激光以其高能量集中度、高效能和高精度制造能力，被譽(yù)為21世紀(jì)環(huán)保制造技術(shù)。與傳統(tǒng)的焊接工藝相比，激光焊接技術(shù)因其低填充需求、高焊接 效率、較小的焊接變形與殘余應(yīng)力以及更優(yōu)的材料性能在焊接領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。隨著我國(guó)在核能、 海洋開(kāi)發(fā)和船只建造等方面的快速進(jìn)展，激光焊接技術(shù)日益被用于高性能部件的生產(chǎn)。 

為了滿足工程對(duì)超熔深焊縫的需求，開(kāi)發(fā)并應(yīng)用了萬(wàn)瓦級(jí)別的激光設(shè)備。與千瓦級(jí)激光器相比， 萬(wàn)瓦激光器超高功率密度（激光束功率密度可達(dá)1× 107 ~1×108  W/cm2 ）可獲得具有更大深寬比特征的焊縫，同時(shí)也降低了成本，并適用于更多的應(yīng)用環(huán) 境。萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接的方法主要有激光自熔焊、 真空激光焊、激光電弧-復(fù)合焊和激光-埋弧耦合焊接等。本文通過(guò)對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接相關(guān)技術(shù)特點(diǎn)、 熔池行為特征、羽輝物理特性、焊接缺陷的抑制以及焊接工藝的開(kāi)發(fā)應(yīng)用進(jìn)行了歸納總結(jié)，內(nèi)容框架 如圖1所示。

圖1　框架圖

使用萬(wàn)瓦級(jí)激光進(jìn)行的自熔焊接，采用深度熔化方式，不僅能量密度高、焊接速度快和熱影響區(qū)較窄等，也面臨著羽輝不穩(wěn)定、易產(chǎn)生大量飛濺和對(duì)工件加工精度要求高等挑戰(zhàn)。為了解決這些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊接的技術(shù)特性、穩(wěn)定性和缺陷控制進(jìn)行了廣泛的研究。

1.1 萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊焊縫成形的研究現(xiàn)狀 

萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊最先使用的是CO2激光器， 然后逐步廣泛使用光纖激光器。本節(jié)將從國(guó)內(nèi)外萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊的工藝研究，以及不同工藝參數(shù)的改變對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊焊縫質(zhì)量（包括焊縫成形和焊縫熔深）的影響進(jìn)行總結(jié)闡述。自 20 世紀(jì) 90 年代起，先進(jìn)國(guó)家便開(kāi)始探索重型金屬板焊接技術(shù)，采用具有極高功率的CO2激光器進(jìn)行研究。Becker等人針對(duì)10~35 mm不同規(guī)格的316不銹鋼，采用45 kW CO2激光焊，并對(duì)焊后接頭進(jìn)行無(wú)損檢測(cè)、微觀結(jié)構(gòu)觀察和力學(xué)特性評(píng)估。研究發(fā)現(xiàn)，焊縫內(nèi)部的氣孔對(duì)其性能造成負(fù)面影響，且隨材質(zhì)厚度的增加，氣孔數(shù)量也隨之增加。Ono和團(tuán)隊(duì)采用25 kW CO2激光器也進(jìn)行了相似的試驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)吳世凱等人使用20 kW的SR200型CO2激光器成功進(jìn)行了 12 mm 厚度 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的自熔焊接，焊接接頭在微觀組織和力學(xué)性能上均表現(xiàn)出色，完全達(dá)到了應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn) 。

圖2 70 mm S355不銹鋼焊縫形貌

國(guó)內(nèi)研究人員對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光焊技術(shù)也進(jìn)行了實(shí)踐性研究。當(dāng)激光功率達(dá)到15 kW，湖南大學(xué)陳根余團(tuán)隊(duì)采用橫向焊接配合多角度吹氣技巧， 在 0.6 m/min 速度下成功實(shí)現(xiàn)了 18 mm 厚度 304 不銹鋼的單面焊雙面成形。信紀(jì)軍 采用 20 kW 光纖激光器實(shí)現(xiàn)了20 mm厚度的304不銹鋼焊接全穿透，焊縫表面外觀如圖3所示。

圖3 20 mm不銹鋼焊縫上下表面形貌（P=20 kW）

萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊接工藝相對(duì)簡(jiǎn)單，影響焊縫成形的因素有：激光功率、焊接速度、光斑尺寸、離焦量等。美國(guó)聯(lián)合技術(shù)研究中心Bans和德國(guó)IPG 公司Grupp等人對(duì)厚壁構(gòu)件使用激光自熔焊技術(shù)進(jìn)行了研究，觀察到單次激光自熔焊的最大熔深與激光功率之間呈現(xiàn)出近乎指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)關(guān)系，同時(shí)發(fā)現(xiàn)隨著焊接速度的提升，熔透深度顯著下降，如圖4所示，金屬板材的最大一次焊透厚度主要由激光輸出功率決定。

