采用激光自熔焊接技术对1 mm厚的304不锈钢圆管进行纵缝对接焊接试验。基于两因素和四水平的控制变量试验，通过光学显微镜、X射线荧光衍射仪和扫描电镜等分析设备获取焊接接头微观测试结果，并以表面成形、显微硬度为指标，获得激光功率为3.5 kW、焊接速度为30 mm/s、离焦量为+2 mm的最佳焊接工艺参数。研究结果显示: 焊缝中心由细小等轴晶奥氏体和树枝状铁素体组成，在焊缝边缘处存在细小的柱状树枝晶区域，这些柱状晶沿着垂直于熔合线的方向生长，且尺寸与焊接热输入成正比。最优工艺参数下热影响区显微硬度达到221 HV，焊缝的显微硬度为214 HV，不同焊接接头对应区域内的显微硬度值与热输入呈负相关性。

采用激光焊接工艺制造了铝锂合金机身壁板焊接结构件, 对试验件开展了裂纹扩展试验, 并对激光焊接接头组织和疲劳断口形貌进行了分析, 同时研究了凸台特征和不同焊接速度对焊接结构件裂纹扩展特性的影响。研究结果表明: 凸台结构对焊接结构件的裂纹扩展寿命影响明显, 随着凸台宽度尺寸的增加, 裂纹扩展寿命增大, 焊接结构件的抗裂纹扩展能力提高; 焊接结构件的裂纹扩展寿命随焊接速度的增大先增后减, 在一定焊接条件下, 焊接速度为0.10 m/s时, 焊接结构件的抗裂纹扩展能力最高。

对3.0 mm厚BTi6431S高温钛合金进行光纤激光焊接,从焊缝成形、气孔和金属蒸气/等离子体特征等方面研究了焊接工艺参数对焊缝成形质量及焊接过程稳定性的影响。结果表明,激光功率对焊缝熔宽、余高、咬边和气孔率均有影响;焊接速度主要影响焊缝熔宽和背宽比。焊接工艺对焊缝成形质量的影响与金属蒸气/等离子体特征与稳定性密切相关。较低激光功率(1.5~2.5 kW)或较高焊接速度(3.5~4.5 m/min)下,金属蒸气/等离子体面积及面积波动均较大,焊缝未熔透且气孔率高;中等激光功率(3.0~3.5 kW)和焊接速度匹配(2.5 m/min)下,金属蒸气/等离子体面积及周期波动均较小,焊缝全熔透,成形质量好。

气孔缺陷是铝合金T型接头双侧激光焊接面临的主要问题, 基于其工艺特点, 文中系统研究了表面处理状态、光束入射角度、焊接速度、热输入和光束间距对气孔缺陷的影响规律。研究结果表明: 铝合金表面保留一定厚度的纯铝包覆层才能最大程度地降低气孔缺陷; 采用较大的光束入射角度和较高的焊接速度可以有效降低气孔缺陷, 主要原因是小孔上方金属流动趋势由对流变为流向小孔内部更有利于气泡的逃逸; 降低焊接热输入和增加光束间距均不利于降低气孔缺陷, 造成小孔形状和贯通性改变并引起熔池流动行为的改变是其本质原因, 保证双侧小孔对称和贯通才能利于气泡逸出并降低气孔缺陷。

采用高功率碟片激光器焊接8 mm厚TC4钛合金, 研究了激光焊接接头的显微组织和力学性能。结果表明, 焊缝组织为晶界明显的粗大原始β柱状晶, 晶内为针状马氏体, 随着激光功率的增加, 马氏体分布更加密集; 近焊缝侧的热影响区组织为残余α相＋针状马氏体, 近母材侧的热影响区只发生α相向β相转变。焊接接头的显微硬度从母材到焊缝呈增加趋势, 至焊缝处达到最高, 不同功率下的焊缝显微硬度相当; 8 mm厚 TC4钛合金在速度为2.7 m/min, 7.3～7.9 kW高功率工艺参数下可获得质量良好的焊缝, 焊接接头的抗拉强度、延伸率与母材相当, 断裂在母材; 在速度为2.7 m/min, 7.0 kW低功率工艺参数下, 焊缝有气孔倾向, 焊接接头的延伸率只有母材的24%, 断裂在焊缝。断在母材和焊缝的断口都呈韧窝形貌, 断在焊缝的断口韧窝数目更少。

