激光以其高能量集中度、高效能和高精度製造能力，被譽為(wei) 21世紀環保製造技術。與(yu) 傳(chuan) 統的焊接工藝相比，激光焊接技術因其低填充需求、高焊接 效率、較小的焊接變形與(yu) 殘餘(yu) 應力以及更優(you) 的材料性能在焊接領域得到廣泛應用。隨著我國在核能、 海洋開發和船隻建造等方麵的快速進展，激光焊接技術日益被用於(yu) 高性能部件的生產(chan) 。 

為(wei) 了滿足工程對超熔深焊縫的需求，開發並應用了萬(wan) 瓦級別的激光設備。與(yu) 千瓦級激光器相比， 萬(wan) 瓦激光器超高功率密度（激光束功率密度可達1× 107 ~1×108  W/cm2 ）可獲得具有更大深寬比特征的焊縫，同時也降低了成本，並適用於(yu) 更多的應用環 境。萬(wan) 瓦級激光焊接的方法主要有激光自熔焊、 真空激光焊、激光電弧-複合焊和激光-埋弧耦合焊接等。本文通過對萬(wan) 瓦級激光焊接相關(guan) 技術特點、 熔池行為(wei) 特征、羽輝物理特性、焊接缺陷的抑製以及焊接工藝的開發應用進行了歸納總結，內(nei) 容框架 如圖1所示。

圖1　框架圖

使用萬(wan) 瓦級激光進行的自熔焊接，采用深度熔化方式，不僅(jin) 能量密度高、焊接速度快和熱影響區較窄等，也麵臨(lin) 著羽輝不穩定、易產(chan) 生大量飛濺和對工件加工精度要求高等挑戰。為(wei) 了解決(jue) 這些問題，國內(nei) 外研究人員對萬(wan) 瓦級激光自熔焊接的技術特性、穩定性和缺陷控製進行了廣泛的研究。

1.1 萬(wan) 瓦級激光自熔焊焊縫成形的研究現狀 

萬(wan) 瓦級激光自熔焊最先使用的是CO2激光器， 然後逐步廣泛使用光纖激光器。本節將從(cong) 國內(nei) 外萬(wan) 瓦級激光自熔焊的工藝研究，以及不同工藝參數的改變對萬(wan) 瓦級激光自熔焊焊縫質量（包括焊縫成形和焊縫熔深）的影響進行總結闡述。自 20 世紀 90 年代起，先進國家便開始探索重型金屬板焊接技術，采用具有極高功率的CO2激光器進行研究。Becker等人針對10~35 mm不同規格的316不鏽鋼，采用45 kW CO2激光焊，並對焊後接頭進行無損檢測、微觀結構觀察和力學特性評估。研究發現，焊縫內(nei) 部的氣孔對其性能造成負麵影響，且隨材質厚度的增加，氣孔數量也隨之增加。Ono和團隊采用25 kW CO2激光器也進行了相似的試驗研究。國內(nei) 吳世凱等人使用20 kW的SR200型CO2激光器成功進行了 12 mm 厚度 1Cr18Ni9Ti 不鏽鋼的自熔焊接，焊接接頭在微觀組織和力學性能上均表現出色，完全達到了應用標準 。

圖2 70 mm S355不鏽鋼焊縫形貌

國內(nei) 研究人員對萬(wan) 瓦級光纖激光焊技術也進行了實踐性研究。當激光功率達到15 kW，湖南大學陳根餘(yu) 團隊采用橫向焊接配合多角度吹氣技巧， 在 0.6 m/min 速度下成功實現了 18 mm 厚度 304 不鏽鋼的單麵焊雙麵成形。信紀軍(jun)  采用 20 kW 光纖激光器實現了20 mm厚度的304不鏽鋼焊接全穿透，焊縫表麵外觀如圖3所示。