圖4　激光功率對(duì)熔深的影響規(guī)律

Grupp采用 30 kW 光纖激光器對(duì) 32 mm 厚 X70不銹鋼板進(jìn)行焊接，圖5a呈現(xiàn)出激光功率和焊接速度如何作用于焊縫。在相同的焊接速度下，隨著激光功率由10 kW增加到30 kW，熔深顯著增加。如圖5b所示，在30 kW、0.6 m/min條件下，單層焊縫能夠?qū)崿F(xiàn)32 mm厚X70不銹鋼板的完全熔透。

（a）不同激光功率下焊接速度對(duì)熔深的影響

（b）焊縫橫截面成形

圖5 30 kW光纖激光器（YLR 30000）焊接性能

Kawahito 等人采用 10 kW 光纖激光器對(duì) 20 mm厚304不銹鋼板進(jìn)行焊接試驗(yàn)，探究了光斑尺寸與焊接速度對(duì)焊縫形態(tài)的影響。結(jié)果顯示，最大熔深可達(dá)18.2 mm，如圖6所示。這一結(jié)果凸顯了在焊接過(guò)程中適當(dāng)調(diào)整焊接速度和光斑尺寸對(duì)于精確控制焊縫深度的重要性。

圖6　光纖激光焊接不銹鋼厚板與焊接質(zhì)量的關(guān)系

Zhang等人采用10 kW光纖激光焊接30 mm 厚316L不銹鋼板，為了提高熔透深度，設(shè)計(jì)了一種如圖7所示的氣體噴射輔助裝置。該裝置能夠擴(kuò)大匙孔口徑，同時(shí)減少等離子體對(duì)能量傳遞的阻礙， 有效減小熔池寬度，并增加匙孔面積，使得單層焊接的最大熔透深度從 18.2 mm 增大到 24.5 mm，顯著提高了焊接效率和質(zhì)量。

圖7　焊接過(guò)程氣體噴射輔助裝置示意

湖南大學(xué)的張明軍為了探究萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光深熔焊接厚板工藝參數(shù)對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律， 采用 10 kW 光纖激光器焊接 12 mm 厚 304 不銹鋼板。該團(tuán)隊(duì)通過(guò)調(diào)整工藝參數(shù)（見(jiàn)圖8），分析了離 焦量及不同保護(hù)氣體類(lèi)型對(duì)焊接成形的影響規(guī)律。結(jié)果表明，在負(fù)離焦量條件下，焊縫質(zhì)量更優(yōu)，熔透程度更符合理想標(biāo)準(zhǔn)。在無(wú)保護(hù)氣體的環(huán)境中，焊接過(guò)程中容易受到干擾，導(dǎo)致焊縫出現(xiàn)彎曲和飛濺。相比之下，使用氬氣（Ar）或氮?dú)猓∟2 ）作為保護(hù)氣體，焊接過(guò)程更加穩(wěn)定，焊縫成形均勻且光滑。此外，通過(guò)觀察焊縫的橫截面可知，使用N2或Ar氣 保護(hù)下的焊縫呈現(xiàn)為顯著的“釘子頭”形態(tài)，而在缺乏保護(hù)氣體的條件下，這種特征則不太明顯。 

Somonov等人采用15 kW光纖激光器進(jìn)行 20 mm厚S355鋼板的焊接，分析焊接區(qū)域周?chē)砻娲植诙葘?duì)超高功率激光焊接焊縫形貌及其穿透能力的影響。研究發(fā)現(xiàn)，焊縫周?chē)谋砻娲植诙扰c焊接穿透深度有著緊密的關(guān)系，在激光功率保持恒定的前提下，表面粗糙度為6.3 μm時(shí)能使焊接穿透深度最大化，如圖9所示。 

Bergstr?m 等人同樣探討了萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光焊接中對(duì)接接頭邊緣的表面粗糙度如何影響焊縫的形成與熔透深度。結(jié)果顯示，增加表面粗糙度增大了對(duì)接焊縫間隙，減少了材料的氣化蒸發(fā)量， 從而降低了影響激光能量傳遞的金屬蒸氣和等離子體數(shù)量。但當(dāng)表面粗糙度Ra>8 μm時(shí)，焊縫間較大的空隙會(huì)使激光更深入焊接區(qū)域內(nèi)部，降低匙孔效應(yīng)的穩(wěn)定性，影響熔池深度和焊縫質(zhì)量。

