7系铝合金以其优异的强度被广泛应用于航空航天、轨道交通等领域，但其在焊接时易产生缺陷且焊接接头力学性能下降严重。笔者通过添加Ti金属中间层，采用激光光束摆动焊接技术制备了7075铝合金接头，并对接头的显微组织和力学性能进行了系统研究。焊缝区域主要为α-Al相。Ti金属中间层在焊缝中反应生成了TiAl₃相，细小且弥散的TiAl₃相成为Al晶粒异质形核的基底，促进了晶粒细化。添加Ti中间层后，焊缝区域的组织为细小的等轴晶。添加的Ti中间层的厚度为0.03 mm时，焊缝等轴晶区晶粒的平均等效圆直径为3.34 μm，晶粒面积加权平均值为母材晶粒的1.7%，接头的平均抗拉强度最大，为（377.8±6.1）MPa，达到了母材强度的69%。添加0.02 mm厚Ti中间层时，接头断裂位置在熔合区和热影响区晶粒的晶界处；添加0.03 mm厚Ti中间层时，断裂位置在焊缝两侧的细等轴晶区；添加0.04 mm厚Ti中间层时，断裂位置在焊缝中部的Ti元素聚集区。

本文研究了18 mm厚316L不锈钢激光切割重铸层宏微观成形特征，基于扫描电镜和电子背散射衍射仪，分析了重铸层表面和截面晶粒的形态和尺寸。结果表明：重铸层表面的Fe元素少量蒸发，从上部到下部重铸层表面由紊流向层流转变，厚度逐渐增大，组织呈现为分层的针状晶形态；对于晶体取向，切缝顶部晶粒的外延生长比例低于底部，前者生长方向的随机分布由熔体紊流引起，后者的外延生长由熔体层流引起；母材中的γ相为等轴晶形态，δ相呈带状分布；重铸层中γ相的晶粒形态不规则，粗化至母材的2倍左右，而δ相则弥散分布，细化至母材中δ相尺寸的1/6~1/2；组织转变的原因是激光切割过程中极大的温度梯度大幅缩短了δ相形成温度的持续时间，同时，熔体扰动促使δ相弥散分布。

采用高功率光纤激光对20 mm厚Q345碳钢进行激光切割的工艺探究并观察切割后的重铸层和热影响区的微观组织。采用多组单因素实验, 对比研究了激光功率、切割速度、辅助气体压力、离焦量对切割质量的影响规律, 最佳工艺参数为激光功率8 kW、切割速度0.6 m/min、离焦量+10 mm、氧气辅助压力140 kPa、喷嘴直径1.4 mm、切割高度0.5 mm。通过SEM观察了切割后碳钢样品横截面的微观形貌, 发现了重铸层及热影响区与基材之间微观组织形态与尺寸的差异, 并分析了重铸层及热影响区微观组织的形成机理。研究成果有助于超高功率光纤激光切割技术在中厚钢板切割领域应用的推广。

采用万瓦级光纤激光对10 mm厚2A12铝合金开展了激光切割工艺实验, 系统研究了切割速度、辅助气压、离焦量、喷嘴直径、喷嘴高度等参数对切割质量的影响。研究过程中以切面条纹形貌和底部挂渣高度作为依据评价切割质量。首先通过单因素实验, 确定了离焦量、喷嘴直径、喷嘴高度的最佳参数区间; 然后进行全因子实验, 结果表明特定辅助气压下存在可获得良好切割质量的切割速度区间, 在一定程度内增大辅助气压将提高该速度区间。针对10 mm厚铝合金激光切割, 得出最佳工艺参数为: 激光功率9 kW、切割速度1 750 mm/min、辅助气压20 Bar、喷嘴直径3.0 mm、喷嘴高度0.8 mm、离焦量-7 mm。通过对激光切割断面的重铸层分析表明, 析出相在晶界处连续分布及晶内弥散分布, 将对位错运动产生较强的阻碍作用, 一定程度上提高切割表面抗裂纹萌生能力。

