可調(diào)壓力激光焊接工藝地面模擬裝置的研制

李權(quán)洪，龐盛永，黃安國，梁呂捷，郭嘉琪，韋朋余

（1.華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢 430000；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

隨著人們向深海領(lǐng)域（≥300 m）和外太空領(lǐng)域不斷探索，惡劣的服役環(huán)境導(dǎo)致對深海與航天空間大型裝備焊接制造和維護(hù)技術(shù)的要求越來越嚴(yán)苛。深海環(huán)境具有通透性差、壓力變化大以及水文特性復(fù)雜等特點(diǎn)，太空環(huán)境具有高真空、微重力以及超低溫等特點(diǎn)，這種復(fù)雜的極端非常壓環(huán)境使得傳統(tǒng)的焊接和修復(fù)技術(shù)面臨愈加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1—3]。當(dāng)前，光纖激光能夠通過光纖，將高能量密度的激光熱源進(jìn)行長距離、低損耗和高精度的柔性傳輸，具備可達(dá)性好的同時(shí)還具有能量集中、熱影響區(qū)極窄以及應(yīng)力變形小等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是未來深海和外太空等極端非常壓環(huán)境下最具有潛力的焊接修復(fù)和制造技術(shù)。

目前，由于嚴(yán)重缺乏深海高壓和外太空真空環(huán)境下激光焊接制造過程及機(jī)理的認(rèn)識(shí)，這直接影響現(xiàn)役裝備的維保及其服役壽命，焊接工作者迫切需要開展該環(huán)境下的基礎(chǔ)性焊接實(shí)驗(yàn)研究工作，準(zhǔn)確捕捉和描述非常壓條件下激光焊接現(xiàn)象及其物理過程和機(jī)制，指導(dǎo)實(shí)際的焊接制造工作。深海高壓和外太空真空環(huán)境的焊接基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)面臨著高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、長周期甚至很多情況下難以開展的現(xiàn)實(shí)難題，為此，焊接工作者不斷研究以及開發(fā)了多種設(shè)備和技術(shù)，以期深入探究非常壓環(huán)境下的激光焊接過程。20世紀(jì)90年代中期，德國、日本以及美國等科學(xué)家們首先致力于水下局部干法焊接的研究，研制了水下激光排水設(shè)備[4—8]。2004年以后逐漸開發(fā)了水下激光焊接/修復(fù)技術(shù)[9]，并成功應(yīng)用于美國南卡羅來納州羅賓遜核電站的水下激光修復(fù)[10]，以及核電設(shè)備中經(jīng)常出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕裂紋、疲勞裂紋等缺陷的水下激光修復(fù)[11—12]。在國內(nèi)，2002年清華大學(xué)張旭東等[13—16]開展了水下局部干燥激光焊接設(shè)備及工藝等相關(guān)工作，獲得了良好的水下激光焊接效果。之后，北京石油化工學(xué)院的朱加雷[17]、南昌大學(xué)的陳海軍[18]等利用實(shí)驗(yàn)與模擬相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)了不同排水裝置。上述工作主要集中于水下激光焊接排水裝置及工藝技術(shù)的研發(fā)，對環(huán)境壓力變化的研究涉及較少。在環(huán)境壓力變化研究方面，Katayama等[19]發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境壓力從大氣壓下降到真空時(shí)，熔池的狀態(tài)會(huì)變得更加平靜；Boerner等[20]研究表明，隨著環(huán)境壓力的降低，焊縫熔透深度會(huì)增加 10%以上；Fabbro等[21]發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸發(fā)表面溫度低于或接近沸點(diǎn)時(shí)，環(huán)境壓力會(huì)減小焊接蒸發(fā)速率。

