GH3128焊接工艺需求
复杂内流道构件为具有复杂密集内通道的薄壁夹层结构。由于构件蒙皮呈三
维结构及薄壁特征，无法实现一体化制造和无缝对接，导致在利用激光对接焊接
工艺进行其外蒙皮拼接焊接时，易产生焊缝咬边、背部凸起及背部飞溅等缺陷，
降低焊缝机械性能，污染并堵塞内部通道。因此，亟需开发一种薄板对接焊接新
工艺，在保证焊接质量的基础上，实现焊接净成形，以满足复杂内流道构件蒙皮
拼焊的工艺需求。
通过分析可知，对接间隙的存在以及较小的激光光斑是引起上述缺陷的重要
原因。本文提出一种 GH3128 薄板对接双光束激光-TIG 复合焊接工艺， 并在一定间隙冗余度（间隙不大于板厚的 0.2 倍）条件下进行试验，系统地研究了焊接工艺参数（激光功率、电弧电流、焊接速度、热源间距、焦斑间距）对焊
缝成形尤其是焊缝背部成形及背部飞溅的影响规律，并对焊缝净成形机理进行了
相关研究和分析。
焊接工艺试验结果表明：焊缝表面熔宽与电弧电流呈正相关，与焊接速度呈
负相关，与激光功率、热源间距及焦斑间距关系不大；焊缝背部飞溅、背部凸起
及熔宽变化同激光功率呈正相关，与焊接速度及焦斑间距呈负相关；随着电弧电
流的增加，焊缝背部凸起及熔宽变化呈先不变后增加的趋势，背部飞溅呈现先减
少后增加的趋势；随着热源间距的增加，焊缝背部熔宽、背部凸起及飞溅均呈现
先减小后不变的趋势。由上述试验结果可知，激光功率、电弧电流、焊接速度、
热源间距以及焦斑间距等焊接工艺参数对焊缝成形具有极为重要的影响。
在工艺试验的基础上，通过优化焊接工艺参数，最终获得了双面成形良好、
背部净成形的对接焊缝，并对优化参数下的焊缝的力学性能进行了研究。结果表
明：焊缝的显微硬度略低于母材；焊缝接头拉伸强度可达到母材的 90%，断口形 貌显示为韧性断裂。上述试验结果说明优化工艺参数下焊接接头的组织和力学性 能可满足复杂内流道构件蒙皮对接焊接的成形要求。
本文通过设计试验，借助高速摄像研究焊接过程中激光与电弧的相互作用及
焊接熔池行为，分析了薄板对接焊接净成形机理。研究发现：双光束激光热源在
前起到桥接熔池的作用，电弧热源在后起到调控熔池及整形焊缝的作用，两种热
源复合作用，保证了焊缝良好成形；激光穿透行为是引起背部飞溅的主要原因，
控制激光能量输入，使得激光能量不足以完全穿透焊缝，即可消除背部飞溅，实
现焊缝净成形。
最后，通过 2 mm 薄板对接焊接试验（间隙条件下），进一步验证了双光束激光-TIG 复合焊接工艺可以通过增加熔池体量，优化激光与电弧能量匹配关系，
实现对接焊接（间隙条件下）的焊缝净成形。
关键词：GH3128 薄板；对接焊接；双光束激光-TIG 复合焊接；焊缝形貌；
净成形
研究背景及意义
航天发动机作为航天飞行器推进系统的核心构件，其制造可靠性是航天发动
机研制进程的的重点和难点。航天发动机的工作热负荷条件苛刻，其主要承热结
构多采用复杂内流道结构。复杂内流道结构为具有复杂密集内通道的薄壁夹层结
构，主要由导热面和基体两大部分组成，该结构需要通过焊接技术将导热面蒙皮
与基体上的筋有效连接起来，最终完成内流道结构的制造[1]。由于 GH3128 材料 的热强性好，并可在 950℃高温下长期稳定工作，故而导热面蒙皮多由厚度为 1 mm 的 GH3128 固溶态薄板加工而成[2]。复杂内流道结构良好的材料特性和独特 的结构特征，可有效实现构件减重效果好，换热效率高的目的[3-5]。
随着航天发动机性能的不断提升，复杂内流道构件整体结构也呈现更加复杂
三维的特点，这直接导致导热面面型的三维曲面变化，极大的提升了蒙皮加工难
度。蒙皮结构的复杂性及其薄壁特征，使得蒙皮难以实现一体化制造，故必须采