圖8　不同離焦量和保護(hù)氣體種類(lèi)對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律

1.2 萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊缺陷的研究現(xiàn)狀 

在萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊過(guò)程中，大量等離子體以羽輝形式從匙孔噴出，這嚴(yán)重干擾了激光能量的有效傳遞。此外，激光能量傳遞的不連續(xù)性進(jìn)一步加劇了匙孔及熔池流動(dòng)的不穩(wěn)定性，對(duì)整個(gè)焊接過(guò)程產(chǎn)生負(fù)面影響。本節(jié)主要闡述缺陷的產(chǎn)生機(jī)理以及國(guó)內(nèi)外研究者在萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊實(shí)驗(yàn)研究中所發(fā)現(xiàn)的各類(lèi)缺陷。

1.2.1 氣孔和飛濺 

Matsunawa等人為了研究高功率激光深熔 焊接中氣孔的形成原因，采用X光成像技術(shù)和高速視頻捕捉技術(shù)對(duì)焊接過(guò)程中匙孔與熔池的實(shí)時(shí)變化進(jìn)行分析，試驗(yàn)設(shè)備布局如圖10所示。研究結(jié)果 表明，在萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接過(guò)程中，熔池的劇烈波動(dòng)會(huì)干擾匙孔對(duì)激光能的吸收，這是產(chǎn)生大量飛濺和氣孔的關(guān)鍵因素。

圖10　微距X射線透射實(shí)時(shí)成像系統(tǒng)

為了深入了解萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接時(shí)熔池和匙孔的動(dòng)態(tài)變化及其氣 孔生成的原理 ，Kobayashi 等人運(yùn)用X光成像技術(shù)進(jìn)行了實(shí)時(shí)觀察，焊接過(guò)程中氣孔生成機(jī)制如圖11所示。在激光焊接過(guò)程中， 液態(tài)金屬?gòu)某卓椎那跋路较蛏狭鲃?dòng)，當(dāng)流經(jīng)匙孔底部時(shí)流動(dòng)變得特別劇烈，這種劇烈的流動(dòng)導(dǎo)致匙孔底部容易形成氣孔，而這些氣孔很難被排除。 

張明軍等人利用高速攝影技術(shù)對(duì)激光深熔焊接過(guò)程中的物理現(xiàn)象進(jìn)行了研究，包括金屬蒸氣、等離子體、小孔以及熔池流動(dòng)等，并對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接引發(fā)飛濺現(xiàn)象的成因進(jìn)行了分析。如圖12 所示，飛濺主要是由小孔邊緣熔池過(guò)熱蒸發(fā)造成的。在反壓力與金屬蒸氣/等離子體高速?lài)娚洚a(chǎn)生的剪力共同作用下，熔化的金屬被推向熔池表面， 形成凸起。金屬蒸氣/等離子體的持續(xù)沖擊和剪切力使得熔化金屬的動(dòng)力超過(guò)了其表面張力，從而導(dǎo)致金屬?gòu)娜鄢刂酗w濺出來(lái)。Kawahito及其團(tuán)隊(duì)在觀察萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光焊接過(guò)程中的熔池表面和飛濺現(xiàn)象時(shí)，也得出了類(lèi)似的觀察結(jié)果，分析表明，飛濺主要是由于蒸氣流的強(qiáng)大剪切力將小孔附近 的熔池金屬推出。

圖11　氣孔形成機(jī)理

圖12　飛濺產(chǎn)生機(jī)理

Kaplan等人對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)高功率光纖激光焊接厚板產(chǎn)生的飛濺特征進(jìn)行了深入分析，研究發(fā)現(xiàn)在不同的焊接參數(shù)下，飛濺可分為 4 種不同的類(lèi)型：（1）產(chǎn)生在小孔兩側(cè)邊緣的飛濺；（2）小孔后方垂直液柱破碎形成的飛濺；（3）小孔后方傾斜液柱破碎 形成飛濺；（4）偶爾出現(xiàn)在小孔前沿的小顆粒飛濺， 如圖13a所示。研究者還對(duì)飛濺產(chǎn)生的機(jī)理進(jìn)行了探討，描述了飛濺的產(chǎn)生過(guò)程：前沿局部材料氣化；金屬溶液在氣化反沖力作用下被加速；熔液被迫流向熔池后沿；流動(dòng)的熔液聚集在表面；當(dāng)聚集的熔 液具有足夠大的向上加速度可克服表面張力的束縛時(shí)，就會(huì)形成液柱或飛濺，如圖13b所示。由此可知，飛濺的形成不僅與孔外噴出的蒸氣流產(chǎn)生的剪切力有關(guān)，還與孔內(nèi)的氣流狀態(tài)及熔池流動(dòng)相關(guān)。圖13c、13d為焊接過(guò)程產(chǎn)生的飛濺。