圖3 20 mm不鏽鋼焊縫上下表麵形貌（P=20 kW）

萬(wan) 瓦級激光自熔焊接工藝相對簡單，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。美國聯合技術研究中心Bans和德國IPG 公司Grupp等人對厚壁構件使用激光自熔焊技術進行了研究，觀察到單次激光自熔焊的最大熔深與(yu) 激光功率之間呈現出近乎指數級的增長關(guan) 係，同時發現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(jue) 定。

圖4　激光功率對熔深的影響規律

Grupp采用 30 kW 光纖激光器對 32 mm 厚 X70不鏽鋼板進行焊接，圖5a呈現出激光功率和焊接速度如何作用於(yu) 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，單層焊縫能夠實現32 mm厚X70不鏽鋼板的完全熔透。

（a）不同激光功率下焊接速度對熔深的影響

（b）焊縫橫截麵成形

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 20 mm厚304不鏽鋼板進行焊接試驗，探究了光斑尺寸與(yu) 焊接速度對焊縫形態的影響。結果顯示，最大熔深可達18.2 mm，如圖6所示。這一結果凸顯了在焊接過程中適當調整焊接速度和光斑尺寸對於(yu) 精確控製焊縫深度的重要性。

圖6　光纖激光焊接不鏽鋼厚板與(yu) 焊接質量的關(guan) 係

Zhang等人采用10 kW光纖激光焊接30 mm 厚316L不鏽鋼板，為(wei) 了提高熔透深度，設計了一種如圖7所示的氣體(ti) 噴射輔助裝置。該裝置能夠擴大匙孔口徑，同時減少等離子體(ti) 對能量傳(chuan) 遞的阻礙， 有效減小熔池寬度，並增加匙孔麵積，使得單層焊接的最大熔透深度從(cong) 18.2 mm 增大到 24.5 mm，顯著提高了焊接效率和質量。

圖7　焊接過程氣體(ti) 噴射輔助裝置示意

湖南大學的張明軍(jun) 為(wei) 了探究萬(wan) 瓦級光纖激光深熔焊接厚板工藝參數對焊縫成形的影響規律， 采用 10 kW 光纖激光器焊接 12 mm 厚 304 不鏽鋼板。該團隊通過調整工藝參數（見圖8），分析了離 焦量及不同保護氣體(ti) 類型對焊接成形的影響規律。結果表明，在負離焦量條件下，焊縫質量更優(you) ，熔透程度更符合理想標準。在無保護氣體(ti) 的環境中，焊接過程中容易受到幹擾，導致焊縫出現彎曲和飛濺。相比之下，使用氬氣（Ar）或氮氣（N2 ）作為(wei) 保護氣體(ti) ，焊接過程更加穩定，焊縫成形均勻且光滑。此外，通過觀察焊縫的橫截麵可知，使用N2或Ar氣 保護下的焊縫呈現為(wei) 顯著的“釘子頭”形態，而在缺乏保護氣體(ti) 的條件下，這種特征則不太明顯。 

Somonov等人采用15 kW光纖激光器進行 20 mm厚S355鋼板的焊接，分析焊接區域周圍表麵粗糙度對超高功率激光焊接焊縫形貌及其穿透能力的影響。研究發現，焊縫周圍的表麵粗糙度與(yu) 焊接穿透深度有著緊密的關(guan) 係，在激光功率保持恒定的前提下，表麵粗糙度為(wei) 6.3 μm時能使焊接穿透深度最大化，如圖9所示。 

Bergström 等人同樣探討了萬(wan) 瓦級光纖激光焊接中對接接頭邊緣的表麵粗糙度如何影響焊縫的形成與(yu) 熔透深度。結果顯示，增加表麵粗糙度增大了對接焊縫間隙，減少了材料的氣化蒸發量， 從(cong) 而降低了影響激光能量傳(chuan) 遞的金屬蒸氣和等離子體(ti) 數量。但當表麵粗糙度Ra>8 μm時，焊縫間較大的空隙會(hui) 使激光更深入焊接區域內(nei) 部，降低匙孔效應的穩定性，影響熔池深度和焊縫質量。

