42CrMo钢的综合力学性能及工艺性能优良,工业上常用来制造受载荷极大的齿轮、后轴、连杆等零件。随着对汽车活塞工作时所要求的机械负荷能力和热负荷能力的大幅提升,42CrMo钢制造的钢活塞逐渐开始取代传统的铝活塞。但是由于42CrMo含碳量高、合金元素含量多,其焊接性能较差,焊缝中很容易出现裂纹、气孔等缺陷,严重影响42CrMo在工业中的广泛应用。目前对42CrMo材料常用的焊接方法有电弧焊、电阻焊、摩擦焊和电子束焊等。光纤激光-MAG复合焊接技术克服了激光焊和电弧焊的缺点,综合了两者的优势,近年来得到了越来越多的研究和应用。本文采用激光-MAG复合焊接方法,对42CrMo钢焊接过程中的孔内外等离子体、小孔和熔池的动态行为、裂纹和气孔等缺陷的产生机理和控制方法进行了理论和试验研究,为工业上实现42CrMo钢活塞激光-MAG复合焊的稳定的焊接过程和良好的焊缝质量提供了试验依据和理论指导。论文主要研究工作如下:(1)检测、计算并分析了 42CrMo钢激光焊接、激光引导的激光-MAG复合焊接、电弧引导的激光-MAG复合焊接时小孔内外的等离子体信号和电子温度、电子密度等特征参数。结果表明,当激光焊接过程中有旁轴吹气时,没有检测到等离子体光谱,而两种复合焊却仍然能检测到等离子体光谱。由等离子体光谱可知,对于激光-MAG复合焊接,当激光在前引导焊接时,对比电弧引导焊接,激光对MAG电弧的引弧和压弧作用更明显,可以吸引电弧沿着电离通道至小孔更深处。激光引导的激光-MAG复合焊的等离子平均温度比电弧引导的激光-MAG复合焊的约低700K,而且等离子密度值也略低。两种复合焊的等离子体密度值最大部位都处于焊接小孔的开口附近。(2)采用激光-MAG复合焊对7mm开坡口的42CrMo钢板进行了试验研究,采用高速相机观测熔池流动过程和小孔的动态行为,同时辅以红外热像仪采集焊缝温度变化信息,研究了光丝间距、离焦量、激光-电弧输入能量比、激光与电弧的前后位置、激光入射倾角和保护气体气流量等工艺参数对气孔形成的影响,讨论了气孔形成的可能机制。结果表明,不同的工艺参数造成的熔池流动过程、小孔的稳定性、焊缝的冷却速度和气泡的逸出速度均会影响42CrMo钢激光-MAG复合焊时气孔的形成。对5mm厚42CrMo钢正交试验结果表明,激光功率和焊接速度对减少气孔缺陷的潜力较大,是两个关键的工艺参数,较大的激光功率和较小的焊接速度有利于减少气孔。正离焦比零离焦和负离焦时的气孔数更少。送丝速度对减少气孔缺陷的潜力有限,但存在一个最佳值。选取优化的焊接工艺参数,能获得无气孔的理想焊缝。(3)针对42CrMo钢活塞容易在环形焊缝搭接处出现热裂纹的问题,设计了一种试验方法,用直线焊接近似模拟42CrMo钢活塞的环形焊接,对比研究激光焊接、激光引导焊接的激光-MAG复合焊、电弧引导焊接的激光-电弧复合焊三种环形焊接工艺时,焊缝接头处的热裂纹倾向。利用高速相机原地观测焊接过程中熔池流动过程和焊缝凝固过程,并求得固-液界面移动速率(VSL);利用红外热像仪采集焊缝温度随时间变化的相关信息,求得焊缝的固-液界面温度梯度(GSL)。结果表明,激光引导焊接的激光-MAG复合焊工艺比电弧引导焊接的激光-电弧复合焊工艺和激光焊接工艺的固-液界面移动速率VSL更小,焊缝的固-液界面温度梯度GS也更小。同时,其熔池材料流向树枝晶根部的渗透能力和补偿晶间压力平衡能力最强。所以,在三种焊接工艺中,激光引导焊接的激光-MAG复合焊工艺具有最小的热裂纹倾向,焊缝的工业CT无损检测的结果与之吻合。(4)对42CrMo钢激光-MAG复合焊接的焊缝接头组织和性能进行了研究。金相检测的结果表明,母材组织为回火索氏体,包含少量的铁素体,焊缝成分主要是针状马氏体,并未发现板条马氏体。对焊缝的显微硬度测试表明,硬度最高区域在热影响区,说明热影响区并没有形成回火马氏体而出现软化现象。焊缝底部的硬度要大于焊缝顶端的硬度。产生这种硬度差异的原因是由于焊缝顶端熔池由于电弧的作用,冷却速度相对较低,同时由于焊丝的加入,在低碳的ER80S-G焊丝的中和作用下,焊缝上部的碳含量降低,从而造成了硬度值的降低。对焊缝中气孔的扫描电镜观测和能谱分析的结果表明,气孔的形貌属于由于小孔坍塌形成的小孔型气孔,气孔的形状极不规则,内壁不光滑,具有液态金属冲刷过的痕迹,圆形气孔和梨形气孔的孔壁成分大体相同,均属于侵入性气孔。对焊缝中裂纹处的扫描电镜观测发现,裂纹均沿柱状晶的晶界开裂,断口具有沿晶间液膜分离的特征,即开裂时存在过一层薄的液膜层。