　（a）不同飛濺形式　　　　　　 （b）飛濺形成

（c）飛濺 

圖13　萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊形成的飛濺

1.2.2 裂紋、塌陷和駝峰 

大阪大學(xué)Matsuda以及德國(guó)聯(lián)邦大學(xué)Antoni  Artinov發(fā)現(xiàn)高功率激光自熔焊接厚板時(shí)形成的深窄焊縫中產(chǎn)生了凝固裂紋，這些裂紋均為處于焊縫中心的縱向裂紋（沿熔深方向裂紋），如圖14a所示。趙琳在進(jìn)行 10 kW 光纖激光焊接時(shí)也觀察到類(lèi)似的縱向凝固裂紋現(xiàn)象。在使用高功率光纖激光對(duì)厚板材料進(jìn)行完全熔透焊接的過(guò)程中，常會(huì)遇到塌陷和底部凸起的缺陷，如圖14b所示，并且這些缺陷通常按一定的周期性規(guī)律出現(xiàn)。張明軍在研究中發(fā)現(xiàn)，小孔前沿壁的流體區(qū)域局部蒸發(fā)引起的熔融金屬快速下流是導(dǎo)致焊縫塌陷和底部凸起的主要原因。 

1.3 萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊等離子體的研究現(xiàn)狀 

在萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊接過(guò)程中，高的激光功率密度與大能量的輸入會(huì)產(chǎn)生更多的金屬蒸汽和更細(xì)小的氣孔，這些氣孔內(nèi)部壓力波動(dòng)劇烈，熔池的流動(dòng)性也極不穩(wěn)定。因此，金屬蒸氣與熔池表現(xiàn)出更加復(fù)雜和多變的形態(tài)，其作用機(jī)制尚需進(jìn)一步的科學(xué)研究與闡明。 

Kawahito利用高速攝像和X射線成像技術(shù)對(duì)高功率激光焊接過(guò)程中不銹鋼和鋁合金的匙孔效應(yīng)進(jìn)行了深入探討和分析。結(jié)果表明，在較低的焊接速度下，金屬對(duì)激光能量的吸收增強(qiáng)；但是當(dāng)焊 接速度提高時(shí)，部分激光能量未能有效穿透孔洞， 從而降低了金屬對(duì)激光能量的吸收效率。為了探究激光與羽輝（等離子體與金屬蒸汽的混合物）的互動(dòng)，Katayama及其團(tuán)隊(duì)使用了如圖15所示的設(shè)備進(jìn)行試驗(yàn)，同時(shí)監(jiān)測(cè)了探頭光纖激光器的數(shù)據(jù)和羽輝的活動(dòng)。研究發(fā)現(xiàn)，等離子體與金屬蒸汽的密度變化會(huì)影響激光的傳播路徑。

（a）凝固裂紋

（b）表面塌陷和底部駝峰 

圖14　萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊中的裂紋、塌陷和駝峰缺陷

張明軍發(fā)現(xiàn)，通過(guò)合理調(diào)節(jié)負(fù)離焦量、焊接速率和保護(hù)氣體流量，可以穩(wěn)定地促進(jìn)金屬氣化/等離子體、匙孔和熔池之間的高效連接。陳根余團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一套設(shè)備來(lái)觀察萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光深熔 焊接過(guò)程中匙孔內(nèi)外的等離子體屬性，如圖16、圖 17 所示。試驗(yàn)采用 10 kW 光纖激光焊接 12 mm 厚 304不銹鋼板，發(fā)現(xiàn)匙孔內(nèi)部的等離子體分布并不均勻，且匙孔外的等離子體體積明顯小于金屬蒸發(fā) 產(chǎn)生的體積。研究還表明，匙孔中的等離子體分布 并不是均勻充滿的，而是在孔的不同深度處以隨機(jī)的方式散布；與金屬蒸氣相比，匙孔外的等離子體體積明顯較小，說(shuō)明在光纖激光焊接過(guò)程中只有一 小部分金屬蒸氣發(fā)生了電離。

圖15　萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接羽輝觀察

圖16　萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接匙孔內(nèi)等離子體觀察裝置和拍攝結(jié)果

圖17　萬(wàn)瓦級(jí)激光焊接匙孔外等離子體觀察裝置和拍攝結(jié)果

圖18　不同輔助氣體流速下的等離子體光譜信號(hào)

王春明等利用光譜分析研究了輔助氣體對(duì)激光焊接等離子體和激光能量傳輸?shù)挠绊懀鐖D18 所示。研究結(jié)果顯示，隨著輔助氣體流速的增加， 信號(hào)的強(qiáng)度減弱，并且信號(hào)的分布也會(huì)發(fā)生改變。通過(guò)使用輔助氣體可以有效抑制等離子體的生成， 從而提高激光的傳輸效率和焊接的熔透深度。 

