为解决高强铝合金激光增材制造过程中存在的孔洞缺陷、组织不均、晶粒粗大等难题，在摆动激光熔丝沉积的基础上引入超声能场是可行的抑制措施。搭建了超声辅助摆动激光熔丝增材制造试验平台，探究了超声功率、变幅杆压力、变幅杆输入位置对2319铝合金沉积层形貌和显微组织的影响规律并对超声工艺参数进行了优化。结果表明：变幅杆压力对沉积宏观形貌具有显著影响，随着压力的增大熔池横截面形貌逐渐趋于上宽下窄；超声参数对单道沉积层的晶粒尺寸有着明显影响，随着超声功率的增加晶粒尺寸先减小后增大，当超声功率占比（超声波发生器的输出功率占其最大输出功率的百分比）为40%时晶粒尺寸达到最小值70.9 μm。超声输入位置在熔池之后时晶粒细化效果更好，且在-10 mm处晶粒尺寸同组最低，只有80.9 μm。当变幅杆压力处于40~100 N范围内时晶粒的细化效果比较明显，晶粒尺寸在110~130 μm之间。观察多层沉积结果可知，超声的引入使得多层样品的平均晶粒尺寸降低了66.3%、增加了Al₂Cu强化相的含量并且抑制了Al的滑移面生长趋势。超声在熔池中传递所产生的声流效应和空化效应是使沉积层成分均匀、缺陷减少和组织细化的主要原因。

焊缝跟踪是实现自动化焊接的关键，针对激光焊接下的近无间隙焊缝轨迹，提出了基于线阵相机和特征识别算法的焊缝追踪方法。通过线阵相机获取工件表面图像，使用均值滤波对图像进行降噪处理。通过分析图像的灰度值、图像灰度值变化、图像的灰度值梯度、焊缝区域宽度识别焊缝轨迹，实现了无间隙焊缝的识别和跟踪。通过焊接试验测试得到基于线阵相机的焊缝识别方法误差小于0.05 mm。通过对不同间隙的焊缝进行焊缝追踪试验证明了该方法对于间隙小于0.3 mm的焊缝具有良好的识别效果。

采用激光-氩弧电弧复合焊接方法对核级高硅含钛奥氏体不锈钢的包壳材料进行对接焊接,通过正交试验研究焊接工艺参数对焊缝气孔率的影响,并对焊缝的显微组织及接头的力学性能进行分析。试验结果表明,提高焊速和离焦量可以明显降低气孔的数量和尺寸,在优化的焊接工艺参数条件下可以获得成形良好和无气孔缺陷的焊缝;焊缝区组织为单一奥氏体相,焊缝区中心为粗大的柱状晶,熔合线附近焊缝区的晶粒尺寸减小,并存在细小的胞状晶和等轴晶;热影响区组织与母材基本相同,但其晶粒尺寸略大于母材;焊接接头的平均抗拉强度为607 MPa,约为母材抗拉强度的73%,平均断后延伸率为6.5%;拉伸断口处存在大量的撕裂棱和韧窝,其为典型的韧性断裂;焊缝区域的硬度在160 HV_0.1左右,约为母材硬度的60%;180°的面弯和背弯结果合格,接头性能满足核反应堆中核燃料组件对包壳材料的技术要求。

采用光纤激光-冷金属过渡电弧(CMT)复合焊接工艺对6 mm厚A7204P-T4铝合金进行对接焊接,焊前在对接界面处预置不同尺寸的铌箔(焊缝中铌的质量分数为0.74%和1.36%),采用优化的焊接参数得到了成形良好的焊接接头。研究了铌含量对复合焊接接头微观组织和力学性能的影响,并分析了焊接接头的拉伸断裂机理和断口形貌。试验结果表明:未添加铌的焊缝组织主要由细晶区、柱状晶区和等轴树枝晶区组成;加入铌箔后,铌溶质偏析和含铌析出相的异相形核使得焊缝晶粒明显细化,柱状晶与树枝晶组织基本消失;加入质量分数为0.74%的铌后,焊缝熔合区和焊缝中心区的平均晶粒尺寸分别减小了57.9%和55%;不含铌以及铌质量分数分别为0.74%和1.36%的焊接接头的平均抗拉强度分别为325,334.5,328 MPa;铌质量分数为0.74%的焊接接头的断后延伸率为6%,与未加铌的相比,提高了约71%;三种试样的拉伸断口均以韧窝为为主,并伴随有明显的撕裂棱,表现出微孔聚集型断裂特征。

