研究了激光功率正弦调制对AZ31镁合金焊缝熔深和工艺气孔的影响。保持激光功率恒定在1500 W，将焊接速度从3.0 m/min逐步增加到4.0 m/min，观察了匙孔周期性开闭行为，分析了不同反射次数对高反射材料匙孔能量分布的影响规律。在不同焊接速度下采用激光功率正弦调制，调制幅度为500 W，调制频率从50 Hz逐步增加至200 Hz，统计了焊缝熔深和工艺气孔率的变化趋势。试验结果表明：对于高反射材料，激光功率调制效果与匙孔内光束反射次数有关，反射次数较多的匙孔具有较大深宽比，匙孔底部累积能量高，深度变化滞后于激光功率变化，激光功率调制有助于增加熔深。激光功率正弦调制不利于镁合金匙孔稳定，50 Hz低频调制显著增加工艺气孔，调制频率为150 Hz时激光功率正弦调制对匙孔稳定性的影响较小。

熔池的几何特征参数,会在激光焊接过程中反映出焊接质量。激光焊接视觉系统可对熔池几何特征参数进行实时获取,对焊接质量监控及实现焊接自动化非常重要。健全了高功率光纤激光器深熔焊过程检测视觉系统,系统性分析图像处理算法,对熔池图片边缘进行有效提取,避免发生较大的干扰,实现熔池几何特征参数的准确在线测量。提出了一种运用熔池先验信息的闭凸活动轮廓模型的方法,不仅能够准确实现熔池几何特征参数的在线测量,同时有更好的灵活性和适应性。与气球模型算法测量误差比较,闭凸活动轮廓模型测量结果稳定,最大误差低于13.15%,而气球模型测量误差高于132.92%,说明该方法具有良好的去除干扰的效果。该算法速度较快,能够在线准确监测熔池几何特征参数。

采用高功率光纤激光对铜铪合金和低碳钢进行焊接,基于熔池快速凝固保留小孔法对比研究了小孔的形貌特征。结果表明:两种材料中均可保留小孔,孔口直径明显比光斑直径大;在铜铪合金中,孔口形貌呈现为大小圆环相交的“葫芦”状,位于焊接前方的小圆环直径与光斑直径相当,大圆环的直径在毫米量级;在低碳钢中可保留小孔的激光出光时间极短,其熔池凝固时间较长,且仅保留了小孔的大圆环区域。进一步的分析表明,焊接过程中的孔口形貌可分为激光直接作用区(直径与光斑直径相当)和蒸气压力维持区(直径在毫米量级);在数值模拟中构建激光焊接热源模型时应参考小孔的形貌特征。

为研究小孔的形成过程,在光纤激光平板扫描焊接低碳钢中,采用调制激光出光时间的方式进行实验。结果表明:小孔的形成过程极为迅速,完整的形成时间在ms量级。低速焊接时,小孔的形成过程包括急速增加、缓慢增加和基本稳定不变三个阶段。高速焊接时,小孔的形成过程仅有急速增加过程。进一步实验结果表明:小孔的形成时间不超过激光焊接特征时间,且激光焊接特征时间随焊接速度的增加而减小,这是高速焊接时小孔仅有快速形成过程的原因。

第三代核电技术中, 堆内核心构件堆芯围筒的焊接制造技术是一个急需攻克的难题, 由于工件尺寸大, 尺寸精度要求高, 需探索采用万瓦级激光焊接一次成形技术, 此前这类产品的激光单道焊接在国内外尚无成功的案例。对万瓦级光纤激光深熔焊接厚板焊接缺陷的抑制方法进行了研究。结果表明, 离焦量是万瓦级光纤激光深熔焊接厚板过程中一个关键工艺参数。负离焦时, 匹配优化离焦量和焊接速度可以有效抑制缺陷获得成形良好的全熔透焊缝; 背保护气体不仅改善了焊缝下表面成形, 同时改善了焊缝上表面成形使整个焊缝截面呈“I”型; 侧吹气体射流辅助激光深熔焊接, 可以较好抑制钉子头焊缝和上表面飞溅的产生; 采用横焊焊接方位时, 可以有效抑制焊缝塌陷与底部驼峰的产生。成功实现了15 kW 光纤激光单面自熔焊接双面成形18 mm厚不锈钢, 并实际应用于焊接生产堆芯围筒。