圖8　不同離焦量和保護氣體(ti) 種類對焊縫成形的影響規律

1.2 萬(wan) 瓦級激光自熔焊缺陷的研究現狀 

在萬(wan) 瓦級激光自熔焊過程中，大量等離子體(ti) 以羽輝形式從(cong) 匙孔噴出，這嚴(yan) 重幹擾了激光能量的有效傳(chuan) 遞。此外，激光能量傳(chuan) 遞的不連續性進一步加劇了匙孔及熔池流動的不穩定性，對整個(ge) 焊接過程產(chan) 生負麵影響。本節主要闡述缺陷的產(chan) 生機理以及國內(nei) 外研究者在萬(wan) 瓦級激光自熔焊實驗研究中所發現的各類缺陷。

1.2.1 氣孔和飛濺 

Matsunawa等人為(wei) 了研究高功率激光深熔 焊接中氣孔的形成原因，采用X光成像技術和高速視頻捕捉技術對焊接過程中匙孔與(yu) 熔池的實時變化進行分析，試驗設備布局如圖10所示。研究結果 表明，在萬(wan) 瓦級激光焊接過程中，熔池的劇烈波動會(hui) 幹擾匙孔對激光能的吸收，這是產(chan) 生大量飛濺和氣孔的關(guan) 鍵因素。

圖10　微距X射線透射實時成像係統

為(wei) 了深入了解萬(wan) 瓦級激光焊接時熔池和匙孔的動態變化及其氣 孔生成的原理 ，Kobayashi 等人運用X光成像技術進行了實時觀察，焊接過程中氣孔生成機製如圖11所示。在激光焊接過程中， 液態金屬從(cong) 匙孔的前下方向上流動，當流經匙孔底部時流動變得特別劇烈，這種劇烈的流動導致匙孔底部容易形成氣孔，而這些氣孔很難被排除。 

張明軍(jun) 等人利用高速攝影技術對激光深熔焊接過程中的物理現象進行了研究，包括金屬蒸氣、等離子體(ti) 、小孔以及熔池流動等，並對萬(wan) 瓦級激光焊接引發飛濺現象的成因進行了分析。如圖12 所示，飛濺主要是由小孔邊緣熔池過熱蒸發造成的。在反壓力與(yu) 金屬蒸氣/等離子體(ti) 高速噴射產(chan) 生的剪力共同作用下，熔化的金屬被推向熔池表麵， 形成凸起。金屬蒸氣/等離子體(ti) 的持續衝(chong) 擊和剪切力使得熔化金屬的動力超過了其表麵張力，從(cong) 而導致金屬從(cong) 熔池中飛濺出來。Kawahito及其團隊在觀察萬(wan) 瓦級光纖激光焊接過程中的熔池表麵和飛濺現象時，也得出了類似的觀察結果，分析表明，飛濺主要是由於(yu) 蒸氣流的強大剪切力將小孔附近 的熔池金屬推出。

圖11　氣孔形成機理

圖12　飛濺產(chan) 生機理

Kaplan等人對萬(wan) 瓦級高功率光纖激光焊接厚板產(chan) 生的飛濺特征進行了深入分析，研究發現在不同的焊接參數下，飛濺可分為(wei) 4 種不同的類型：（1）產(chan) 生在小孔兩(liang) 側(ce) 邊緣的飛濺；（2）小孔後方垂直液柱破碎形成的飛濺；（3）小孔後方傾(qing) 斜液柱破碎 形成飛濺；（4）偶爾出現在小孔前沿的小顆粒飛濺， 如圖13a所示。研究者還對飛濺產(chan) 生的機理進行了探討，描述了飛濺的產(chan) 生過程：前沿局部材料氣化；金屬溶液在氣化反衝(chong) 力作用下被加速；熔液被迫流向熔池後沿；流動的熔液聚集在表麵；當聚集的熔 液具有足夠大的向上加速度可克服表麵張力的束縛時，就會(hui) 形成液柱或飛濺，如圖13b所示。由此可知，飛濺的形成不僅(jin) 與(yu) 孔外噴出的蒸氣流產(chan) 生的剪切力有關(guan) ，還與(yu) 孔內(nei) 的氣流狀態及熔池流動相關(guan) 。圖13c、13d為(wei) 焊接過程產(chan) 生的飛濺。

