射产生的震荡是造成熔池凸起瞬态失稳长大的直接原因。(3)电磁辅助激光焊接方法中,电磁力作用在熔池前端可以抑制滴落发生,然后凸起可以在后方熔池表面张力和电磁力共同作用下流回到后方熔池中,保证焊缝成型性和焊接稳定性;并且电磁力作用在熔池后端可以改善焊缝形貌,优化焊缝成型质量。然后,为了更加深入理解电磁力对焊接过程的影响机理,对实验磁铁的磁场分布进行了仿真计算,发现在纵向厚板深度方向磁感线发生了方向逆转现象。还对磁铁不同的通磁磁化方向和不同的磁铁摆放角度对其磁场分布进行了再次仿真计算,发现磁铁摆放45°角度可以维持磁场方向在厚板纵向方向保持一致,磁铁的通磁方向由横向变为纵向也可以保证焊接过程中焊缝区域的磁感线方向保持一致,并且增强磁感线密度。通过以上磁场的分布仿真结果发现,本实验的电磁辅助激光焊接方法可以通过优化焊缝区域的磁场分布方式精准控制电磁力的大小和方向,为进一步完善电磁力对焊缝的影响奠定基础。最后,本文对激光焊接厚板工艺进行了系统的研究,包括激光功率对10-15mm厚板不锈钢材料的焊缝驼峰的影响规律研究、电磁力对16-30mm厚板不锈钢材料焊缝根部滴落的抑制作用规律研究以及纯激光焊接、电流辅助激光焊接、磁场辅助激光焊接和电磁辅助激光焊接四种焊接过程进行对比研究。实验结果表明(1)熔池根部驼峰的形成与激光功率有直接的关系,焊缝成型质量对激光功率的改变比较敏感,工艺参数的调整范围相对较小。而电磁辅助激光焊接过程不仅可以满足最小化激光能量输入,还可以通过电磁力的改变抑制根部驼峰等缺陷和保证良好的焊缝成型;(2)在焊缝根部滴落缺陷的研究中通过四种工艺对比排除了单独电流、磁场对激光焊接厚板工艺的影响,证明了保证焊缝成型和焊接稳定性的只能是电磁力。电磁力在厚板焊接熔池中的存在形式是体积力,基本不受磁滞和磁退效应的影响。(3)电磁辅助激光焊接厚板方法可以提高焊缝后端凝固区域的晶体结核率,压制晶体的生长率,使得焊缝组织均匀细化,提高力学性能。