隨著超高功率光纖激光器的發(fā)展，萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊研究應(yīng)用越來(lái)越廣泛，但萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊接仍存在一系列問(wèn)題，如：操作的靈活性受到極大限制；極高的能量集中度可能導(dǎo)致材料快速蒸發(fā)， 產(chǎn)生濃密的羽輝效應(yīng)，而在焊接過(guò)程中，熔池的劇烈動(dòng)蕩可能會(huì)引起大量飛濺，導(dǎo)致氣孔、塌陷等缺陷，這些都對(duì)焊縫的機(jī)械性能造成不利影響。 

在真空條件下進(jìn)行的激光焊接，可以顯著增強(qiáng)焊縫的熔透深度，改善焊接成形質(zhì)量，并減少焊接過(guò)程中氣孔的產(chǎn)生，從而提升焊縫的整體性能。其三大突出特性包括深熔透、低羽輝效應(yīng)和高品質(zhì)成形。針對(duì)這些特性，眾多學(xué)者展開(kāi)了研究工作。

2.1 萬(wàn)瓦級(jí)真空激光焊接焊縫成形和熔深 

真空激光焊接技術(shù)的研究最早可追溯至 1985 年，這一領(lǐng)域的研究工作旨在通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定合適的工藝參數(shù)，以提升焊縫質(zhì)量和熔深。 

為了獲得與真空電子束焊接相同的熔深，大阪大學(xué) Arata 等人首次設(shè)計(jì)了真空激光焊接試驗(yàn)， 不同壓力、不同速度下304不銹鋼圓盤(pán)激光焊接頭表面和截面如圖19所示。研究表明，在真空環(huán)境下進(jìn)行激光焊接可以顯著減少等離子體羽輝現(xiàn)象，提高焊接深度。當(dāng)環(huán)境壓力減小后，激光束被等離子體羽輝嚴(yán)重遮擋的問(wèn)題得到了有效緩解，使得通過(guò)減慢焊接速度來(lái)提高焊接質(zhì)量成為可能，最終在 10-1  Pa環(huán)境壓力下，采用激光功率11 kW、焊接速度 10 cm/min成功獲得了40 mm的熔深，如圖20所示。該團(tuán)隊(duì)在2001年開(kāi)始采用YAG固體激光器進(jìn)行真空激光焊接相關(guān)試驗(yàn) ，并在之后幾年內(nèi)相繼開(kāi)展了不同材料的焊接研究工作。

德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué)焊接研究所的Reisgen在相同的焊接熱輸入條件下（16 kW，0.3 m/min），比較了不同焊接技術(shù)S690QL的80 mm厚板所獲接頭橫截面效果。如圖21a所示，真空激光焊接與常規(guī)大氣條件下的激光焊接在熔深和焊縫外形上有顯著差異，真空激光焊接的焊穿效果和焊縫成形與真空電子束焊接非常相似。由圖21b可知，真空激光焊接方法能顯著增強(qiáng)工藝的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)的焊接效果，有效避免羽流現(xiàn)象，減少材料沸點(diǎn)，從而提升穿透率。

圖19　不同壓力、速度下304不銹鋼激光焊接頭表面和截面

圖20　壓力對(duì)不同焊接速度下焊縫熔深的影響

（上—激光焊接；中—真空焊接；下—電子束焊） 

（a）相同熱輸入下不同焊接方法的焊縫橫截面

（b）大氣環(huán)境和0.1 kPa低真空環(huán)境下的焊縫截面 

圖21 16 kW激光功率和不同焊接速度下熔深

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)萬(wàn)瓦級(jí)真空激光焊接在提高焊縫質(zhì)量和增大熔深方面也進(jìn)行了相關(guān)研究。黃瑞生等人研究8 mm厚Ti6Al4V合金在稀薄氣壓環(huán)境中（5 Pa低壓條件）使用不同激光焊接參數(shù)時(shí)的焊縫外觀特性，并探討了激光功率及焦距偏移對(duì)焊接質(zhì)量的影響。研究發(fā)現(xiàn)，焊接深度隨著激光功率的提升呈現(xiàn)出近乎線性的上升趨勢(shì)，且沒(méi)有出現(xiàn)在常規(guī)氣壓環(huán)境下高功率激光焊接常見(jiàn)的缺陷，如圖22所 示。在低壓條件下，焦距的調(diào)整對(duì)焊縫成形也至關(guān)重要。當(dāng)離焦量在-50~0 mm 范圍變化時(shí)，焊縫表面平滑且均一，如圖23所示，隨著離焦量的增加，焊縫寬度有所上升，而熔深則是先增長(zhǎng)后減小，當(dāng)離焦量達(dá)到-20 mm時(shí)，熔深達(dá)到峰值27.9 mm。