采用摆动光纤激光-CMT电弧复合焊接方式对高速列车用带锁底6A01-T5铝合金型材进行焊接工艺试验。采用优化的焊接参数得到了表面成形均匀、外观无缺陷的良好接头,并对接头进行了气孔分布特征、显微组织和力学性能试验。研究结果表明:摆动激光复合焊缝成形优良,内部横、纵截面上气孔率的平均值分别为0.63%、0.06%,且以形状规则、直径小于50.0 μm的圆形气孔为主,与光束不摆动时相比,焊缝内的工艺性气孔得到了明显抑制;焊缝中心为树枝晶组织,二次枝晶明显弱化;焊缝区和热影响区的硬度值低于母材,为软化区;复合焊接接头的极限疲劳强度为105.0 MPa,抗拉强度平均值为223.19 MPa,抗拉强度达到了母材的84.22%;接头拉伸断口呈韧窝状,具有典型的韧性断裂特征。

采用光纤激光-冷金属过渡(CMT)焊、光纤激光-变极性钨极惰性气体保护(VPTIG)焊、光纤激光-熔化极惰性气体保护(MIG)焊三种复合焊接方法对带锁底结构的6106-T6铝合金型材进行焊接。采用优化后的焊接工艺参数,焊后得到了成形良好、无明显缺陷的复合焊接接头,研究了接头的显微组织、拉伸性能和疲劳性能,并分析了疲劳断裂机理及断口形貌。结果表明:激光-CMT和激光-VPTIG复合焊接接头中心由上至下等轴晶尺寸逐渐减小,激光-MIG复合焊接接头焊缝中心的晶粒较粗大,且上下部分等轴晶的尺寸变化不大;激光-CMT、激光-VPTIG、激光-MIG三种复合焊接接头的抗拉强度分别为213.0,198.0, 200.0 MPa,较母材均存在一定程度的强度损失,疲劳极限分别为105.00,100.83,113.50 MPa;疲劳断裂位置均在焊缝熔合线处的柱状晶区,断口均呈韧窝状,为典型的韧性断裂。

采用光纤激光-CMT复合焊接工艺对6 mm厚5454-H24/6106-T6铝合金型材进行对接焊试验。经工艺参数优化后, 得到成形良好的焊接接头,在此基础上分别进行了1次、2次和3次补焊, 对比分析了多次补焊后接头的显微组织和力学性能, 并评估了接头的热裂纹敏感性。结果表明, 所得到对接接头和3次补焊接头的焊缝横截面均为典型的“Y”型, 随着补焊次数增多, 熔宽增大, 相应的热影响区(Heat affected zone, HAZ)范围也越宽, 焊缝区显微组织晶粒变大, 气孔倾向有所增加。复合焊接接头的抗拉强度和屈服强度都有所降低, 焊接接头均于焊缝处断裂。补焊后, 6106侧热影响区显微硬度有所下降, 而5454侧热影响区未出现明显降低。补焊后, 热裂纹敏感性升高, 在控制好工艺和降低焊接缺陷的情况下, 可以进行三次补焊。

采用中间过渡层的新方法研究了黄铜焊接气孔的控制,对比分析了以紫铜为中间层的黄铜激光焊接和常规激光焊接获得的焊缝的气孔率,结果表明:在中间层条件下,焊缝表面和内部的气孔率均大幅降低;随着焊接速率增大,气孔率逐渐减小,当焊接速率为2.2 mm/s时,气孔率几乎为零;当焊接参数相同时,中间层条件下的焊缝气孔率仅为常规激光焊接的1/3,焊接接头的力学性能优于常规激光焊接。在焊缝成形良好的前提下,验证了采用紫铜为中间层的焊接方法控制黄铜激光焊接气孔缺陷的有效性。

利用光纤激光-MAG复合焊工艺焊接了14 mm厚的EH36高强钢, 研究了激光功率、焊接速度和焊接电流对焊缝成形的影响, 并分析了优化工艺下焊接接头的组织和性能。结果表明, 随着激光功率的增大, 焊缝的熔深增大, 熔宽基本不变; 随着焊接速率的增大, 焊缝的熔宽减小; 随着焊接电流的增大, 焊缝的熔宽基本不变。最佳焊接工艺下得到的焊缝成形良好且无焊接缺陷存在; 焊缝及热影响区的组织主要由板条马氏体组成; 焊缝金属的硬度大于母材的; 拉伸试样断裂位置在母材; 焊缝横向侧弯试验后, 拉伸面没有出现裂纹; 焊缝冲击试样断面为准解理断口形貌。

基于光纤激光-变极性钨极稀有气体保护电弧焊(VPTIG)复合焊技术，利用不同填充焊丝对A7204铝合金进行了焊接，分析了复合焊接接头的显微组织与力学性能，并研究了接头的软化行为及机制。结果表明，ER5087填充焊丝条件下的焊缝上部铸态组织最细小；自然时效90天后，三种填充焊丝条件下的接头力学性能相近，拉伸试样基本断裂于近母材侧的热影响区；三种填充焊丝条件的焊接接头在距熔合线1.6~2 mm处的热影响区硬度最高，而在距焊缝中心3~7 mm处的热影响区有明显的软化带；焊接热影响区存在明显的时效硬化区和再结晶软化区，且自然时效对热影响区软化具有明显影响。