　（a）不同飛濺形式　　　　　　 （b）飛濺形成

（c）飛濺 

圖13　萬(wan) 瓦級激光自熔焊形成的飛濺

1.2.2 裂紋、塌陷和駝峰 

大阪大學Matsuda以及德國聯邦大學Antoni  Artinov發現高功率激光自熔焊接厚板時形成的深窄焊縫中產(chan) 生了凝固裂紋，這些裂紋均為(wei) 處於(yu) 焊縫中心的縱向裂紋（沿熔深方向裂紋），如圖14a所示。趙琳在進行 10 kW 光纖激光焊接時也觀察到類似的縱向凝固裂紋現象。在使用高功率光纖激光對厚板材料進行完全熔透焊接的過程中，常會(hui) 遇到塌陷和底部凸起的缺陷，如圖14b所示，並且這些缺陷通常按一定的周期性規律出現。張明軍(jun) 在研究中發現，小孔前沿壁的流體(ti) 區域局部蒸發引起的熔融金屬快速下流是導致焊縫塌陷和底部凸起的主要原因。 

1.3 萬(wan) 瓦級激光自熔焊等離子體(ti) 的研究現狀 

在萬(wan) 瓦級激光自熔焊接過程中，高的激光功率密度與(yu) 大能量的輸入會(hui) 產(chan) 生更多的金屬蒸汽和更細小的氣孔，這些氣孔內(nei) 部壓力波動劇烈，熔池的流動性也極不穩定。因此，金屬蒸氣與(yu) 熔池表現出更加複雜和多變的形態，其作用機製尚需進一步的科學研究與(yu) 闡明。 

Kawahito利用高速攝像和X射線成像技術對高功率激光焊接過程中不鏽鋼和鋁合金的匙孔效應進行了深入探討和分析。結果表明，在較低的焊接速度下，金屬對激光能量的吸收增強；但是當焊 接速度提高時，部分激光能量未能有效穿透孔洞， 從(cong) 而降低了金屬對激光能量的吸收效率。為(wei) 了探究激光與(yu) 羽輝（等離子體(ti) 與(yu) 金屬蒸汽的混合物）的互動，Katayama及其團隊使用了如圖15所示的設備進行試驗，同時監測了探頭光纖激光器的數據和羽輝的活動。研究發現，等離子體(ti) 與(yu) 金屬蒸汽的密度變化會(hui) 影響激光的傳(chuan) 播路徑。

（a）凝固裂紋

（b）表麵塌陷和底部駝峰 

圖14　萬(wan) 瓦級激光自熔焊中的裂紋、塌陷和駝峰缺陷

張明軍(jun) 發現，通過合理調節負離焦量、焊接速率和保護氣體(ti) 流量，可以穩定地促進金屬氣化/等離子體(ti) 、匙孔和熔池之間的高效連接。陳根餘(yu) 團隊設計了一套設備來觀察萬(wan) 瓦級光纖激光深熔 焊接過程中匙孔內(nei) 外的等離子體(ti) 屬性，如圖16、圖 17 所示。試驗采用 10 kW 光纖激光焊接 12 mm 厚 304不鏽鋼板，發現匙孔內(nei) 部的等離子體(ti) 分布並不均勻，且匙孔外的等離子體(ti) 體(ti) 積明顯小於(yu) 金屬蒸發 產(chan) 生的體(ti) 積。研究還表明，匙孔中的等離子體(ti) 分布 並不是均勻充滿的，而是在孔的不同深度處以隨機的方式散布；與(yu) 金屬蒸氣相比，匙孔外的等離子體(ti) 體(ti) 積明顯較小，說明在光纖激光焊接過程中隻有一 小部分金屬蒸氣發生了電離。