研究了外加纵向恒定磁场对10 mm厚SUS316L奥氏体不锈钢窄间隙激光-MIG多层焊接接头成形、奥氏体和铁素体微观组织以及疲劳裂纹扩展的影响。结果表明:在磁场作用下,接头上部复合焊接层的熔深减小,熔宽增大,下部复合焊接层的对称性提高,但上、下部焊接层的面积和层间重熔面积无明显变化;磁场的加入导致了不同的熔合线形状,改变了熔合线附近组织的生长方向,改善了熔合线附近母材的热循环,减小了焊接热影响区的宽度并抑制了晶粒的粗化;磁场可以促进层间胞状晶向树枝晶转变,改变铁素体枝晶的形态,细化层间和层内奥氏体组织;焊缝组织细化可以增大层间组织疲劳裂纹扩展的阻力,降低接头的裂纹敏感性。

通过大量实验获得SUS201不锈钢高功率激光焊接完全熔透、大离焦、高速三种工况下典型接头形貌。利用GG17玻璃与SUS201不锈钢板拼合, 结合高速摄像机, 搭建了观测平台, 实现了对焊缝熔池小孔的直接观察。通过对三种工况下匙孔的动态观察, 发现熔池匙孔形态与焊缝形态高度相关。完全熔透工况下匙孔最为稳定, 为中厚板高功率激光焊接过程中较为难得的“准稳态”工况。拉伸测试表明该工况下焊缝力学性能最为优异。

利用高速电耦合器件与发光二极管光源实时获取激光清洗后铝合金的表面图像,设计了铝合金表面氧化膜激光清洗机器视觉在线检测系统,提出了针对激光清洗过程的动态阈值快速定位耦合算法。所提算法解决了激光高速清洗过程中表面光照不均的问题,实现了激光清洗过程中清洗合格区域与不合格区域的准确分割及快速定位。所设计的在线检测系统能够实时检测铝合金表面氧化膜的清洗质量,缩短了检测时间,提高了检测准确度,可以保障整体的清洗质量。

采用光纤激光对2 mm厚T2紫铜板和SUS304不锈钢板进行焊接, 研究了激光偏角、离焦量以及焊接速度对焊缝成形的影响规律。结果表明, 激光偏角为正,离焦量为正以及合适的焊接速度下可以获得焊缝成形良好的接头。研究还发现, 在熔池的流动搅拌作用下, Fe元素呈杂乱状卷入焊缝中, 弥散分布或聚集呈块状或条状分布在焊缝中, 铜和钢导热系数的巨大差异导致焊缝两侧的成形过程不同。

为了解决镀锌钢板在激光焊接过程中由锌蒸气引发的焊接缺陷问题, 在小孔上方施加平吹辅助气流, 以维持小孔持续稳定张开并形成稳定的锌蒸气逸出通道; 研究了平吹气流量对镀锌钢板零间隙激光搭接焊缝成形质量及力学性能的影响, 通过焊接过程的实时监测和数值模拟分析了平吹气流对锌蒸气有效逸出的作用机理。结果表明, 对厚度为1 mm的DP590镀锌钢板进行零间隙激光搭接焊时, 平吹辅助气流能有效促进锌蒸气的逸出, 从而获得表面质量和力学性能较好的搭接接头。

采用波长为1 080 nm的光纤激光, 对厚度为0.3 mm的304不锈钢超薄板进行连续激光搭接焊。在6 m/min, 0离焦下, 600 W可以焊透; 超薄板焊接速度可以达到10 m/min以上而不会产生驼峰等缺陷。同时, 进行了焊缝显微组织的研究。当热输入量较小时, 冷却速度较大, 焊缝为全奥氏体; 当热输入量变大后, 焊缝中会夹杂有少量的铁素体。焊缝组织表现为一种“斑块”块状组织, 柱状晶不明显, 柱状晶由不规则的“斑块”状组织代替, “斑块”由焊缝边缘向中间生长并在焊缝中心交汇, 焊缝中心并无等轴晶的形成。区域硬度由高到低依次为母材、热影响区、焊缝, 且热影响区为应力薄弱区。扫描电镜显示拉伸断口形貌为韧性断裂, 接头抗拉强度为620 MPa。