上述研究表明，無論是處于深海較大的高壓環(huán)境，還是處于外太空間較低的真空環(huán)境，壓力變化對激光焊接過程的影響十分顯著，是激光焊接過程中需要重點(diǎn)考慮的影響因素[22—23]。目前對水深在 1000 m以上的深海高壓及外太空間真空環(huán)境激光焊接的研究，由于基礎(chǔ)性焊接實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)難題，而尚未廣泛展開。當(dāng)前，在地面上建立一套集負(fù)壓和高壓于一體的模擬裝置，開展從真空到高壓壓力變化過程的激光焊接實(shí)驗(yàn)研究，被普遍認(rèn)為是揭示不同壓力環(huán)境下激光焊接物理過程和機(jī)理的重要手段和裝備[24—27]。文中自主研發(fā)設(shè)計(jì)了可調(diào)壓力激光焊接地面模擬實(shí)驗(yàn)裝置，開展模擬裝置的耐壓性能及壓力調(diào)節(jié)集成測試，實(shí)現(xiàn)從真空負(fù)壓到深海高壓的壓力調(diào)節(jié)集成控制?；谠撗b置，研究不同真空環(huán)境以及水下環(huán)境的焊縫形貌成形規(guī)律，為不同壓力環(huán)境特點(diǎn)的激光焊接研究提供了重要的思路和手段。

1 可調(diào)壓力地面模擬裝置的研制

由于直接進(jìn)行深海高壓環(huán)境激光焊接和太空負(fù)壓環(huán)境激光空間制造實(shí)驗(yàn)的成本高、難度大，文中通過設(shè)計(jì)一種從真空負(fù)壓到深海高壓壓力范圍可調(diào)的激光焊接地面模擬裝置，以此滿足在地面上可以模擬不同高壓力（≥3 MPa）、低真空（≤10 Pa）的壓力環(huán)境，以及高鹽度（≥35 psu）、低溫度（≤20 ℃）的水下環(huán)境。文中所研發(fā)設(shè)計(jì)的模擬裝置包括對模擬裝置壓力調(diào)節(jié)集成系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、激光入射孔的設(shè)計(jì)以及可移動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的設(shè)計(jì)，具有能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)壓到高壓的可自主調(diào)節(jié)功能，并可以在陸上模擬深海高壓環(huán)境和空間真空環(huán)境。

1.1 可調(diào)壓力容器設(shè)計(jì)

為了能夠真實(shí)模擬深海高壓環(huán)境以及空間真空環(huán)境的激光焊接過程，從環(huán)境壓力調(diào)節(jié)集成控制、耐高壓以及耐腐蝕 3個(gè)方面對可調(diào)壓力激光焊接模擬裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。

裝置內(nèi)部環(huán)境氣壓的穩(wěn)定可控是地面模擬裝置成功模擬不同環(huán)境壓力的關(guān)鍵，通過對進(jìn)出氣體的氣路設(shè)計(jì)，對裝置內(nèi)部環(huán)境壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)裝置內(nèi)部壓力的動(dòng)態(tài)平衡。首先設(shè)計(jì)一套從負(fù)壓到高壓的壓力調(diào)節(jié)集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為進(jìn)氣區(qū)和排氣區(qū)兩大部分。進(jìn)氣區(qū)的保護(hù)氣氣瓶和高壓氣瓶與模擬裝置之間分別通過兩組進(jìn)氣管連接，兩組進(jìn)氣管對稱分布在上端蓋一側(cè)，使進(jìn)入的氣體更均勻，并在保護(hù)氣氣瓶上裝有氣體流量計(jì)和針型閥，以此來進(jìn)一步有效控制模擬裝置內(nèi)的氣體流量，并通過截止閥等壓力控制閥，形成單向?qū)ǖ臍饴罚杀苊馑哪媪鳌?/p>

排氣區(qū)包括安裝在兩組排氣管上的排氣閥、截止閥，以及內(nèi)置的具有排水功能的排水罩。排氣閥和截止閥保證了容器內(nèi)部壓力能夠得到有效控制，使容器內(nèi)部始終處于動(dòng)態(tài)穩(wěn)定的壓力環(huán)境，并根據(jù)所需的壓力環(huán)境進(jìn)行自主調(diào)節(jié)。另外，在截止閥一側(cè)可連接真空泵，可在關(guān)閉其他閥門的情況下形成密閉真空環(huán)境，用于進(jìn)行真空激光焊接實(shí)驗(yàn)。此外，焊接保護(hù)氣體可以通過進(jìn)氣管進(jìn)入模擬裝置內(nèi)部的排水罩中，在待焊件上方形成一個(gè)局部干燥穩(wěn)定的焊接空間，在壓力增大后也能使水面更加穩(wěn)定，避免水對激光焊接過程的影響，從而獲得質(zhì)量較高的焊縫，并通過置于高壓容器上的溫度計(jì)和鹽度計(jì)，可實(shí)時(shí)監(jiān)測模擬有水環(huán)境特點(diǎn)時(shí)裝置內(nèi)部的水溫變化（≤20 ℃）以及鹽度變化（≥35 psu）。整個(gè)地面模擬裝置壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 可調(diào)壓力物理模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of adjustable pressure physical simulation device

