低碳钢由于其良好的机械性能,广泛应用于工业生产中,并随着激光技术的发展,低碳钢在激光焊接领域也得到普及。由于中厚板焊接机制较为复杂,焊缝容易产生飞溅、凹坑、气孔等缺陷,严重影响焊接质量;而对于厚板低碳钢,气孔缺陷最为明显,减小了焊缝有效工作面积,导致应力集中,大大降低产品质量与性能。因此深入研究中厚板低碳钢激光深熔焊接工艺特性和气孔形成机理及特征具有重要的理论意义,并对碳钢工业化焊接生产有一定的科学意义。本文以Q235低碳钢为研究对象,研究了中厚板激光深熔焊接工艺特性、接头显微组织及其力学性能,并深入分析焊缝中气孔形成机理及特征,取到较好抑制气孔的方法和焊接工艺参数,获得良好的焊接效果与质量。首先根据实验中激光深熔焊接得到的“I”型横截面形貌,建立3D高斯热源理论模型,并通过Sysweld仿真软件计算得到温度场分布及热力循环曲线,分析温度场与气孔形成及接头微观组织之间的联系。其次设计低碳钢气孔形成机理探索实验,研究熔透与未熔透状态下保护气种类及表面氧化物对气孔形成的影响,观察焊缝纵断面气孔的情况,通过EDS测量气孔壁及周边焊缝的元素分布,得到以下结果:冶金型气孔主要是H2型气孔和CO型气孔,其中H2型气孔呈圆孔形态,孔壁内壁粗糙,深度较浅,O元素含量较多,C元素含量几乎没有;CO型气孔呈条虫形态,孔壁较深,且C、O元素含量较多,存在碳偏析出现象。小孔型气孔形状不规则,其内壁褶皱较多,存在金属冲刷的痕迹。CO2保护气有效抑制气孔产生;表面氧化物可增强激光吸收作用,熔池流动剧烈,利于气泡逃逸,也可达到较大的熔深。熔透状态形成气孔的机率较小,主要由于气泡可从熔池上下方进行逃逸。采用单因素实验方法研究了焊接工艺参数对低碳钢气孔形成规律、焊缝成形的影响,结果表明:激光功率越大,气孔数越少,气孔率先减小后增大;随着速度的增加,气孔数增加,但气孔率呈现先降低后增大的趋势;离焦量从负离焦-4mm到正离焦+4mm,气孔数整体呈现“V”型分布,气孔率呈现上升趋势。若焊接参数不合适,容易造成焊缝表面出现成形不均匀、飞溅、凹坑及驼峰等缺陷。另外,由于焊接工艺参数的不同,造成线能量的不同,形成了“X”型、“I”型、“圆锥形”及“椭圆形”的横截面形貌,依次代表着过渡熔透、适度熔透以及仅熔透三种不同状态。最后得出,在功率为3100W、速度为10mm/s、离焦量为0mm/s的条件下,气孔倾向低,焊缝表面成形良好,焊接效果最好。实验还建立了接头不同区域的显微组织及显微硬度之间的联系:等轴晶由多边形的先共析铁素体组成;焊缝边缘处的柱状晶,由平行的先共析铁素体组成;热影响区主要由针状铁素体、贝氏体与马氏体组成。铁素体含量越多的区域,硬度越低,马氏体与贝氏体含量较高的区域硬度就越高,接头整体显微硬度呈现“M”形分布。焊缝强度较高,发现只有速度组中20mm/s对应的拉伸样件断裂处发生在焊缝区,强度为310Mpa,而其他参数下的样件断裂处均发生在母材区,强度接近母材。