用多段拼接工艺进行连接制造。复杂内流道构件的典型结构及蒙皮拼接示意图如
图 1-1 所示。
蒙皮的拼焊作为重要而不可或缺的制造工艺，在复杂内流道构件的焊接制造
中具有极其重要的地位。目前，多采用激光拼焊工艺进行蒙皮拼焊制造。激光焊
接技术作为现今最具发展前景的焊接技术之一[6]，已广泛应用于航空航天、轨道
列车等诸多领域。激光焊接技术具有焊接速度快、焊件变形小、材料选择范围广、
能量控制精确、无需真空环境、接头质量高、加工柔性好等优势，使得其能够更好的适应复杂内流道构件的三维制造工艺，尤其在蒙皮与基体的搭接焊接工艺
中，激光焊接具有得天独厚的技术优势，故而选择激光焊接技术作为复杂内流道
构件制造工艺的主要发展方向。
导热面蒙皮具有结构复杂、尺寸大、薄壁的特点，受制造工艺技术及精度的
限制，各段蒙皮间极难实现无缝对接，势必存在对接间隙。由于激光束的聚焦光
斑小、穿透能力强、熔池桥接性能差[7]，所以单激光焊接时，对接间隙的存在既
会导致焊缝凹陷、咬边等缺陷，如图 1-2 所示，影响焊缝连接强度；又会导致焊 缝背部出现凸起、飞溅等缺陷，如图 1-3 所示，污染并堵塞流道，降低构件热防 护效果。所以，在一定间隙冗余度（间隙不大于板厚的0.2 倍）条件下，实现蒙 皮这一薄板结构的无缺陷净成形（焊缝正面无咬边，背面无凸起及飞溅）的对接 焊接，是复杂内流道构件激光焊接制造的技术关键和瓶颈。
如前所述，对接间隙的存在以及体积较小的激光焊接熔池是导致对接焊缝表
面凹陷的主要原因。所以增加焊缝熔池体量是消除凹陷缺陷的有效可行技术途
径。激光填丝焊接工艺是目前比较常用的可有效增加金属熔化体量的焊接工艺，
在铝合金焊接和中厚板激光焊接工艺中应用较为广泛。在本课题的应用背景下，
由于蒙皮厚度小，填丝工艺的加入必然会引起熔池的剧烈波动，增加多焊接工艺
参数（光丝间距、送丝速度等）匹配的复杂性，从而导致焊缝背部凸起及飞溅状
况更为严重；同时，蒙皮拼焊的环形对接焊缝的结构特点以及零焊接缺陷的工艺
需求，必然导致起始开光和终止关光处的送丝参数调制难度极大。
所以，为提升激光焊接工艺对间隙的适应性，在不添加填充材料的前提下， 通过改变激光焊接方式，达到适当增加焊接熔池体量的目的，可望有效提升焊缝成形质量。如通过激光束倾斜入射及双光束并行作用等方法，可有效增加对接间
隙两侧基体金属熔化区域，改善焊接工艺对间隙的适应性。但这些方法在焊接过
程中，要实现双面成形，激光功率必须满足穿透蒙皮的能量需求，这必然导致激
光小孔穿透焊缝，引起背部飞溅及凸起等缺陷，无法满足复杂内流道构件对流道
形貌的要求。
针对上述问题，本文在双光束激光对接焊接工艺的基础上引入电弧，采用双
光束激光-TIG 复合焊接工艺，通过激光与电弧热源复合作用，充分利用电弧的
熔化效应，抑制激光的穿透效应，以达到消除激光穿透焊接引起的背部飞溅等缺
陷的目的；同时，双激光于焊缝两侧的对称作用效果以及激光与电弧热源的复合
效果，可有效增加熔池宽度，提高熔池桥接能力和间隙适应性，进而有效消除焊
缝咬边缺陷。
本文的薄板对接双光束激光-TIG 复合焊接工艺，既可为复杂内流道结构的
蒙皮拼焊提供可靠的净成形工艺窗口，更可为双面成形要求严苛的薄板间隙对接
焊接提供新方法与新思路，具有重要的工程应用价值。
因此，本文在一定间隙冗余度（间隙不大于板厚的 0.2 倍）条件下，系统地
研究焊接工艺参数（激光功率、电弧电流、焊接速度、热源间距、焦斑间距）对
焊缝成形，尤其是焊缝背部成形及背部飞溅的影响规律，并通过优化焊接工艺参
数，最终获得双面成形良好、无飞溅的净成形焊接接头；同时，通过研究焊接过
程中激光与电弧相互作用及焊接熔池行为，分析薄板对接焊接净成形物理机制。
