大型厚壁構(gòu)件窄間隙激光焊接研究現(xiàn)狀

孫清潔 李軍兆 劉一搏

摘要：高服役性能裝備大型構(gòu)件具有大壁厚、多結(jié)構(gòu)及高服役環(huán)境等特點，在海工裝備、國防建設(shè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，電弧焊是此類結(jié)構(gòu)常用的焊接方法，其焊接效率慢、熱輸入及變形大等特點限制了其發(fā)展前景。目前高能束激光作為熱源，被廣泛應(yīng)用于厚壁構(gòu)件的焊接領(lǐng)域。介紹大功率激光器特點及其在焊接技術(shù)方面的發(fā)展現(xiàn)狀，分析大型厚壁構(gòu)件制造領(lǐng)域中常用的高功率激光自熔焊、窄間隙激光-MIG電弧復(fù)合焊和窄間隙激光填絲焊先進(jìn)激光焊接技術(shù)特點和應(yīng)用現(xiàn)狀。其中，窄間隙激光填絲焊接具有可焊厚度大、適應(yīng)性強(qiáng)、變形小等優(yōu)勢，被認(rèn)為是厚壁構(gòu)件焊接合適的方法之一。在此基礎(chǔ)上重點介紹窄間隙激光填絲焊亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)，并分析全位置窄間隙激光焊接的技術(shù)特點，總結(jié)和展望了激光焊技術(shù)在厚壁構(gòu)件制造領(lǐng)域的發(fā)展前景。

關(guān)鍵詞：大型厚壁構(gòu)件;激光焊接;全位置;窄間隙焊接

中圖分類號：TG456.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：C 文章編號：1001-2303（2020）07-0009-09

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.02

0 前言

隨著工業(yè)技術(shù)的發(fā)展，高服役性能裝備大型構(gòu)件已廣泛應(yīng)用于核電建設(shè)、海洋船舶和軌道交通等制造領(lǐng)域[1]。此類結(jié)構(gòu)具有大壁厚、多結(jié)構(gòu)及高服役環(huán)境等特點，且難以實現(xiàn)一次性整體成形，因此大型結(jié)構(gòu)厚壁構(gòu)件精密高質(zhì)焊接成為其制造過程中的關(guān)鍵技術(shù)，其焊接質(zhì)量將直接決定裝備的服役性能和壽命。

傳統(tǒng)電弧焊接技術(shù)作為厚壁構(gòu)件常用的焊接方法，具有操作簡單、靈活性強(qiáng)等優(yōu)勢，但同時其較大的坡口尺寸和較低的焊接速度導(dǎo)致多層焊接時存在焊接效率低、線能量高、變形應(yīng)力大、組織性能惡化等問題，難以滿足大型裝備嚴(yán)苛的服役環(huán)境[2]。為解決上述問題，提出窄間隙焊接方法不僅大大減小焊接坡口填充面積，有效提高焊接效率，還可減小焊接變形和殘余應(yīng)力。激光焊接技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)厚壁構(gòu)件向高質(zhì)高效焊接方向發(fā)展。將窄間隙技術(shù)與激光焊接相結(jié)合，在降低焊縫填充量的同時提高焊接效率、改善焊接質(zhì)量、降低接頭變形和殘余應(yīng)力，能夠滿足大型厚壁構(gòu)件低應(yīng)力和高質(zhì)量的焊接要求，是急需研發(fā)的焊接技術(shù)。

1 大功率激光器發(fā)展現(xiàn)狀

對大型厚壁構(gòu)件制造技術(shù)的迫切需求極大地推動高質(zhì)量高功率激光器的發(fā)展。目前，大功率激光器根據(jù)增益介質(zhì)的差異主要包括固體激光器（光纖、碟片激光器）、半導(dǎo)體激光器、YAG激光器和CO2激光器。其中，CO2激光器具有較高的激光輸出功率，但光電轉(zhuǎn)換效率較低，激光器體積較大、難以通過光纖傳輸、且波長較大（10.6 μm），金屬材料對其的吸收率相對較低;半導(dǎo)體激光器可通過發(fā)射器疊加產(chǎn)生非常高的輸出功率，但是功率越高，光束質(zhì)量越差，成本越高，降低其焊接適應(yīng)性[3]。