圖22　不同激光輸出功率的焊縫表面成形和熔深 （離焦量-50 mm）

圖23　不同離焦量的焊縫表面和熔深（激光功率10 kW）

哈爾濱工業(yè)大學(xué)王繼明等人采用三種不同 的激光功率 10 kW、20 kW 和 30 kW，并在真空度 2.5×104  Pa~10 Pa變化范圍內(nèi)進(jìn)行5A06鋁合金厚板平板堆焊試驗(yàn)。結(jié)果表明，在不同激光功率下，當(dāng)真空度分別為2.5×104  Pa、104  Pa和103  Pa時(shí)，焊縫表面呈凹凸不平狀，焊縫成形不良、不均勻且不整齊；當(dāng)真空度為102  Pa時(shí)，焊縫外觀明顯改善，表面起伏減小，焊縫光滑無(wú)飛濺。當(dāng)真空度為10 Pa時(shí)，焊縫形貌進(jìn)一步改善，變得更加連續(xù)均勻。如圖 24 所示，這表明隨著真空度的增加，焊縫成形逐漸優(yōu)化。如圖25所示，在激光功率超過(guò)10 kW的情況下，焊接熔透深度隨著真空度下降先增加后逐漸穩(wěn)定。 

2.2 萬(wàn)瓦級(jí)真空激光焊接羽輝以及缺陷抑制 

萬(wàn)瓦級(jí)真空激光焊接技術(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的提升主要反映在羽輝特性及匙孔熔池的動(dòng)態(tài)變化上。

圖24　真空度和激光功率對(duì)焊縫表面成形的影響

圖25　真空度和激光功率對(duì)焊縫熔深的影響

在真空環(huán)境下羽輝的大小及亮度顯著減小且表現(xiàn)出更高的穩(wěn)定性。真空度的提升對(duì)焊縫缺陷如飛濺和氣孔有明顯的抑制作用。因此，通過(guò)調(diào)整真空度可以明顯抑制缺陷的發(fā)生。 

Katayama在 2011 年利用高速攝影技術(shù)捕捉到焊接時(shí)的羽輝，如圖26所示，當(dāng)真空度增加時(shí)，羽輝現(xiàn)象明顯減弱，同時(shí)飛濺也相應(yīng)減少。 

德國(guó)科學(xué)家 Youhei 及其團(tuán)隊(duì)深入研究了多種金屬的真空激光焊，通過(guò)觀察焊接熔池的流動(dòng)特性及匙孔形態(tài)，提出了真空激光焊接技術(shù)能夠有效保持匙孔穩(wěn)定性的理論。李俐群等對(duì)該技術(shù)的最佳真空度進(jìn)行探討，發(fā)現(xiàn)隨著真空度的增加，A5083 焊縫內(nèi)的氣孔率顯著降低。當(dāng)真空度高于 10 Pa時(shí)，焊縫中無(wú)氣孔存在，如圖27所示。

圖26　真空度對(duì)羽輝形態(tài)的影響

圖27　不同真空度下的焊縫氣孔

陳彥賓等人采用工業(yè)CT測(cè)量了在不同真空 環(huán)境下鋁合金焊縫的氣孔分布和大小，如圖 28 所示。發(fā)現(xiàn)隨著真空度的提高，鋁合金焊點(diǎn)中的氣孔數(shù)量及其體積顯著減少，在工藝控制下氣孔數(shù)量減少更為顯著。 

上海交通大學(xué)羅燕等人采用一側(cè)透明玻璃 直接觀察了真空焊接過(guò)程中小孔內(nèi)壁的動(dòng)態(tài)行為， 如圖29所示，觀察到隨著環(huán)境壓力的降低，激光加熱導(dǎo)致匙孔前部蒸發(fā)作用減弱。這種蒸汽在空氣中的激光焊接過(guò)程會(huì)對(duì)匙孔后側(cè)產(chǎn)生不穩(wěn)定的局部壓力，導(dǎo)致波動(dòng)，最終影響到匙孔內(nèi)部的穩(wěn)定性。當(dāng)環(huán)境壓力升至10 kPa以下時(shí)，這種現(xiàn)象會(huì)逐步消失，確保了焊接過(guò)程中匙孔穩(wěn)定，并進(jìn)一步避免了氣孔缺陷的形成。

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)融合了兩種熱源，實(shí)現(xiàn)了超越單一焊接技術(shù)的“1+1>2”的效果。該技術(shù)的特點(diǎn)包括焊接過(guò)程極其穩(wěn)定、適應(yīng)性強(qiáng)、橋接能力好、填充效率高等優(yōu)勢(shì) 。利用輸出萬(wàn)瓦級(jí)別功率的激光器，可以實(shí)現(xiàn)極高的功率密度，進(jìn)而提高激光打孔的效果，并顯著增強(qiáng)焊縫的深寬比。與傳統(tǒng)激光自熔焊接相比，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在適應(yīng)不同工作環(huán)境的能力上更勝一籌，其應(yīng)用范圍也更加廣泛。本章節(jié)闡述了國(guó)內(nèi)外在萬(wàn)瓦級(jí)激光- 電弧復(fù)合焊單面焊雙面成形的典型研究。