分别采用激光焊接(LBW)和熔化极活性气体保护焊(MAG), 焊接板厚为10 mm的14MnMoNbB低合金高强钢对接接头, 并对两种焊接接头的显微组织及力学性能进行了对比分析研究。研究结果表明, 两种焊接方法在优化焊接工艺条件下都实现了全熔透焊, 且得到了正反表面成型良好, 无裂纹、气孔等宏观缺陷的焊接接头; 激光焊接焊缝显微组织主要为板条马氏体, 热影响区为由细小的板条马氏体淬火区和铁素体加贝氏体组成的二次回火区组织, 而MAG焊缝主要为细小的针状铁素体组织, 热影响区主要由粗大的板条马氏体组成, 两种接头热影响区晶粒尺寸都沿熔合线到母材方向逐渐减小, 但LBW接头的平均晶粒尺寸明显小于MAG焊接; 激光焊接接头焊缝处显微硬度明显高于母材, 无接头软化现象, 而MAG焊接头焊缝处显微硬度低于母材, 且热影响区硬度高于母材; 激光焊接接头拉伸强度与母材相当, 试样断裂位置位于远离焊缝的母材, 而MAG焊接接头拉伸强度略低于母材, 断裂于焊缝区; 两种焊接接头都有良好的冲击性能, 但激光焊接接头的冲击性能要略优于MAG焊。

以普通玻璃与可伐合金为实验材料, 利用先进制造技术激光透射焊接工艺对两者进行连接, 采用拉伸试验机、扫描电镜研究了焊接接头的微观结构和力学性能; 讨论玻璃与可伐合金激光连接机理。结果表明, 随着激光功率工艺参数的调节, 拉断力从9.7 N增加到62.8 N, 针对封接试样断裂失效、裂纹等问题, 发现焊接接头断口形貌对力学性能有很大的影响; 焊接接头微观形貌明显观察到新物质的形成。通过能谱分析得出连接两种材料的主要物质为铁硅化合物, 中间物质决定了两种材料的激光封接性。

分别采用气体保护焊(GMAW)和激光焊(LBW)焊接板厚为2.8 mm的Q345低合金高强钢对接接头，并测量了对接接头的面外变形。基于Abaqus软件平台，开发了同时考虑材料非线性与几何非线性的热-弹-塑性有限元算法。利用开发的算法计算了GMAW和LBW两种焊接方法的焊接温度场、焊接变形和残余应力。模拟温度场时，采用等密度椭球热源模拟GMAW的热输入，分别采用高斯分布锥形体热源、由等密度半椭球热源与锥形体热源组成的复合热源模拟LBW的热输入。数值模拟结果和试验结果表明，焊接2.8 mm厚的Q345钢板对接接头时，LBW产生的面外焊接变形明显小于GMAW；LBW在焊缝附近产生的纵向高拉伸应力区域范围明显小于GMAW，且两者的纵向与横向残余应力分布形态也有较大差异。此外，模拟激光焊时，虽然高斯分布锥形体热源与复合热源模型在板厚方向的热流密度分布不同，但两者产生的焊接变形差异很小，焊接残余应力分布也基本一致。数值模拟结果对两种激光热源模型并不十分敏感。

采用双侧同步填丝激光焊接的方法获得Ti-6Al-4V 合金T 型接头，研究激光焊接参数对焊接缺陷如未熔合、气孔等的影响。试验结果表明：未熔合缺陷的产生由激光功率、焊接速度、激光入射角度及入射位置等参数所决定，足够大的焊接热输入(较高的激光功率，较小的焊接速度)，较小的激光入射角度以及较高的激光辐照位置可以避免出现未熔合缺陷。激光功率一定时，出现未熔合缺陷的焊缝在焊接过程中，熔池上方等离子体/金属蒸气喷发量多于无此类缺陷的焊缝。不同焊接参数下T 型接头焊缝中的气孔缺陷具有典型的小孔型气孔特征，激光功率一定的情况下，较高的焊接速度有利于减少此类气孔。

针对大型飞机高强铝合金壁板激光焊接T 型接头结构的角变形缺陷，提出了一种在蒙皮背部添加辅助热源的方法，有效地控制了角变形的产生。并基于有限元软件ABAQUS，开发了一种适用于这种焊接方法的焊接模型，同时考虑材料非线性、几何非线性和移动热源的热-弹-塑性有限元计算方法来模拟焊接过程中的热-力学耦合行为，分析焊接过程中的温度场、残余应力和焊接变形。同时，采用实验方法测量了加入辅助热源前后焊接接头的变形。结果表明，数值计算所得到的挠曲变形、角变形与实验测量结果十分吻合，验证了所开发的有限元计算方法的有效性。