光纖激光器具有較高的光電轉(zhuǎn)換效率、光束質(zhì)量和穩(wěn)定性，能夠在高功率密度下保證較高的光束質(zhì)量;同時通過多模組提高其輸出功率，實現(xiàn)小型化設(shè)備集成和光纖傳輸，柔性化程度得到顯著改善，易于搭配柔性化焊接機(jī)器人，具有較高的焊接穩(wěn)定性并實現(xiàn)空間位置的柔性化焊接。

2 厚壁構(gòu)件先進(jìn)激光焊技術(shù)研究現(xiàn)狀

激光焊接技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，取得了很大進(jìn)步，特別是隨著光纖激光器的誕生與光電模塊的發(fā)展，激光器的輸出功率不斷增大、光束質(zhì)量不斷改善、光束軌跡逐漸可控，為其在厚壁構(gòu)件焊接領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)[4-5]。相比于傳統(tǒng)厚壁電弧焊接技術(shù)，激光焊接具有填充量小、焊接效率高、焊接變形和殘余應(yīng)力小及組織性能優(yōu)越等優(yōu)勢;而相比于電子束焊接，激光焊接不受真空環(huán)境的限制，對于大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)焊接的適應(yīng)性更強(qiáng)，更加適應(yīng)于工業(yè)生產(chǎn)。以上優(yōu)勢使得激光焊接技術(shù)在近幾年逐漸成為厚壁構(gòu)件焊接領(lǐng)域重要的研究方向之一。目前，常用的厚壁構(gòu)件激光焊接方法包括高功率、超高功率激光自熔焊接，窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接和窄間隙激光填絲焊接3種，下面將結(jié)合國內(nèi)外研究現(xiàn)狀對上述三種激光焊接技術(shù)的特點展開分析討論。

2.1 高功率激光焊

激光自熔焊與電子束焊接相似，不添加任何填充材料，使高能激光束直接作用于材料表面，使其熔化和氣化形成熔池和匙孔，匙孔隨著激光束在焊接方向上移動，熔融金屬流不斷填充匙孔空腔并冷卻形成焊縫。通常情況下，激光自熔焊采取深熔焊接模式，具有高激光能量密度、焊接速度，同時焊接熱影響區(qū)較窄，但對試件的加工精度要求嚴(yán)格。國內(nèi)外學(xué)者在厚壁構(gòu)件激光自熔焊接工藝、穩(wěn)定性及缺陷控制等方面開展了大量研究。

美國聯(lián)合技術(shù)研究中心Banas[6]和德國IPG公司Grupp等人[7]研究厚壁構(gòu)件激光自熔焊接工藝發(fā)現(xiàn)，單道激光自熔焊接最大熔深對激光功率的依賴呈現(xiàn)近指數(shù)增加，并隨著焊接速度的增加顯著降低，如圖1所示，板材的一次性可焊厚度主要取決于激光器的輸出功率。日本日立公司和大阪大學(xué)Zhang和Katayama等人[8-9]發(fā)現(xiàn)，采用高速氣流輔助技術(shù)可以獲得深而寬的匙孔形態(tài)并能削弱光致等離子體，在10 kW激光功率和0.3 m/min焊接速度下，焊縫熔深從18.2 mm增加到24.5 mm。Katayama等人[10]在真空環(huán)境下采用26 kW DISC激光器，-40 mm離焦的激光束實現(xiàn)了73 mm的焊縫熔深，相比于常規(guī)激光焊接，熔深得到大幅提升。