圖28　不同真空度下焊縫氣孔分布的三維重建圖

圖29　多種環(huán)境壓力下焊接過(guò)程中匙孔動(dòng)態(tài)形貌照片

Turichin等人運(yùn)用高能量光纖激光技術(shù)實(shí) 現(xiàn)了14 mm厚X80管線鋼單道焊雙面成形，還實(shí)現(xiàn) 了14 mm X80管線鋼對(duì)接及T形接頭單面焊接雙面 成形。?mer üstünda?等人建立了電磁熔池支撐系統(tǒng)，采用 20 kW 激光功率進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊接試驗(yàn)。研究結(jié)果顯示，電磁熔池支撐技術(shù)能夠有效地穩(wěn)定熔池，防止熔融金屬滴落，并成功實(shí)現(xiàn)了 20 mm、25 mm、28 mm 船用 S355J2 低合金鋼以及 20 mm X20 管線鋼單面焊接雙面成形，如圖 30 所示。這些研究成果為激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在船舶和管線制造等領(lǐng)域的應(yīng)用提供了技術(shù)支持。

圖30　基于交流振蕩電磁系統(tǒng)的激光-GMAW 復(fù)合焊接

Mizutani等人采用激光-電弧復(fù)合焊，激光功 率16 kW，結(jié)合背襯技術(shù)和金屬絲切割填充法填補(bǔ)焊縫間隙，對(duì)25 mm厚SM490A結(jié)構(gòu)鋼板實(shí)現(xiàn)了單面焊雙面成形，并且采用雙面單道焊接方法實(shí)現(xiàn)了 50 mm厚板的焊接，且焊接接頭機(jī)械性能優(yōu)異。試驗(yàn)裝置和部分焊縫截面如圖31所示。 

德國(guó)不萊梅激光研究所Vollersen等對(duì)激光- 電弧復(fù)合焊接裝配間隙進(jìn)行研究，在20 kW激光功 率作用下，16 mm厚X65板材實(shí)現(xiàn)一次性焊接穿透， 并且實(shí)現(xiàn)2 mm的邊緣偏差及0.35 mm的裝配縫隙， 這表明激光-電弧復(fù)合焊技術(shù)擁有出色的縫隙連接性能。挪威科技大學(xué)Bunaziv等人使用15 kW激 光功率對(duì) 45 mm 非商業(yè) HSLA 鋼，進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊接，結(jié)果表明，在低溫（-50 ℃）下，熔合線高， 焊縫金屬韌性好。國(guó)內(nèi)探究萬(wàn)瓦級(jí)光纖激光電弧復(fù)合焊的實(shí)例寥寥。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)井志成等人采用 10 kW 光纖激光器進(jìn)行激光-電弧復(fù)合焊接， 一次性焊接穿透18 mm厚的EH36船舶用高強(qiáng)度鋼材，并對(duì)焊縫接頭的機(jī)械性能進(jìn)行了評(píng)估。黃瑞生 等人使用30 kW光纖激光器，利用高速攝影技術(shù)觀察高功率激光-MAG 復(fù)合焊接過(guò)程中羽輝和飛濺的形態(tài)，研究表明，當(dāng)激光功率達(dá)到萬(wàn)瓦級(jí)別時(shí)， 羽輝與飛濺現(xiàn)象明顯增多，對(duì)焊接的穩(wěn)定性帶來(lái)了不利影響。蔣寶等人使用 30 kW 光纖激光器對(duì) 30 mm Q235B低碳鋼進(jìn)行平板堆焊試驗(yàn)，采用激光 引導(dǎo)電弧技術(shù)并增加電弧輸出功率的方式，可以顯著改善焊縫表面形態(tài)。王志鵬等通過(guò)對(duì) 25 mm 厚的Q355C低合金高強(qiáng)度鋼進(jìn)行平板堆焊實(shí)驗(yàn)，探究了焊接參數(shù)對(duì)焊縫的成形和熔池形貌的影響，實(shí)現(xiàn)了 25 mm 厚 Q355C 低合金高強(qiáng)度鋼的平板對(duì)接單面焊雙面成形。哈爾濱焊接研究所團(tuán)隊(duì)利用萬(wàn)瓦級(jí)激光-電弧復(fù)合焊成功用于大型船板焊接。

（a）試驗(yàn)裝置

（b）焊縫形貌

圖31　試驗(yàn)裝置及接頭橫截面宏觀圖像

相較于傳統(tǒng)電弧焊接，萬(wàn)瓦級(jí)激光-電弧復(fù)合焊接具有連接效率高、大深寬比和橋接能力好等優(yōu)勢(shì)。然而，在進(jìn)行中厚板激光-電弧復(fù)合焊接時(shí)接頭仍會(huì)存在接頭成形不良、氣孔飛濺等問(wèn)題，難以滿足不斷提高的成形和服役要求。

