随着连铸设备、技术不断发展,空心和小尺寸连铸辊在冶金行业中的应用更加广泛。传统堆焊技术存在稀释率大、熔敷效率低、热输入高、辊体变形大、焊缝成形差等问题,难以满足空心和小尺寸连铸辊堆焊修复需求。本文以此为研究背景,采用小功率大光斑模式激光-MAG复合堆焊方法,填充不锈钢自保护药芯焊丝,获得的表面堆焊层余高-熔宽比值小、稀释率低、气孔敏感性低,实现了空心和小尺寸连铸辊的高效稳定堆焊,并对焊缝成形、电弧稳定性、熔滴受力及过渡等问题进行了系统研究,具体研究内容如下:优化了激光-MAG复合堆焊工艺,并与MAG堆焊进行了对比分析。结果表明,小功率大光斑模式激光-MAG复合不锈钢自保护药芯焊丝堆焊焊缝的余高-熔宽比值降低14%,稀释率降低20%,热影响区宽度降低28%,硬度提高2%,焊缝区板条马氏体组织特征更加明显,热影响区晶粒尺寸更均匀细小。研究了小功率大光斑模式激光-MAG复合不锈钢自保护药芯焊丝堆焊电弧稳定性。分析发现:与MAG堆焊相比,激光的加入,一方面可以加快焊丝药芯的熔化速度,改变焊丝端头的熔化状态,显著降低MAG电弧作用点漂移率;另一方面可以改变MAG电弧空间,使MAG扁圆柱电弧圆锥化,弧长增加一倍。二者综合作用不仅可以增大熔滴过渡频率,还可以稳定熔滴落点,降低短路过渡概率;形成沿轴过渡,使电流变异系数降低22%,显著提升堆焊电弧的稳定性;解决了自保护药芯焊丝焊接材料自身特有的电弧失稳及滞熔的问题。分析了熔滴过渡模式及受力,建立了小功率大光斑模式激光-MAG复合不锈钢自保护药芯焊丝堆焊的熔滴过渡受力模型;提出熔滴过渡分为左偏轴过渡、右偏轴过渡和沿轴过渡;揭示了激光的加入对自保护药芯焊丝堆焊熔滴受力的影响机制。即激光通过改变电磁收缩力方向(电弧轴线方向)与焊丝轴线的夹角、熔滴质心与焊丝轴线的夹角及熔滴的受热温度,可以有效控制电磁收缩力、等离子流力、气体动力和表面张力的大小,对熔滴过渡模式产生直接影响。结果表明沿轴过渡(熔滴质心和电弧轴线回归焊丝轴线上),显著减小熔滴过渡直径,增大熔滴过渡频率,是小功率大光斑模式激光-MAG复合不锈钢自保护药芯焊丝堆焊熔滴过渡的最佳模式。开展了药芯矿物质组分及含量对堆焊工艺性能影响规律及机制研究。通过对矿物质中各个组分及含量与脱渣率、飞溅率、焊缝成形以及堆焊电弧稳定性关系的回归分析,揭示了矿物质组分之间的耦合作用对堆焊工艺性能的影响规律。基于与国外同类焊丝工艺性能的对比分析及实验验证,揭示了药芯中氧化物组分及含量对焊接飞溅的影响规律。药芯中添加不同氧化物组分及含量的焊丝会导致堆焊时产生排斥过渡小颗粒偏飞型、短路过渡电爆炸型、弧桥并存过渡液桥爆断型等不同形式的飞溅,其中弧桥并存过渡液桥爆断型飞溅最小。建立了液桥存在时表面张力与液桥缩颈处横截面半径之间的径向和轴向受力数学模型,基于模型推导出了产生弧桥并存过渡液桥爆断型飞溅的表面张力控制范围。通过调节药芯中氧化物组分及含量,改变熔滴表面张力,形成弧桥并存过渡,能有效降低焊接飞溅。