為了在地面上能夠模擬 3 MPa以上的深海高壓環(huán)境，可調(diào)壓力模擬裝置的結(jié)構(gòu)和密封方式是耐壓性能的關(guān)鍵。在模擬實(shí)驗(yàn)過程中，模擬裝置有時(shí)需要盛裝不同鹽度的水以模擬不同環(huán)境下的海水環(huán)境特點(diǎn)。由于海水的鹽度較高，模擬裝置需要具有良好的耐腐蝕性和耐高壓性，因此，選用強(qiáng)度高且防腐蝕性好的304不銹鋼作為可調(diào)壓力模擬裝置的制造材料，并且對材料進(jìn)行鍍鎳處理，進(jìn)一步提高耐腐蝕性。為了使裝置內(nèi)部受力均勻，以進(jìn)一步承受較高的環(huán)境壓力，模擬裝置的整體結(jié)構(gòu)將采用圓柱筒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)內(nèi)壁受力均勻，可以承受較高的壓力。根據(jù) GB 150.3—2011中給出的內(nèi)壓圓筒壁厚設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，對可調(diào)壓力模擬裝置的壁厚進(jìn)行計(jì)算，因此，模擬裝置筒體的壁厚δ可表示為：

式中：pc為筒體的理論設(shè)計(jì)壓力；D為筒體內(nèi)徑；[δ]為鋼板在設(shè)計(jì)溫度下的許用應(yīng)力；φ為焊接接頭系數(shù)，取0.8。

地面模擬裝置設(shè)計(jì)耐壓為 3 MPa以上，外徑為140 mm，因此壁厚約≥8.11 mm，為了保證高壓容器的安全性，設(shè)計(jì)壁厚為10 mm。高壓容器整體外觀結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 壓力容器外觀結(jié)構(gòu)及尺寸的設(shè)計(jì)示意圖Fig.2 Design diagram of the appearance structure and size of the pressure vessel

良好的密封性可以保證容器內(nèi)部高壓環(huán)境的穩(wěn)定性。法蘭結(jié)構(gòu)受力均勻，并且可以通過螺栓進(jìn)行預(yù)緊，是壓力容器中常用的結(jié)構(gòu)。根據(jù)《壓力容器法蘭》的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)公稱直徑≤800 mm，為了便于法蘭結(jié)構(gòu)的人工開啟和操作，取法蘭結(jié)構(gòu)外徑為340 mm，并與圓柱筒結(jié)構(gòu)通過焊接方式進(jìn)行連接。整個(gè)壓力集成可調(diào)的模擬裝置能夠模擬不同高壓力、低真空等非常壓環(huán)境，也能模擬水、鹽度以及其他生物特點(diǎn)的焊接實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為深海高壓激光焊接過程以及空間負(fù)壓激光制造過程提供了強(qiáng)有力的實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1.2 激光入射孔設(shè)計(jì)

在模擬水下環(huán)境激光焊接過程中，由于水的存在，激光會(huì)與母材等發(fā)生劇烈的相互作用，過程中所產(chǎn)生的金屬蒸氣以及水蒸氣等高溫氣體極易進(jìn)入到激光頭內(nèi)部造成污染，會(huì)嚴(yán)重影響激光器的使用，且焊接過程中的金屬飛濺等極易對激光頭內(nèi)的光學(xué)器件造成損毀，并且激光頭在焊接移動(dòng)過程中容易與其他結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，因此，激光頭與模擬裝置之間的相對位置關(guān)系是整體裝置設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，同時(shí)應(yīng)盡可能保證激光頭在極端非常壓環(huán)境中能夠靈活、便捷的操作，文中采用光纖激光焊接系統(tǒng)置于可調(diào)壓力容器外的方式進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。