圖15　萬(wan) 瓦級激光焊接羽輝觀察

圖16　萬(wan) 瓦級激光焊接匙孔內(nei) 等離子體(ti) 觀察裝置和拍攝結果

圖17　萬(wan) 瓦級激光焊接匙孔外等離子體(ti) 觀察裝置和拍攝結果

圖18　不同輔助氣體(ti) 流速下的等離子體(ti) 光譜信號

王春明等利用光譜分析研究了輔助氣體(ti) 對激光焊接等離子體(ti) 和激光能量傳(chuan) 輸的影響，如圖18 所示。研究結果顯示，隨著輔助氣體(ti) 流速的增加， 信號的強度減弱，並且信號的分布也會(hui) 發生改變。通過使用輔助氣體(ti) 可以有效抑製等離子體(ti) 的生成， 從(cong) 而提高激光的傳(chuan) 輸效率和焊接的熔透深度。 

隨著超高功率光纖激光器的發展，萬(wan) 瓦級激光自熔焊研究應用越來越廣泛，但萬(wan) 瓦級激光自熔焊接仍存在一係列問題，如：操作的靈活性受到極大限製；極高的能量集中度可能導致材料快速蒸發， 產(chan) 生濃密的羽輝效應，而在焊接過程中，熔池的劇烈動蕩可能會(hui) 引起大量飛濺，導致氣孔、塌陷等缺陷，這些都對焊縫的機械性能造成不利影響。 

在真空條件下進行的激光焊接，可以顯著增強焊縫的熔透深度，改善焊接成形質量，並減少焊接過程中氣孔的產(chan) 生，從(cong) 而提升焊縫的整體(ti) 性能。其三大突出特性包括深熔透、低羽輝效應和高品質成形。針對這些特性，眾(zhong) 多學者展開了研究工作。

2.1 萬(wan) 瓦級真空激光焊接焊縫成形和熔深 

真空激光焊接技術的研究最早可追溯至 1985 年，這一領域的研究工作旨在通過實驗確定合適的工藝參數，以提升焊縫質量和熔深。 

為(wei) 了獲得與(yu) 真空電子束焊接相同的熔深，大阪大學 Arata 等人首次設計了真空激光焊接試驗， 不同壓力、不同速度下304不鏽鋼圓盤激光焊接頭表麵和截麵如圖19所示。研究表明，在真空環境下進行激光焊接可以顯著減少等離子體(ti) 羽輝現象，提高焊接深度。當環境壓力減小後，激光束被等離子體(ti) 羽輝嚴(yan) 重遮擋的問題得到了有效緩解，使得通過減慢焊接速度來提高焊接質量成為(wei) 可能，最終在 10-1  Pa環境壓力下，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。該團隊在2001年開始采用YAG固體(ti) 激光器進行真空激光焊接相關(guan) 試驗 ，並在之後幾年內(nei) 相繼開展了不同材料的焊接研究工作。

德國亞(ya) 琛工業(ye) 大學焊接研究所的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S690QL的80 mm厚板所獲接頭橫截麵效果。如圖21a所示，真空激光焊接與(yu) 常規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(yu) 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工藝的穩定性，實現高品質的焊接效果，有效避免羽流現象，減少材料沸點，從(cong) 而提升穿透率。

圖19　不同壓力、速度下304不鏽鋼激光焊接頭表麵和截麵

圖20　壓力對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麵

（b）大氣環境和0.1 kPa低真空環境下的焊縫截麵 

圖21 16 kW激光功率和不同焊接速度下熔深

國內(nei) 學者對萬(wan) 瓦級真空激光焊接在提高焊縫質量和增大熔深方麵也進行了相關(guan) 研究。黃瑞生等人研究8 mm厚Ti6Al4V合金在稀薄氣壓環境中（5 Pa低壓條件）使用不同激光焊接參數時的焊縫外觀特性，並探討了激光功率及焦距偏移對焊接質量的影響。研究發現，焊接深度隨著激光功率的提升呈現出近乎線性的上升趨勢，且沒有出現在常規氣壓環境下高功率激光焊接常見的缺陷，如圖22所 示。在低壓條件下，焦距的調整對焊縫成形也至關(guan) 重要。當離焦量在-50~0 mm 範圍變化時，焊縫表麵平滑且均一，如圖23所示，隨著離焦量的增加，焊縫寬度有所上升，而熔深則是先增長後減小，當離焦量達到-20 mm時，熔深達到峰值27.9 mm。