超高功率激光器的研發(fā)使得大厚度工件的激光自熔焊接成為可能，與此同時焊接缺陷隨著激光功率和板厚的增加更加顯著。哈爾濱工業(yè)大學(xué)李俐群等[11]采用30 kW超高功率激光器焊接40 mm厚度低碳鋼發(fā)現(xiàn)，激光功率的提升可以增加焊材的焊接厚度，但超高功率激光與金屬的強(qiáng)相互作用產(chǎn)生的金屬蒸氣/等離子體遠(yuǎn)多于常規(guī)千瓦級激光焊接，金屬反沖壓力導(dǎo)致熔池發(fā)生劇烈波動并增加匙孔的不穩(wěn)定性，導(dǎo)致焊接飛濺、氣孔等缺陷產(chǎn)生，難以實現(xiàn)良好的焊縫成形。日本大阪大學(xué)Kawahito等人[9]對20 mm厚度不銹鋼進(jìn)行激光自熔焊接工藝研究發(fā)現(xiàn)，能實現(xiàn)良好焊縫質(zhì)量的工藝窗口相對較窄。隨著激光功率的增加，焊接匙孔的穩(wěn)定性逐漸降低，導(dǎo)致焊接氣孔缺陷顯著增加，并且焊縫表面極易產(chǎn)生塌陷、駝峰和咬邊缺陷。湖南大學(xué)的張明軍和陳根余等人[12-13]在研究萬瓦激光器工藝參數(shù)時發(fā)現(xiàn)，離焦量是激光深熔焊接過程中的關(guān)鍵參數(shù)。負(fù)離焦匹配合適的焊接速度和保護(hù)氣流量可以獲得穩(wěn)定的金屬蒸氣/等離子體、匙孔和熔池耦合效果，實現(xiàn)良好的全熔透焊縫。采用X射線圖像采集系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)，熔池波動性影響匙孔內(nèi)部激光能量的吸收，是導(dǎo)致大量焊接飛濺、氣孔產(chǎn)生的主要原因，如圖2所示。

綜上，相關(guān)研究表明，激光自熔焊能夠?qū)崿F(xiàn)一定厚度構(gòu)件高質(zhì)量、高效率的焊接，但是構(gòu)件的可焊厚度直接取決于激光功率的大小，導(dǎo)致其適應(yīng)性不足;雖然超高功率激光器的研發(fā)使構(gòu)件的可焊厚度得到一定的擴(kuò)展，但是超高功率激光焊接時難以有效控制焊接過程穩(wěn)定性，極易形成氣孔、裂紋等焊接缺陷，極大程度上限制了激光自熔焊接技術(shù)在厚壁構(gòu)件的實際應(yīng)用。

為解決上述問題，相關(guān)學(xué)者將窄間隙技術(shù)與激光焊接技術(shù)結(jié)合，采用多層多道填充焊接方法，既能保持激光焊接低熱輸入、高效率、低應(yīng)力等優(yōu)勢，又能通過添加填充金屬改善焊縫冶金凝固，在提升構(gòu)件可焊厚度的同時，減輕氣孔、裂紋等焊接缺陷的形成傾向。目前，厚壁構(gòu)件窄間隙激光焊接根據(jù)熱源形式不同主要集中于厚壁窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接和窄間隙激光填絲焊接。

2.2 激光-MIG電弧復(fù)合焊

顧名思義，激光-電弧復(fù)合焊接是激光熱源和電弧熱源耦合的焊接技術(shù)，既能發(fā)揮兩種熱源的優(yōu)勢，又能彌補(bǔ)各自的不足，實現(xiàn)“1+1>2”的效果，具有焊接穩(wěn)定性高、適應(yīng)性強(qiáng)、填充效率高及焊接速度快等優(yōu)勢[14]，主要包括激光-MAG復(fù)合焊接技術(shù)、激光-TIG復(fù)合焊接技術(shù)、激光-PAW復(fù)合焊接技術(shù)，并在此基礎(chǔ)上拓展出雙激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)、激光-雙電弧復(fù)合焊接技術(shù)等。此外，將其與窄間隙焊接技術(shù)相結(jié)合，在一定程度上也能擴(kuò)展其構(gòu)件可焊厚度。激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)是近幾年重要的研究方向，世界各國研究機(jī)構(gòu)對此進(jìn)行了大量的基礎(chǔ)理論和實際應(yīng)用研究，取得了相當(dāng)大的進(jìn)展。