激光焊接系統(tǒng)置于模擬裝置上方，需要在模擬裝置的上方設(shè)計(jì)激光入射孔，使得光纖激光能夠通過可調(diào)壓力容器上方開設(shè)的入射孔進(jìn)入到裝置內(nèi)部，并且入射激光與入射孔的中心應(yīng)該始終保持在同一中軸線上。同時(shí)在裝置內(nèi)部放置可移動(dòng)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)激光與成形基板之間的相對運(yùn)動(dòng)。此外，可調(diào)壓力容器需要保持良好的密封性，入射孔采用錐形環(huán)和 O型圈相配合的密封方式，并通過螺栓將上蓋板與下端蓋進(jìn)行連接。激光外置焊接方式如圖3所示。

圖3 激光外置焊接方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of laser external welding

在實(shí)驗(yàn)過程中，激光需要經(jīng)過可調(diào)壓力容器上方的入射孔進(jìn)入裝置內(nèi)部，入射孔中透射玻璃的選擇對激光焊接過程有著很大的影響。激光波長為1060 nm，透光性不良的玻璃容易導(dǎo)致激光束無法進(jìn)入到裝置內(nèi)部，并且在焊接過程中容易出現(xiàn)激光燒蝕玻璃的現(xiàn)象，因此，激光所透射的玻璃應(yīng)滿足透明、耐高溫、強(qiáng)透光等條件。石英玻璃對激光的透射率可達(dá)99%以上，可透激光波長為 1030~1080 nm，能夠滿足激光焊接透射要求。此外，石英玻璃密度高（22.21 g/cm2），可承受50 MPa以上的壓力，具有較強(qiáng)的耐壓強(qiáng)度，并且石英玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性好，高溫高壓下水侵蝕小，具有良好的耐腐蝕性，因此，選用石英材質(zhì)的玻璃作為激光焊接過程中的透射玻璃（厚度為10 mm，直徑為60 mm）。

1.3 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

在焊接實(shí)驗(yàn)過程中，內(nèi)置的光纖激光器在移動(dòng)過程中極易與可調(diào)壓力容器結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。為了避免干涉的產(chǎn)生，文中采用光纖激光器固定，工作臺(tái)移動(dòng)的方式進(jìn)行焊接實(shí)驗(yàn)。該種方式有效提高了焊接效率，降低了實(shí)驗(yàn)成本，對于不同材料、不同結(jié)構(gòu)的焊接實(shí)驗(yàn)具有較好的通用性，并且可移動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在水環(huán)境下進(jìn)行激光焊接的過程中，工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)會(huì)帶動(dòng)裝置內(nèi)部的水，使水發(fā)生波動(dòng)，進(jìn)一步真實(shí)模擬水下環(huán)境水流流動(dòng)特點(diǎn)。

運(yùn)動(dòng)平臺(tái)由可移動(dòng)工作臺(tái)、移動(dòng)導(dǎo)軌和動(dòng)力驅(qū)動(dòng)裝置組成，如圖4所示，其中焊接工作臺(tái)位于可調(diào)壓力容器內(nèi)部的移動(dòng)導(dǎo)軌上，伺服電機(jī)動(dòng)力裝置位于可調(diào)壓力容器外部。伺服電機(jī)與可移動(dòng)工作臺(tái)通過直線推桿進(jìn)行連接。當(dāng)動(dòng)力裝置驅(qū)動(dòng)連接推桿時(shí)，可調(diào)壓力容器內(nèi)部的可移動(dòng)工作臺(tái)在導(dǎo)軌上做直線運(yùn)動(dòng)。為了在焊接過程中精確控制可移動(dòng)工作臺(tái)的移動(dòng)速度，從而得到所需的焊接速度，利用編碼器脈沖控制伺服電機(jī)進(jìn)行精準(zhǔn)的運(yùn)轉(zhuǎn)。電動(dòng)驅(qū)動(dòng)絲桿滑臺(tái)的方式需在絲桿與電機(jī)之間配置聯(lián)軸器，采用滾珠絲桿傳動(dòng)的方式可以很好地減少密封處的移動(dòng)，避免出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。