圖22　不同激光輸出功率的焊縫表麵成形和熔深 （離焦量-50 mm）

圖23　不同離焦量的焊縫表麵和熔深（激光功率10 kW）

哈爾濱工業(ye) 大學王繼明等人采用三種不同 的激光功率 10 kW、20 kW 和 30 kW，並在真空度 2.5×104  Pa~10 Pa變化範圍內(nei) 進行5A06鋁合金厚板平板堆焊試驗。結果表明，在不同激光功率下，當真空度分別為(wei) 2.5×104  Pa、104  Pa和103  Pa時，焊縫表麵呈凹凸不平狀，焊縫成形不良、不均勻且不整齊；當真空度為(wei) 102  Pa時，焊縫外觀明顯改善，表麵起伏減小，焊縫光滑無飛濺。當真空度為(wei) 10 Pa時，焊縫形貌進一步改善，變得更加連續均勻。如圖 24 所示，這表明隨著真空度的增加，焊縫成形逐漸優(you) 化。如圖25所示，在激光功率超過10 kW的情況下，焊接熔透深度隨著真空度下降先增加後逐漸穩定。 

2.2 萬(wan) 瓦級真空激光焊接羽輝以及缺陷抑製 

萬(wan) 瓦級真空激光焊接技術對焊接質量的提升主要反映在羽輝特性及匙孔熔池的動態變化上。

圖24　真空度和激光功率對焊縫表麵成形的影響

圖25　真空度和激光功率對焊縫熔深的影響

在真空環境下羽輝的大小及亮度顯著減小且表現出更高的穩定性。真空度的提升對焊縫缺陷如飛濺和氣孔有明顯的抑製作用。因此，通過調整真空度可以明顯抑製缺陷的發生。 

Katayama在 2011 年利用高速攝影技術捕捉到焊接時的羽輝，如圖26所示，當真空度增加時，羽輝現象明顯減弱，同時飛濺也相應減少。 

德國科學家 Youhei 及其團隊深入研究了多種金屬的真空激光焊，通過觀察焊接熔池的流動特性及匙孔形態，提出了真空激光焊接技術能夠有效保持匙孔穩定性的理論。李俐群等對該技術的最佳真空度進行探討，發現隨著真空度的增加，A5083 焊縫內(nei) 的氣孔率顯著降低。當真空度高於(yu) 10 Pa時，焊縫中無氣孔存在，如圖27所示。

圖26　真空度對羽輝形態的影響

圖27　不同真空度下的焊縫氣孔

陳彥賓等人采用工業(ye) CT測量了在不同真空 環境下鋁合金焊縫的氣孔分布和大小，如圖 28 所示。發現隨著真空度的提高，鋁合金焊點中的氣孔數量及其體(ti) 積顯著減少，在工藝控製下氣孔數量減少更為(wei) 顯著。 

上海交通大學羅燕等人采用一側(ce) 透明玻璃 直接觀察了真空焊接過程中小孔內(nei) 壁的動態行為(wei) ， 如圖29所示，觀察到隨著環境壓力的降低，激光加熱導致匙孔前部蒸發作用減弱。這種蒸汽在空氣中的激光焊接過程會(hui) 對匙孔後側(ce) 產(chan) 生不穩定的局部壓力，導致波動，最終影響到匙孔內(nei) 部的穩定性。當環境壓力升至10 kPa以下時，這種現象會(hui) 逐步消失，確保了焊接過程中匙孔穩定，並進一步避免了氣孔缺陷的形成。

