针对4 mm厚的国产Invar合金进行激光焊接实验，对比分析了不同热输入下接头显微组织的差异性，并探究了晶粒尺寸对接头拉伸性能的影响。结果表明，焊缝区域主要由柱状晶组成，在不同热输入下晶粒的生长模式几乎相似，但柱状晶晶粒的尺寸随着热输入的增加而逐渐增大。低热输入（90 J/mm）条件下的平均晶粒面积为12599.7 μm²，比高热输入（200 J/mm）条件下的细化了29.8%。相比于高热输入，低热输入时焊缝底部的亚晶粒数量增多且尺寸减小，平均二次枝晶间距从6.11 μm左右下降到4.26 μm左右。拉伸结果表明，热输入增加引起的晶粒粗化导致接头的抗拉强度由473.4 MPa下降至432.9 MPa，同时断口处等轴韧窝的尺寸和深度明显减小。

针对航空航天领域广泛应用的中厚板2219铝合金，设计了激光镜像焊接实验以分析焊接接头组织分布，对比研究了焊接热输入对焊缝形貌、微观组织、断口形貌及元素分布的影响。结果表明：随着焊接热输入的增加，联合焊缝面积增大、“等腰”比例增加，上熔合线区域柱状晶区宽度由127 μm减少至87 μm，且下熔合线区域柱状晶区宽度小于上熔合线区域柱状晶区。不同焊接热输入下的焊缝中心区域均为等轴树枝晶组织，且随着焊接热输入的增大，焊缝中心区域等轴树枝晶的数量增加，证明热输入提高对细化晶粒具有积极作用。此外，当焊接热输入增大时，焊接接头力学性能得到提升，焊缝区显微硬度最高可达74.9 HV，拉伸强度由188.39 MPa提高至259.47 MPa，接头拉伸断裂部位出现在焊缝区，断裂方式随着热输入的增加由混合断裂转变为韧性断裂，同时韧窝数量增加，尺寸增大且更加均匀。

基于航空航天器轻量化、高性能及高可靠性的制造要求，为增加焊缝强化相数量、获得高质量平板对接结构，采用填充4047焊丝和2319纳米焊丝的激光焊接方法对2 mm厚的2195铝锂合金对接结构进行焊接。针对填充不同焊丝得到的焊接接头微观组织、元素含量及力学性能进行对比分析。结果表明，激光填丝焊接相较于激光自熔焊，焊缝组织得到细化，填充2319纳米焊丝的激光焊接焊缝组织均为细小的等轴晶，纳米颗粒的添加促进了柱状晶向等轴晶的转变。同时，纳米焊丝熔化后进入激光焊接熔池，有效补充了焊缝的元素烧损，含Cu强化相增加。因此，填充4047焊丝的激光焊接接头的抗拉强度为259.9 MPa，相较于无填充焊丝的激光自熔焊提高了17.07%；填充纳米焊丝的激光焊接接头的抗拉强度达到253.51 MPa，相比于激光自熔焊提高了14.19%。填充4047焊丝能有效提高2195铝锂合金激光焊接焊缝的抗拉强度。

采用激光-熔化极惰性气体保护(metal inert-gas, MIG)复合热源对厚度为6.9 mm的5A06铝合金开展焊接试验。分析不同焊接工艺参数下的焊缝宏观形貌, 研究了随温度梯度变化焊缝内微观组织的改变趋势, 解释了显微硬度的变化原因。研究结果表明：试验所采用的四组参数均可实现焊缝成型良好, 焊缝不存在未熔透、咬边等缺陷, 四组参数的深宽比均在1.5以上, 4号试样可达到2.04；此外, 随着焊接线能量的降低, 焊接接头的冷却速度加快, 焊缝中Mg2Al3等强化相含量相对增加, 从而导致沿垂直于焊缝中心线方向的焊缝显微硬度增加。

TC4钛合金具有良好的综合力学性能,其激光焊接结构现已广泛应用于航空航天等领域。通过开展TC4钛合金双激光束双侧同步焊接试验,对不同激光功率下钛合金T型接头进行微观组织观察、Z向拉伸试验以及断口观察。结果表明,激光功率的提高可显著增大接头的熔深、熔宽,激光功率为2.1 kW时,接头热影响区多为细小的等轴晶粒,当激光功率提高至2.3 kW时,下熔合线下部出现大面积粗晶区,部分晶粒尺寸超过了100 μm。此外,热输入的提高导致了接头焊缝区强度的降低,采用激光功率为2.3 kW的拉伸试样,其断裂面贯穿焊缝区域,断裂强度远低于采用较低功率的1号试样。断面微观形貌显示,激光功率较高时,试样断裂模式为韧性断裂与解离断裂组成的混合断裂。