圖4 激光焊接可移動(dòng)運(yùn)動(dòng)工作臺(tái)Fig.4 Movable motion table of laser welding

2 結(jié)果與分析

2.1 可調(diào)壓力激光焊接裝置的耐壓性能測試

根據(jù)上述設(shè)計(jì)，對可調(diào)壓力激光焊接裝置進(jìn)行實(shí)物加工、安裝，如圖5所示，并對裝置的耐壓性能和壓力調(diào)節(jié)性能進(jìn)行驗(yàn)證，進(jìn)一步證明壓力容器的安全性、可靠性。壓力是深海高壓環(huán)境激光焊接和空間真空環(huán)境激光制造最主要的影響因素，為了驗(yàn)證模擬裝置的設(shè)計(jì)可靠性，在江蘇派斯特壓力容器有限公司通過負(fù)壓測試以及水壓耐高壓測試對自主研制的實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行第三方驗(yàn)證。

耐壓測試測試結(jié)果如圖5a和5b所示，其中，圖5a為設(shè)計(jì)耐壓實(shí)驗(yàn)曲線，圖5b為實(shí)際壓力實(shí)驗(yàn)曲線。從圖5a可以看出，設(shè)計(jì)要求在10.5 MPa的高壓環(huán)境時(shí)需滿足無泄漏狀態(tài)，并在13.13 MPa時(shí)應(yīng)能夠維持該壓力30 min以上，最后降壓時(shí)能夠在10.5 MPa的壓力下繼續(xù)保持足夠時(shí)長，以驗(yàn)證整個(gè)裝置在升壓和降壓壓力調(diào)節(jié)過程中的密封性以及穩(wěn)定性。從圖5b實(shí)際壓力測試結(jié)果可以看出，實(shí)際測試升壓和降壓過程的時(shí)長均能滿足所需要求，因此，所研制的可調(diào)壓力激光焊接模擬裝置可實(shí)現(xiàn)壓力變化調(diào)節(jié)功能，并且最大能夠承受13.13 MPa，即可實(shí)現(xiàn)深水環(huán)境1000 m的水下激光焊接，具有良好的耐壓性能。另外，在進(jìn)行負(fù)壓測試時(shí)，將真空泵與排氣閥進(jìn)行連接，并關(guān)閉其他所有氣壓閥的閥門，通過電阻規(guī)對裝置內(nèi)部壓力值進(jìn)行實(shí)時(shí)觀測。結(jié)果表明，模擬裝置的極限壓力值為5.2 Pa，滿足空間制造所需的負(fù)壓焊接條件。

圖5 水下激光焊接地面模擬裝置系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of underwater laser welding ground simulation device system

裝置性能測試結(jié)果表明，文中自主研發(fā)設(shè)計(jì)的可調(diào)壓力激光焊接工藝地面模擬裝置可實(shí)現(xiàn)從負(fù)壓到高壓范圍內(nèi)的環(huán)境壓力調(diào)節(jié)，滿足深海高壓環(huán)境激光焊接和空間真空環(huán)境激光制造所需壓力條件。

2.2 變壓環(huán)境激光焊接實(shí)驗(yàn)

采用IPG公司的YLR-4000光纖激光器，對尺寸為100 mm×150 mm×10 mm的ANSI 304不銹鋼進(jìn)行可調(diào)壓力環(huán)境下的激光焊接實(shí)驗(yàn)。在離焦量為0 mm，激光焊接功率為3 kW，焊接速度為1.5 m/min的焊接條件不變下，通過改變模擬裝置的內(nèi)部壓力參數(shù)，以獲得不同壓力環(huán)境下的激光焊接過程?；诖?，文中進(jìn)行了4組在不同環(huán)境壓力參數(shù)下的激光焊接實(shí)驗(yàn)，環(huán)境壓力分別為40 000，4000，400，40 Pa。焊接結(jié)束后，將試件制備成金相試樣，采用Kroll試劑進(jìn)行腐蝕，其配比為3~9 mL HCl+1~3 mL HNO3，腐蝕時(shí)間為6~10 s，然后進(jìn)行清洗、烘干，并在金相顯微鏡下測量焊縫的尺寸。