激光-電弧複合焊接技術融合了兩(liang) 種熱源，實現了超越單一焊接技術的“1+1>2”的效果。該技術的特點包括焊接過程極其穩定、適應性強、橋接能力好、填充效率高等優(you) 勢 。利用輸出萬(wan) 瓦級別功率的激光器，可以實現極高的功率密度，進而提高激光打孔的效果，並顯著增強焊縫的深寬比。與(yu) 傳(chuan) 統激光自熔焊接相比，激光-電弧複合焊接技術在適應不同工作環境的能力上更勝一籌，其應用範圍也更加廣泛。本章節闡述了國內(nei) 外在萬(wan) 瓦級激光- 電弧複合焊單麵焊雙麵成形的典型研究。

圖28　不同真空度下焊縫氣孔分布的三維重建圖

圖29　多種環境壓力下焊接過程中匙孔動態形貌照片

Turichin等人運用高能量光纖激光技術實 現了14 mm厚X80管線鋼單道焊雙麵成形，還實現 了14 mm X80管線鋼對接及T形接頭單麵焊接雙麵 成形。Ömer Üstündağ等人建立了電磁熔池支撐係統，采用 20 kW 激光功率進行激光-電弧複合焊接試驗。研究結果顯示，電磁熔池支撐技術能夠有效地穩定熔池，防止熔融金屬滴落，並成功實現了 20 mm、25 mm、28 mm 船用 S355J2 低合金鋼以及 20 mm X20 管線鋼單麵焊接雙麵成形，如圖 30 所示。這些研究成果為(wei) 激光-電弧複合焊接技術在船舶和管線製造等領域的應用提供了技術支持。

圖30　基於(yu) 交流振蕩電磁係統的激光-GMAW 複合焊接

Mizutani等人采用激光-電弧複合焊，激光功 率16 kW，結合背襯技術和金屬絲(si) 切割填充法填補焊縫間隙，對25 mm厚SM490A結構鋼板實現了單麵焊雙麵成形，並且采用雙麵單道焊接方法實現了 50 mm厚板的焊接，且焊接接頭機械性能優(you) 異。試驗裝置和部分焊縫截麵如圖31所示。 

德國不萊梅激光研究所Vollersen等對激光- 電弧複合焊接裝配間隙進行研究，在20 kW激光功 率作用下，16 mm厚X65板材實現一次性焊接穿透， 並且實現2 mm的邊緣偏差及0.35 mm的裝配縫隙， 這表明激光-電弧複合焊技術擁有出色的縫隙連接性能。挪威科技大學Bunaziv等人使用15 kW激 光功率對 45 mm 非商業(ye) HSLA 鋼，進行激光-電弧複合焊接，結果表明，在低溫（-50 ℃）下，熔合線高， 焊縫金屬韌性好。國內(nei) 探究萬(wan) 瓦級光纖激光電弧複合焊的實例寥寥。沈陽工業(ye) 大學井誌成等人采用 10 kW 光纖激光器進行激光-電弧複合焊接， 一次性焊接穿透18 mm厚的EH36船舶用高強度鋼材，並對焊縫接頭的機械性能進行了評估。黃瑞生 等人使用30 kW光纖激光器，利用高速攝影技術觀察高功率激光-MAG 複合焊接過程中羽輝和飛濺的形態，研究表明，當激光功率達到萬(wan) 瓦級別時， 羽輝與(yu) 飛濺現象明顯增多，對焊接的穩定性帶來了不利影響。蔣寶等人使用 30 kW 光纖激光器對 30 mm Q235B低碳鋼進行平板堆焊試驗，采用激光 引導電弧技術並增加電弧輸出功率的方式，可以顯著改善焊縫表麵形態。王誌鵬等通過對 25 mm 厚的Q355C低合金高強度鋼進行平板堆焊實驗，探究了焊接參數對焊縫的成形和熔池形貌的影響，實現了 25 mm 厚 Q355C 低合金高強度鋼的平板對接單麵焊雙麵成形。哈爾濱焊接研究所團隊利用萬(wan) 瓦級激光-電弧複合焊成功用於(yu) 大型船板焊接。