華中科技大學(xué)張臣、曾曉雁等人[14]研究了窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)對未熔合缺陷的影響，主要是通過增強(qiáng)熔池對流和降低坡口固-液界面張力實現(xiàn)的。通過優(yōu)化焊接工藝參數(shù)，最終采用6 mm矩形坡口、9道焊縫實現(xiàn)了40 mm低碳鋼高質(zhì)量焊接，焊縫成形良好，無明顯缺陷，如圖3所示。張熊等人[15-16]研究發(fā)現(xiàn)，窄間隙環(huán)境改變了MAG電弧電磁交互作用和受力狀態(tài)，降低了熔滴過渡頻率，電弧在窄間隙環(huán)境下失穩(wěn)所造成的坡口兩側(cè)受熱不均是導(dǎo)致側(cè)壁熔合不良缺陷的主要原因。

埃及學(xué)者Wahba和日本大阪大學(xué)Katayama等人[17]采用激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)實現(xiàn)了20 mm厚和25 mm厚板材單道焊接，焊縫成形美觀，無缺陷產(chǎn)生。采用預(yù)置“斷絲”的方法，既能填充焊縫又能防止背部墊板熔化，此方法簡單高效，采用“I”型接頭，坡口寬度2.5 mm，實現(xiàn)50 mm厚鋼板的雙面焊接，如圖4所示。德國Fraunhofer激光技術(shù)研究所stünda等人[18]采用外加磁場的方法抑制激光-電弧復(fù)合焊接焊縫的下塌缺陷，在此基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)不同焊接熱輸入下的焊縫成形，焊縫橫截面呈現(xiàn)較大的差異，擴(kuò)大了焊接工藝窗口范圍，并較大程度地提高焊接速度。

Webster等人[19]對12～30 mm厚高強(qiáng)鋼開展了激光-電弧復(fù)合焊接工藝試驗，采用17 kW的激光功率可實現(xiàn)15 mm厚板材的單道成形;針對25 mm厚板材則需要加工窄間隙坡口進(jìn)行多層多道填充焊接，而隨著高功率激光器的發(fā)展，使得25 mm厚板材單道熔透焊接成為可能。但是隨著打底焊坡口間隙和激光功率的增加，焊接穩(wěn)定性被削弱，導(dǎo)致焊縫中產(chǎn)生氣孔缺陷，如圖5所示。

國內(nèi)外研究表明，窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)雖然結(jié)合了窄間隙技術(shù)和復(fù)合焊接技術(shù)的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)空間多位置、多材料、多厚度構(gòu)件的高效焊接，并具有良好的坡口間隙適應(yīng)性;但多熱源的復(fù)合增加了焊接參數(shù)之間的交互性和焊接穩(wěn)定性調(diào)控的難度，且對于厚壁構(gòu)件的坡口深度和寬度仍有一定的限制，較難實現(xiàn)大型厚壁構(gòu)件的焊接。目前，窄間隙激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)主要應(yīng)用于中厚板（≤30 mm）構(gòu)件的焊接。

2.3 窄間隙激光填絲焊

窄間隙激光填絲焊接是利用單激光熱源作用于填充焊絲和母材，使其熔化形成熔池后填充窄間隙坡口，冷卻凝固后形成焊縫的工藝方法，其中激光熱源包括單激光、雙激光、多激光及振鏡掃描激光等演變形式，填充焊絲為冷絲或熱絲。此方法具有構(gòu)件可焊厚度大、工藝參數(shù)簡單、坡口適應(yīng)性強(qiáng)、填充量低和焊接變形小等優(yōu)勢，國內(nèi)外學(xué)者對厚壁構(gòu)件窄間隙激光填絲焊接方法及其衍生方法進(jìn)行了大量研究。

上海交通大學(xué)張軻等人[20]通過優(yōu)化工藝參數(shù)，采用兩種坡口形式（5°、10°）對20 mm厚板材進(jìn)行了多層單道和多層多道焊接，如圖6a所示，焊縫中仍存在少量氣孔和未熔合缺陷。黃堅等人[21]采用高功率激光器增加窄間隙坡口鈍邊厚度，并通過12層填充實現(xiàn)了70 mm厚Q345鋼的焊接，焊縫橫截面如圖6b所示，可見焊縫中仍存在少量氣孔且焊縫對稱性較差。日本Yoshiaki Arata等人[22]采用10 kW CO2激光器實現(xiàn)了50 mm厚鋼板的焊接，采用單面梯型坡口形式，最大坡口寬度為10 mm，焊后焊縫成形良好，無明顯缺陷產(chǎn)生，對光絲相互作用及耦合效率計算發(fā)現(xiàn)，在窄間隙空間激光效率達(dá)到80%，相比于開放空間有所提高。北京工業(yè)大學(xué)楊武雄等人[23]通過計算光路在窄間隙坡口內(nèi)部傳輸路徑，采用42層填充層實現(xiàn)了100 mm厚不銹鋼窄間隙激光填絲焊接，坡口間隙為4 mm的直壁形式，焊后角變形不超過1°，如圖6c所示。