不同壓力環(huán)境下的激光焊接實(shí)驗(yàn)焊縫形貌如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)環(huán)境壓力較大時(shí)，此時(shí)焊縫的熔深相對較淺，焊縫整體形狀呈 V形。隨著環(huán)境壓力降低至40 Pa時(shí)，焊縫表面逐漸變得均勻，焊縫形狀由V形向I形過渡，熔區(qū)逐漸變窄。不同壓力環(huán)境下 304不銹鋼激光焊接的焊縫熔寬和熔深變化曲線如圖7所示。結(jié)果表明，激光焊接會(huì)隨著環(huán)境壓力的降低，焊縫深度逐漸增大，當(dāng)壓力從40 000 Pa降至40 Pa時(shí)，焊縫熔深從3.15 mm增大到5.1 mm，最高增幅可達(dá) 37%。相比之下，熔寬則呈下降趨勢，從1.8 mm下降到1.5 mm，減幅為16.7%。

圖6 不同壓力環(huán)境下激光焊接焊縫形貌Fig.6 Welding seam morphology of laser welding under different pressures

圖7 不同壓力環(huán)境下焊縫熔深和熔寬對比Fig.7 Comparison chart of weld penetration and width under different pressures

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，當(dāng)環(huán)境壓力發(fā)生變化時(shí)，焊縫熔深也會(huì)隨之發(fā)生顯著變化。小孔熔深的變化是由于環(huán)境壓力的改變導(dǎo)致小孔壁面溫度發(fā)生改變而引起的。當(dāng)小孔內(nèi)溫度逐漸上升，反沖壓力逐漸增大，會(huì)使得小孔深度有所增加，因此，由于所處壓力環(huán)境的不同，焊縫形貌也會(huì)有所不同。在Himi等[28]研究中也發(fā)現(xiàn)過類似報(bào)道。

2.3 水下環(huán)境激光焊接實(shí)驗(yàn)

采用IPG公司的YLR-4000光纖激光器，對尺寸為100 mm×150 mm×10 mm的“海洋金屬”TC4鈦合金進(jìn)行局部干法水下環(huán)境激光焊接實(shí)驗(yàn)。保持離焦量為 0 mm，激光焊接功率為 3 kW，環(huán)境壓力為 0.1 MPa，環(huán)境水溫為20 ℃，保護(hù)氣體（N2）流量為80 L/min不變，文中設(shè)計(jì)了水環(huán)境中5組不同焊接速度的激光焊接實(shí)驗(yàn)，焊接速度分別為1，1.5，2，2.5，3 m/min，通過改變激光焊接過程中的焊接速度，以探究不同水下環(huán)境中激光焊接速度對鈦合金焊縫成形的影響規(guī)律，并與地面環(huán)境焊接速度為1 m/min的激光焊接過程進(jìn)行對比，探究水的存在對激光焊接過程的影響。焊接結(jié)束后，將試件制備成金相試樣，腐蝕試劑的配比為90 mL H2O+6 mL HNO3+2 mL HF，腐蝕時(shí)間為15~20 s，然后進(jìn)行清洗、烘干，并在金相顯微鏡下測量焊縫尺寸。

水下環(huán)境不同焊接速度的激光焊接焊縫形貌如圖8所示。在相同的焊接速度參數(shù)下，陸上環(huán)境焊縫形貌（見圖8a）與水下環(huán)境焊縫形貌（見圖8b）幾近相似。水下環(huán)境焊縫形貌成“T”字形狀，上半部分較寬，下半部分狹長而筆直，并且可以觀察到隨著焊接速度的增大，水下環(huán)境整個(gè)焊縫形貌橫截面積在逐漸減小。水下環(huán)境不同焊接速度 TC4鈦合金激光焊接的焊縫熔寬和熔深變化曲線如圖9所示。結(jié)果表明，水下環(huán)境激光焊接的焊縫熔深和熔寬均隨著焊接速度的增大而逐漸減小。當(dāng)焊接速度從1.0 m/min增加到3.0 m/min時(shí)，熔深從4.1 mm減小到2.8 mm。熔寬從3.6 mm減小到2.8 mm，最大減幅分別達(dá)31.7%和22.22%。