考虑熔池蒸气反冲压力、表面张力、热浮力等力学因素和熔池内、外部的对流、辐射等热学过程，采用沿深度方向衰减的旋转高斯体热源简化熔池对激光的吸收，采用流体体积法追踪气/液界面，采用液相体积分数法和焓-孔隙度法分别处理熔化凝固潜热及液-固糊状区的动量损失，建立了激光深熔焊接熔池的三维瞬态模型。运用该数学模型获得了不锈钢激光深熔焊接过程中熔池及小孔温度场和流场的瞬态变化。计算表明，熔池最高温度呈现线性增长、趋于平稳和小幅振荡三个阶段；小孔在焊接过程中呈现前倾和后倾两种姿态，且存在周期性振荡行为。计算得到的熔池形状和焊缝横截面的试验结果基本吻合，小孔振荡行为也从相关文献的实验结果中得到了验证。

激光深熔焊接过程的稳定性与焊接时的金属蒸气动力学行为密切相关。采取特殊试验方法对高功率激光深熔焊接小孔内喷出的金属蒸气流力学特性进行研究, 观察分析了在金属蒸气流的推动作用下自由下落金属球的速度变化以及从小孔飞出的飞溅熔滴速度大小。结果得出, 激光深熔焊接过程中激光功率越大、离小孔开口处距离越小, 由小孔喷出的金属蒸气流的推力越大; 相同激光功率焊接时, 飞出小孔的飞溅具有的速度和动能远大于金属蒸气推动金属球获得的速度和动能增量, 揭示了飞溅在飞出小孔前已经获得较大动能。由此得出, 相比于小孔内高压蒸气流和流动的焊接熔池熔液的动力学作用, 从小孔喷出后的金属蒸气流的推动作用甚微。

为了实现车用铝/钢异种金属良好连接, 采用光纤激光对车用铝合金与镀锌钢对接接头进行了激光深熔填丝钎焊工艺试验, 并对焊缝接头的成形、界面金属间化合物层, 以及力学性能进行了分析。结果表明, 铝合金一侧是激光深熔焊接接头, 而镀锌钢一侧是钎焊接头; 在镀锌钢与钎焊缝中间界面存在金属间化合物层, 厚度小于10μm; 金属间化合物主要为Al7.2Fe2Si和(Al,Si)13Fe4; 拉伸试样主要断裂于铝合金热影响区处, 平均抗拉强度为145MPa; 接头的断裂方式主要是韧窝断裂。

利用Nd:YAG脉冲激光作为焊接热源，对殷钢材料Invar36进行了对焊实验，分析了工艺参数(激光功率、焊接速度、脉冲宽度和离焦量)变化对焊缝的表面形貌、熔宽以及熔透性的影响。对2 mm厚度的殷钢对焊接头的硬度变化进行了检测，同时对比分析了焊缝和基体的金相组织。结果表明,激光功率和脉宽是影响焊缝熔深、熔宽和热影响区大小的主要因素，激光焊接速度的选择范围相对较小，离焦量主要影响焊缝的宽度和熔透性，焊缝的组织成分没有发生明显变化，显微硬度略低于基体，焊缝处的金相组织为奥氏体柱状晶,并且呈现奥氏体晶粒粗化现象。

通过对小孔同轴视觉图像的处理提取出小孔径向尺寸,研究了小孔径向尺寸随焊接规范参量变化的动特性。研究结果表明,小孔径向尺寸在工件未焊透时随激光功率的增大而增大,在焊透时小孔径向尺寸随激光功率的变化较小;随着焊接速度的增加,小孔的径向宽度逐渐减小,而其长度有一个先减小后增大再减小的波动过程;离焦量在一定的范围内,在足够高的激光能量密度下,激光辐照范围的增大使得小孔径向尺寸与激光光斑同步变化。