窄間隙激光填絲焊接技術(shù)極大程度上擴(kuò)展了板材的可焊厚度，對板材種類、坡口間隙等表現(xiàn)出較強(qiáng)的適應(yīng)性。與此同時，未熔合、氣孔、熱裂紋、以及過多的側(cè)壁熔透和不對稱的焊縫形貌仍是急需解決的關(guān)鍵難點。上海交通大學(xué)華學(xué)明等人[24]研究了激光能量在窄間隙焊接熔池、匙孔、填充焊絲及坡口側(cè)壁的分配率對焊縫成形及缺陷的影響規(guī)律。激光功率和光斑直徑與未熔合缺陷密切相關(guān)，增大激光光斑直徑將激光功率直接作用于坡口側(cè)壁的形式有利于解決坡口側(cè)壁熔合不良缺陷。美國南衛(wèi)理工大學(xué)劉偉等人[25]研究發(fā)現(xiàn)熱絲能夠降低焊接等離子體強(qiáng)度，提高激光能量利用率，焊接熔深增加。但較大熱絲電壓會產(chǎn)生大量的焊接飛濺，導(dǎo)致焊接等離子體發(fā)生波動，焊接過程也變得不穩(wěn)定。

瑞士呂勒奧科技大學(xué)Alexander等人[26]研究發(fā)現(xiàn)，采用激光熱導(dǎo)焊接模式可以避免匙孔的形成，提高焊接穩(wěn)定性，但是焊縫填充效率較低;而采用焊絲預(yù)熱技術(shù)可以提高能量利用率、坡口潤濕及焊接過程穩(wěn)定性，如圖7所示。日本廣島大學(xué)Phaoniam等人[27]研究發(fā)現(xiàn)熔池對激光的反射能夠促進(jìn)坡口側(cè)壁及其附近位置金屬的熔化，液態(tài)金屬在窄間隙坡口內(nèi)部形成一定曲面，該曲面與側(cè)壁共同作用，對激光束形成多次反射，導(dǎo)致側(cè)壁發(fā)生熔化，使得填充金屬與側(cè)壁之間形成冶金結(jié)合，并獲得極小的母材熔化。

日本大阪大學(xué)Yamazaki等人[28]為解決窄間隙激光焊接側(cè)壁熔合不良缺陷，提出采用橫向擺動激光焊接模式，使得激光能量直接作用于坡口側(cè)壁，增加了坡口間隙適應(yīng)性，但是擺動激光焊接時極易出現(xiàn)焊絲熔化不充分現(xiàn)象，造成焊縫成分的宏觀偏析。德國漢諾威大學(xué)Onozuka等人[29]采用雙YAG激光進(jìn)行40 mm厚316L不銹鋼窄間隙焊接，雙光束能夠增加匙孔穩(wěn)定性，降低焊縫冷卻速率，抑制氣孔和熱裂紋缺陷。法國的Coste F.等人[30]發(fā)現(xiàn)雙光斑的組合能夠增大焊縫熔寬，從而有效解決了坡口側(cè)壁熔化不充分的問題，實現(xiàn)了厚度60 mm的不銹鋼激光多層焊接，焊縫成形良好，其焊接效率可達(dá)到TIG焊的3倍左右，如圖8所示。