（a）試驗裝置

（b）焊縫形貌

圖31　試驗裝置及接頭橫截麵宏觀圖像

相較於(yu) 傳(chuan) 統電弧焊接，萬(wan) 瓦級激光-電弧複合焊接具有連接效率高、大深寬比和橋接能力好等優(you) 勢。然而，在進行中厚板激光-電弧複合焊接時接頭仍會(hui) 存在接頭成形不良、氣孔飛濺等問題，難以滿足不斷提高的成形和服役要求。

在萬(wan) 瓦級激光-電弧複合焊中，當熔深≥12 mm 時，焊縫根部易出現氣孔，如圖32所示。隨著激光功率的增大，氣孔傾(qing) 向增大。基於(yu) 萬(wan) 瓦級激光電弧複合焊氣孔以及缺陷等問題目前仍未解決(jue) ，為(wei) 了克服萬(wan) 瓦級激光電弧複合焊工藝在深焊縫區氣孔率方麵的局限性，德國亞(ya) 琛工業(ye) 大學 Reisgen 等提出激光-埋弧複合焊接方法，在高功率激光焊接的基礎上引入埋弧焊，延長熔池凝固時間，從(cong) 而達到降低焊縫氣孔率的目的。激光-埋弧複合焊示意如 圖33所示。

圖32　萬(wan) 瓦級激光-GMA複合焊

圖33　激光-埋弧複合焊

Reisgen等人於(yu) 2012 年采用20 kW級 CO2激 光器也開展了激光-埋弧複合焊接氣孔率實驗，通過與(yu) 激光-GMA對比如圖34所示，激光-埋弧複合焊顯著降低焊縫氣孔率。該團隊又開展了35 mm厚的X65（L460MB）鋼激光-埋弧複合焊接工藝試驗，與(yu) 傳(chuan) 統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。並對焊接接頭進行力學性能測試，結果表明，焊接接頭的平均抗拉強度與(yu) 母材相當。

圖34　焊縫氣孔率對比

圖35　激光-埋弧複合焊接頭形貌

Reisgen 等人於(yu) 2020 年又開展了激光-埋弧複合焊單麵焊雙麵成形工藝，引入圓形擺動激光技術 預實現 22 mm 厚單麵焊雙麵成形技術，但並未成功，在添加襯墊的前提下實現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-埋弧複合焊焊縫截麵

（1）萬(wan) 瓦級激光自熔焊具有高激光能量密度、 高焊接速度、焊接熱影響區較窄等優(you) 勢，但當激光功率超過10 kW時，在大氣環境下，工藝窗口很窄，羽輝波動大，易形成飛濺，很難獲得良好的接頭。 

（2）萬(wan) 瓦級真空激光焊接可以顯著增加焊縫熔深，提高焊縫成形質量並且能夠抑製焊接過程中的氣孔缺陷，提高焊縫的性能的優(you) 勢。

（3）萬(wan) 瓦級激光-電弧複合焊接具有連接效率高、橋接能力好、工況適應性強、易實現單麵焊雙麵成形，工程應用範圍廣等優(you) 勢。萬(wan) 瓦級激光-埋弧耦合焊接正處於(yu) 起步階段，目前實驗表明，激光-埋 弧耦合焊接具有進一步的研究價(jia) 值。

綜上所述，萬(wan) 瓦級高效激光焊接由於(yu) 其高質量、高效率、大熔深的優(you) 勢逐步成為(wei) 前沿的焊接方向。在各國工作者的研究下，萬(wan) 瓦級高效激光焊接技術研究已經取得了一定的成果並實現了部分工 業(ye) 應用，高效複合焊接技術、高新焊接技術是未來核電、船舶、壓力容器等行業(ye) 焊接技術的發展趨勢。但是對中厚板以及大厚板高功率激光焊接氣孔缺陷控製以及單麵焊雙麵成形仍需深入研究，解決(jue) 核電、壓力容器、新能源儲(chu) 氫裝置、船舶等中厚板高 效、高質量焊接應用需求。