近年来,随着环境保护要求的不断提高,天然气(LNG)日益受到人们的重视,广泛应用于发电、汽车燃料、居民生活和工业方面。9%Ni钢作为高纯净度、高强度的高镍钢材,在-196℃极低温度下仍具有良好的韧性和强度,与奥氏体不锈钢和铝合金相比,还具有热胀系数小、经济性好的特点。可以预见,在未来的若干年内,9%Ni钢作为LNG储运设备的主要结构材料将被大量使用。目前,9%Ni钢可以采用的焊接方法主要有:焊条电弧焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)和药芯焊丝气体保护焊(FCAW)。9%Ni钢的焊接问题主要包括:(1)焊接热影响区为粗大马氏体,韧性下降;(2)坡口尺寸大,消耗大量镍基焊材,生产成本高昂;(3)单道熔深小,焊道数目较多,生产效率低;(4)弧焊过程存在较为严重的磁偏吹。采用窄间隙激光填丝焊连接9%Ni钢不仅可以避免磁偏吹问题,而且具有焊接效率高、焊材用量少、焊接变形小等优点,但是该方法也存在层间缺陷、侧壁未熔合、过程失稳等问题。目前,窄间隙激光填丝焊在9%Ni钢连接中的应用尚未见报道,相关研究则集中在接头组织性能分析,在焊接工艺优化、影响因素分析方面的研究较少。本课题采用YLS-10000光纤激光器和ERNiMo-6焊丝,对液化天然气船液罐用9%Ni钢进行了超窄间隙激光填丝焊。试验观察发现,由于母材与填充材料在熔点、表面张力等方面存在显著差异,窄间隙激光填丝焊接头熔合线附近,以及层(道)间均易出现未熔合缺陷,焊接过程的激光能量分配是关键因素,底部焊道、坡口侧壁、焊丝之间的能量均衡是避免未熔合缺陷的前提。通过正交试验对激光功率(P),离焦量(D)及光丝间距(l)进行分析,采用侧壁熔合比、焊道表面平整度及热影响区状态作为焊缝成形质量的评估指标。通过正交试验将工艺参数与焊缝成形质量建立联系,并由评估指标分析9%Ni钢窄间隙激光填丝焊过程中能量分配模型。分析发现:侧壁熔合比主要受激光功率和离焦量影响。适度增加激光离焦量,将激光能量直接作用于坡口侧壁可以有效降低侧壁未熔合概率;当坡口间隙较大,无法实现激光直接照射时,则需适度增加激光功率。对于填充焊道来说,前次焊道的表面平整度对避免层间缺陷尤为重要,匙孔坍塌是造成焊道表面起伏的重要因素。当入射激光落入焊道表面孔洞时,金属蒸汽下移,焊丝熔化速度下降,入射激光能量分配失稳,是导致层(道)间缺陷的根本原因。在保证前道焊缝平整的前提下,适度增加离焦量,提高填充焊丝的能量分配有助于改善焊缝成形。在所建立的激光能量分配模型基础上,优化各焊道的激光功率、离焦量、光丝间距等参数,完成了9%Ni钢窄间隙激光填丝焊接头,成功抑制了侧壁未熔合、层(道)间未熔合等缺陷。观察发现,焊缝组织主要为奥氏体,熔合线附近结晶形态为柱状晶,焊缝中心则为等轴晶。焊接热影响区分为粗晶区、细晶区和两相区,组织均为马氏体,未发现残余奥氏体。焊缝硬度均值约为200HV,热影响区硬度为370HV,其中粗晶区的硬度远高于母材。拉伸试样均断于焊缝,接头常温抗拉强度为650MPa,低温抗拉强度为850MPa,均略低于相同试样条件下的母材。低温(-196℃)冲击试验结果表明,焊缝中心和熔合线附近的冲击功均为40J以上,冲击断口上可以观察到细小的韧窝,判定接头为韧性断裂。9%Ni钢窄间隙激光填丝焊接头力学性能达到CCS相关标准要求。本文所建立的能量分配模型,为9%Ni钢窄间隙激光填丝焊工艺参数优化奠定了基础,成功实现了16mm厚9%Ni钢的连接。