通過上述研究可知，窄間隙激光填絲焊接采用逐層添加方式能夠增加焊材厚度、坡口間隙的適應(yīng)性，降低對激光功率的依賴性，適應(yīng)大型構(gòu)件的焊接要求。但由于采用單激光熱源，激光加熱面積有限，易形成未熔合缺陷導(dǎo)致接頭失效。為了保證側(cè)壁熔合效果，使激光能量作用于坡口側(cè)壁位置，一般會采用正離焦模式來增加光斑加熱面積，這會導(dǎo)致激光能量密度降低，焊縫熔深減小，降低焊接效率;而采用大激光功率焊接時，焊接過程穩(wěn)定性難以保證，易出現(xiàn)氣孔等缺陷。因此，有必要對窄間隙激光填絲焊接過程中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究，闡明焊接工藝參數(shù)—過程穩(wěn)定性—焊接缺陷—組織性能之間的交互關(guān)系。

3 全位置窄間隙激光填絲焊關(guān)鍵技術(shù)及展望

在對厚壁窄間隙激光焊接研究現(xiàn)狀進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，著重研究窄間隙激光填絲焊接技術(shù)在厚壁構(gòu)件焊接過程中存在的關(guān)鍵性難點技術(shù)。

（1）窄間隙激光焊接未熔合缺陷根據(jù)缺陷產(chǎn)生位置分為層間未熔合及側(cè)壁未熔合，其中側(cè)壁未熔合缺陷尤為突出。未熔合缺陷嚴(yán)重減少接頭的承載面積，并成為裂紋擴(kuò)展尖端，在較小的載荷下就會導(dǎo)致接頭斷裂失效。層間未熔合缺陷主要是由于激光能量不足，填充層焊縫熔深過淺，難以對前道焊縫實現(xiàn)重熔造成的;或者是由于激光束偏離窄間隙中心位置造成能量分布偏差從而導(dǎo)致層間未熔合缺陷。側(cè)壁未熔合缺陷多數(shù)是由于激光能量不足、坡口間隙過大致使側(cè)壁位置難以充分熔化，未能與熔池金屬形成潤濕。上海交通大學(xué)張軻等人[20]對窄間隙激光填絲焊接工藝參數(shù)—焊縫凝固形貌—側(cè)壁未熔合缺陷進(jìn)行了分析，合適的工藝參數(shù)范圍（P/vf>1.5和Vf/vw<6）能夠獲得窄間隙焊縫凹形液面，抑制未熔合缺陷，通過改善焊縫液態(tài)金屬和坡口側(cè)壁低溫金屬之間的潤濕鋪展有利于改善窄間隙焊縫成形。聶璞林等人[31]研究窄間隙激光焊接工藝參數(shù)、光絲位置、坡口形式對焊接缺陷的影響關(guān)系，優(yōu)化參數(shù)能夠獲得良好的焊接接頭。

（2）大量研究表明，焊接氣孔是窄間隙激光焊接常見的問題之一。工藝型氣孔與焊接匙孔穩(wěn)定性密切相關(guān)，匙孔不穩(wěn)定導(dǎo)致閉合，由于激光焊接的焊縫冷卻速度快，在焊縫熔池凝固之前，氣體難以溢出，導(dǎo)致氣孔的產(chǎn)生[32]。

（3）在窄間隙激光填絲焊接過程中，坡口兩側(cè)不均勻熔化易造成焊接接頭不均勻的焊接變形，導(dǎo)致焊接接頭應(yīng)力集中;與此同時，窄間隙多層多道激光焊接時，焊縫金屬經(jīng)歷多次焊接熱循環(huán)作用，導(dǎo)致焊縫組織在焊縫橫向和厚度方向上均呈現(xiàn)非均勻特點。上海交通大學(xué)趙勇等人[33]發(fā)現(xiàn)窄間隙焊接坡口內(nèi)激光偏離中央位置明顯導(dǎo)致焊接等離子體隨之偏向一側(cè)，進(jìn)而導(dǎo)致坡口兩側(cè)母材熔化行為出現(xiàn)較大差異，造成明顯傾斜的焊縫截面形貌;焊絲位置的偏移對焊縫成形的影響較小。日本大阪大學(xué)Yamazaki等人[28]發(fā)現(xiàn)焊絲不充分熔化時，殘留于焊縫金屬中，呈現(xiàn)出焊縫元素偏聚現(xiàn)象，造成性能差異化。華中科技大學(xué)王春明等人[15]發(fā)現(xiàn)不均勻的多重?zé)嵫h(huán)、重熔及熱處理作用是導(dǎo)致多層焊接接頭在沿焊縫厚度方向上產(chǎn)生宏觀區(qū)域組織、性能不均勻的主要原因，如圖9所示。