圖8 大氣及水下環(huán)境激光焊接焊縫形貌Fig.8 Morphology of laser welding seam in atmospheric and underwater environment

圖9 水下環(huán)境不同焊接速度的焊縫熔深和熔寬對比Fig.9 Comparison of weld penetration and width at different welding speeds in underwater environment

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，TC4鈦合金激光焊接水下焊縫與陸上焊縫的焊縫形貌差別不大，證明自主研發(fā)設(shè)計(jì)的模擬裝置能夠在地面上模擬水下環(huán)境，并且能夠成功地進(jìn)行水下激光焊接過程。隨著焊接速度的增加，焊接小孔的橫截面面積不斷減小。這是因?yàn)檩^快的焊接速度使激光能量的傳遞和吸收位置由熔池下部逐漸轉(zhuǎn)移到了熔池上部，導(dǎo)致激光能量吸收率減小，金屬熔化量和熔池金屬蒸發(fā)量也在逐漸減少。此外，隨著焊接速度的增大，焊縫熔深和熔寬均呈下降趨勢。這是因?yàn)樗颅h(huán)境激光焊接過程中激光束在母材上的移動(dòng)速度加快，導(dǎo)致激光焊接線能量減小，激光與母材的作用時(shí)間減少，熔池小孔中壁面的蒸發(fā)溫度有所降低，反沖壓力逐漸變小，使得熔深和熔寬進(jìn)一步減小。在姚杞等[29]研究中也發(fā)現(xiàn)過類似報(bào)道。

3 結(jié)語

1）設(shè)計(jì)研發(fā)了一套從真空負(fù)壓到深海高壓壓力范圍可調(diào)的激光焊接地面模擬裝置，該模擬裝置包括壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、激光光路系統(tǒng)和可移動(dòng)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，能夠模擬不同高壓力、低真空等非常壓環(huán)境，以及模擬水、鹽度以及其他生物特點(diǎn)的激光焊接實(shí)驗(yàn)環(huán)境，為未來深海高壓和外太空負(fù)壓激光焊接實(shí)驗(yàn)提供了強(qiáng)有力的設(shè)備支撐。

2）驗(yàn)證了研發(fā)設(shè)計(jì)的模擬裝置可實(shí)現(xiàn)負(fù)壓到高壓的可自主調(diào)節(jié)功能，可以在陸上模擬深海高壓環(huán)境激光焊接和空間真空環(huán)境激光制造過程。結(jié)果表明，模擬裝置能夠承受13.13 MPa的壓力，可以在地面模擬水深1000 m（10 MPa）以上的高壓環(huán)境，負(fù)壓極限壓力值可達(dá)5.2 Pa，滿足空間負(fù)壓激光焊接條件。證明了可調(diào)壓力激光焊接地面模擬裝置在陸上模擬非常壓環(huán)境的可行性和有效性。

3）利用自主研發(fā)設(shè)計(jì)的模擬裝置進(jìn)行了不同環(huán)境壓力條件下的激光焊接實(shí)驗(yàn)。在激光焊接功率為3 W，焊接速度為 1.5 m/min的焊接條件不變下，隨環(huán)境壓力從40 000 Pa減小到40 Pa，焊縫熔深從3.15 mm增大到5.1 mm，而熔寬則呈減小趨勢，從1.8 mm減小到1.5 mm。

4）利用研發(fā)設(shè)計(jì)的模擬裝置在水下環(huán)境進(jìn)行不同焊接速度的激光焊接實(shí)驗(yàn)。在激光焊接功率為 3 W，環(huán)境壓力為0.1 MPa，環(huán)境水溫為20 ℃，保護(hù)氣體（N2）流量為80 L/min的條件不變下，水下環(huán)境激光焊接隨著焊接速度從1.0 m/min增加到3.0 /min時(shí)，熔深和熔寬均成下降趨勢。熔深從4.1 mm減小到2.8 mm，熔寬從3.6 mm減小到2.8 mm。