以TC4钛合金焊丝为填充材料,对1.2 mm厚的TC4钛合金板材进行激光填丝焊接试验研究,以分析工艺参数对焊缝宏观成形的影响。通过开展单一变量试验,探索激光功率、焊接速度以及送丝速度对焊缝宏观成形的影响规律。同时,还对相同工艺参数、不同试板装夹间隙宽度情况下的焊缝成形情况进行研究,探讨所获得的较优工艺参数的适用情况。最终得到1.2 mm厚的TC4钛合金激光填丝焊接的较优工艺参数:激光功率为1.5 kW,焊接速度为1.2 m/min,送丝速度为2.5 m/min。此工艺参数组合下得到的焊接接头焊缝宏观成形良好,无明显外观缺陷。

用ER4047焊丝对厚度为2.0 mm的2060/2099铝锂合金进行双激光束双侧同步焊接实验,定量分析了晶粒尺寸对铝锂合金T型焊接接头力学性能的影响。实验结果表明,等轴细晶区内晶粒近似为圆形,当焊接热输入为46.16 J/mm时,晶粒的尺寸最小。随着随焊接热输入的增大,等轴细晶区的宽度逐渐增大,柱状晶尺寸逐渐减小,铝锂合金T型接头的焊缝熔合线区域发生局部软化现象,导致该区域内的显微硬度最低。T型环向拉伸实验结果表明,下熔合线区域为接头薄弱区,该区域内晶粒尺寸对焊接接头力学性能的影响也最大。焊趾处为应力集中区域,也是拉伸断裂的起始点。拉伸断裂过程中,裂纹由焊趾处逐渐扩展至下熔合线,最终在下熔合线的蒙皮处断裂。研究结果表明,熔合区内的晶粒尺寸越小,焊接接头的力学性能越好。

为研究能量配比系数(激光功率与电弧功率的比值)对铝合金激光-MIG复合焊接气孔的影响,采用X射线无损检测与金相显微组织观察法对6 mm厚6061铝合金激光-MIG复合焊接接头在能量配比系数为4.0、3.5、3.1下的气孔进行了分析。结果发现:激光功率对焊缝横截面底部熔宽的影响显著,增大电弧功率能有效增大复合作用区域的深度;在较高的能量配比系数下,焊缝内部气孔的直径较大,但其数量较少,气孔率较低;在焊缝横截面上,气孔主要分布在焊缝上部,下部较少;但是当能量配比系数降低至3.1时,气孔的分布趋于均匀,下部气孔数量增加显著,且工艺气孔的数量也有所增加。结果表明,提高激光功率的能量占比有利于降低气孔率。

基于航空航天领域减重的需求，铝锂合金激光焊接越来越受到国内学者的广泛关注。对2 mm厚2060-T8铝锂合金进行激光平板对接焊和焊缝微观组织形貌分析，并通过熔池流动机制解释铝锂合金熔焊焊缝边缘等轴细晶区(EQZ)的形成机理。分析认为，激光热作用及熔池对流的影响导致焊缝边缘不同区域异质形核质点的数量与分布有所不同，使上部EQZ宽度较窄，“腰部”EQZ宽度相对较大。此外，根据熔池流动机制，在焊缝边缘上部及“腰部”的部分形核质点会沿上熔合线切线方向被带入熔池，并在此基础上形核长大形成一条延伸至焊缝内部的等轴晶带。

以 2 mm厚 6056铝合金为试验材料, 采用激光双侧填丝焊接方法进行铝合金 T型接头焊接工艺试验, 主要研究了光束入射角度、光束入射位置、送丝速度与焊接速度等工艺参数对焊缝成形的影响; 分析了 T型接头焊缝的显微组织特征与拉伸性能。试验结果表明: 光束入射角度过大时, 两侧焊缝重合面积较小且蒙皮热变形较大; 当光束入射位置偏移立筋 0.2～0.3 mm时可以显著改善蒙皮背部的热变形。焊缝中心组织与两侧无明显差别, 均为细小的等轴晶。焊缝熔深是 T型接头拉伸载荷的重要影响因素, 接头起裂于蒙皮焊趾处, 断裂于焊缝与母材金属之间的熔合区。