在萬(wàn)瓦級(jí)激光-電弧復(fù)合焊中，當(dāng)熔深≥12 mm 時(shí)，焊縫根部易出現(xiàn)氣孔，如圖32所示。隨著激光功率的增大，氣孔傾向增大。基于萬(wàn)瓦級(jí)激光電弧復(fù)合焊氣孔以及缺陷等問(wèn)題目前仍未解決，為了克服萬(wàn)瓦級(jí)激光電弧復(fù)合焊工藝在深焊縫區(qū)氣孔率方面的局限性，德國(guó)亞琛工業(yè)大學(xué) Reisgen 等提出激光-埋弧復(fù)合焊接方法，在高功率激光焊接的基礎(chǔ)上引入埋弧焊，延長(zhǎng)熔池凝固時(shí)間，從而達(dá)到降低焊縫氣孔率的目的。激光-埋弧復(fù)合焊示意如 圖33所示。

圖32　萬(wàn)瓦級(jí)激光-GMA復(fù)合焊

圖33　激光-埋弧復(fù)合焊

Reisgen等人于 2012 年采用20 kW級(jí) CO2激 光器也開(kāi)展了激光-埋弧復(fù)合焊接氣孔率實(shí)驗(yàn)，通過(guò)與激光-GMA對(duì)比如圖34所示，激光-埋弧復(fù)合焊顯著降低焊縫氣孔率。該團(tuán)隊(duì)又開(kāi)展了35 mm厚的X65（L460MB）鋼激光-埋弧復(fù)合焊接工藝試驗(yàn)，與傳統(tǒng)埋弧焊相比焊接效率顯著提升；焊接接頭形貌如圖35所示，焊接接頭變形小、焊縫氣孔率低、焊縫成形良好。并對(duì)焊接接頭進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果表明，焊接接頭的平均抗拉強(qiáng)度與母材相當(dāng)。

圖34　焊縫氣孔率對(duì)比

圖35　激光-埋弧復(fù)合焊接頭形貌

Reisgen 等人于 2020 年又開(kāi)展了激光-埋弧復(fù)合焊單面焊雙面成形工藝，引入圓形擺動(dòng)激光技術(shù) 預(yù)實(shí)現(xiàn) 22 mm 厚單面焊雙面成形技術(shù)，但并未成功，在添加襯墊的前提下實(shí)現(xiàn)22 mm厚一次焊接成形，如圖36所示。

（a）未加襯墊　　　　　　　　（b）加襯墊 

圖36　激光-埋弧復(fù)合焊焊縫截面

（1）萬(wàn)瓦級(jí)激光自熔焊具有高激光能量密度、 高焊接速度、焊接熱影響區(qū)較窄等優(yōu)勢(shì)，但當(dāng)激光功率超過(guò)10 kW時(shí)，在大氣環(huán)境下，工藝窗口很窄，羽輝波動(dòng)大，易形成飛濺，很難獲得良好的接頭。 

（2）萬(wàn)瓦級(jí)真空激光焊接可以顯著增加焊縫熔深，提高焊縫成形質(zhì)量并且能夠抑制焊接過(guò)程中的氣孔缺陷，提高焊縫的性能的優(yōu)勢(shì)。

（3）萬(wàn)瓦級(jí)激光-電弧復(fù)合焊接具有連接效率高、橋接能力好、工況適應(yīng)性強(qiáng)、易實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，工程應(yīng)用范圍廣等優(yōu)勢(shì)。萬(wàn)瓦級(jí)激光-埋弧耦合焊接正處于起步階段，目前實(shí)驗(yàn)表明，激光-埋 弧耦合焊接具有進(jìn)一步的研究?jī)r(jià)值。

綜上所述，萬(wàn)瓦級(jí)高效激光焊接由于其高質(zhì)量、高效率、大熔深的優(yōu)勢(shì)逐步成為前沿的焊接方向。在各國(guó)工作者的研究下，萬(wàn)瓦級(jí)高效激光焊接技術(shù)研究已經(jīng)取得了一定的成果并實(shí)現(xiàn)了部分工 業(yè)應(yīng)用，高效復(fù)合焊接技術(shù)、高新焊接技術(shù)是未來(lái)核電、船舶、壓力容器等行業(yè)焊接技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)。但是對(duì)中厚板以及大厚板高功率激光焊接氣孔缺陷控制以及單面焊雙面成形仍需深入研究，解決核電、壓力容器、新能源儲(chǔ)氫裝置、船舶等中厚板高 效、高質(zhì)量焊接應(yīng)用需求。