管道全位置焊接一直是國內(nèi)外研究的重點，其關(guān)鍵問題是熔池在交變重力場作用下失穩(wěn)，液態(tài)金屬易流淌，影響焊接穩(wěn)定成形及焊接質(zhì)量。德國VIETZ公司、英國TWI、美國EWI等都開展了全位置激光-電弧復(fù)合焊接工藝研究，相比于傳統(tǒng)焊接方法，這是一種極具潛力的管道施工方法[19，35-36]。哈爾濱工業(yè)大學(xué)雷正龍等人[37]開展了全位置激光-電弧復(fù)合根焊技術(shù)研究，通過改變焊槍角度，利用保護(hù)氣吹力和電弧力作用于焊接熔池來抑制下淌。此外，通過調(diào)控焊接能量加速熔池金屬凝固也是抑制金屬下淌的有效方法。房務(wù)農(nóng)等人[38]采用脈沖MAG方法對焊接熔池進(jìn)行周期性加熱，降低焊接熱輸入，能夠改善全位置焊接焊縫形貌。哈爾濱工業(yè)大學(xué)楊春利[39]等人采用擺動MAG電弧方法調(diào)控全位置窄間隙焊接能量及熔池流動，既能保證窄間隙側(cè)壁熔合又能抑制非平焊位置熔池流淌。全位置窄間隙激光填絲焊接技術(shù)在降低焊接熱輸入、減小坡口尺寸和填材填充量等方面具有顯著優(yōu)勢，能夠減小熔池尺寸、增加熔池凝固速率，然而相比于電弧焊接方法，在非平焊位置缺少作用于熔池的電弧力，熔池流淌傾向增加。哈爾濱工業(yè)大學(xué)孫清潔等人[40]發(fā)現(xiàn)振鏡掃描激光可以增加熔池與側(cè)壁接觸面積，焊接熔池能夠在表面張力作用下穩(wěn)定存在。日本先進(jìn)材料加工研究所Fujinaga等人[41]研究發(fā)現(xiàn)，調(diào)制激光作用下焊接熔滴、等離子體周期性變化過程有利于非平焊位置下的熔池穩(wěn)定。因此，調(diào)控激光焊接能量分布、對熔池增加額外的作用力是解決全位置窄間隙激光填絲焊接熔池穩(wěn)定性及焊縫成形的關(guān)鍵技術(shù)。

4 結(jié)論

（1）隨著高功率激光器的發(fā)展，激光器的輸出功率不斷增大、光束質(zhì)量不斷提高、光束軌跡逐漸可控，為其在厚壁構(gòu)件焊接領(lǐng)域的發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)，使得激光焊接技術(shù)成為工業(yè)生產(chǎn)中的一項關(guān)鍵技術(shù)。

（2）厚壁激光焊接方法包括高功率、超高功率激光自熔焊、窄間隙激光-電弧復(fù)合焊和窄間隙激光填絲焊，具有焊接效率高、填材填充量少、焊接變形小等特點，是先進(jìn)的低應(yīng)力低填充焊接新方法，具有廣闊的應(yīng)用前景。

（3）窄間隙激光填絲焊接具有可焊厚度大、坡口間隙適應(yīng)性強(qiáng)，并且對激光功率依賴性低的優(yōu)點，國內(nèi)外已開始進(jìn)行廣泛的研究，然而未熔合、氣孔和組織性能不均勻的缺點仍是亟待解決的關(guān)鍵技術(shù)。

近年來，對大型厚壁構(gòu)件激光焊接的研究主要集中于平焊位置，最大焊接厚度已達(dá)130 mm，相比于傳統(tǒng)焊接方法，焊接效率得到極大提高。因此，應(yīng)加強(qiáng)空間多位置下厚壁構(gòu)件激光焊接技術(shù)的相關(guān)研究，解決空間曲面窄間隙焊接關(guān)鍵技術(shù)難點。

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