采用窄间隙摆动激光填丝焊实现了环形工件焊缝成形，被焊工件为22 mm厚Q355B钢管与35钢环形铸件，采用1道自熔打底焊和6道填丝焊完成焊接，然后通过拉伸、弯曲、冲击性能及显微硬度评定了接头的力学性能。结果表明：35钢/Q355B钢焊接接头表面成形良好，表面无咬边、焊瘤，侧壁、层间无气孔及未熔合现象；35钢侧热影响区由残余奥氏体、铁素体、少量马氏体和魏氏体组成，Q355B钢侧热影响区由板条马氏体、少量粒状贝氏体和铁素体组成，焊缝区主要由珠光体、粒状贝氏体、针状铁素体和回火马氏体组成；拉伸试样均断裂在母材处，冲击性能符合相关标准，试样弯曲后表面未产生明显裂纹，说明焊接接头的力学性能良好；通过改变焊接参数可以降低热影响区的硬度。

研究了外加激光和磁场对10 mm厚SUS316L奥氏体不锈钢窄间隙弧焊的影响。结果表明, 窄间隙弧焊的电弧在窄间隙中难以稳定存在, 无法对坡口底部尖角进行加热。在合适的激光功率下, 窄间隙中的电弧能够稳定燃烧; 但过大的激光参数会使电弧上移, 也无法对坡口底部尖角进行加热。在恒定磁场的作用下, 窄间隙中的电弧向一侧偏摆, 超出窄间隙范围, 另一侧则无法填满窄间隙。随着磁场强度的增加, 此种不对称现象更明显。在交变磁场的作用下, 电弧的左右偏摆交替出现, 形态与恒定磁场的作用几乎一致。在激光的作用下, 光致等离子体使电弧在小孔处聚集和稳定燃烧; 加入磁场后, 带电粒子发生旋转, 而其在电弧中的不均匀分布使电弧在左侧或右侧聚集。因此, 磁场方向的改变使电弧在左右两侧交替偏摆。

研究0 mT和18 mT纵向磁场作用下316L奥氏体不锈钢接头的微观组织, 主要分析了熔合线、柱状区和中心区奥氏体相和铁素体相的形态和织构变化。当磁场强度由0 mT变为18 mT时, 上部复合焊接层由“T字形”变为“三角形”, 这种变化使热量传递方向不易在热影响区汇聚, 提升了固液前沿的温度梯度; 在熔合线处, 磁场的加入使δ相的生长方向由［1 0 0］转变为［2 0 3］, 偏离熔合线的法向(［1 0 0］), 晶体织构由(0 1 6)［21 0］转变为(2 3 3)［32 0］, 但温度梯度的上升使［1 0 0］晶体方向分布的集中程度上升; 在焊缝的柱状区位置, 磁场的加入使δ相的生长方向由［1 0 0］转变为［2 1 2］, 偏离理论温度梯度方向(［1 0 0］), 晶体织构由(0 3 1)［91 3］转变为(3 10 2)［21 2］, 同时δ相与γ相之间的特殊取向关系增多。在焊缝的中心区位置, 磁场的加入使δ相的生长方向由［1 0 5］转变为［1 0 3］, 逐渐偏离理论温度梯度方向(［0 0 1］), 晶体织构由(1 0 0)［01 5］转变为(1 0 0)［0 3 1］, 同时δ相与γ相之间的特殊取向关系减小。

采用窄间隙激光填丝焊接的方式对低合金高强钢D36进行对接，实现了良好的多层多道厚板焊接，焊后无裂纹、无气孔等缺陷。通过拉伸、弯曲试验，以及显微硬度测试、显微组织观察等分析手段对焊接接头的微观组织和力学性能进行了分析和表征。结果表明：热影响区粗晶区组织由大量板条状马氏体组成，细晶区组织由晶粒细小的珠光体和铁素体组成；焊缝中心组织为先共析铁素体+针状铁素体+粒状贝氏体。填丝焊道硬度从大到小依次为热影响区、焊缝中心、母材；钝边自熔打底焊接硬度从大到小依次为焊缝中心、热影响区、母材；焊接接头拉伸试样均断裂在母材位置，断口与受力方向成45°夹角，并出现明显颈缩现象，这属于典型韧性断裂。焊缝平均抗拉强度为537 MPa，平均断后延伸率为15.6%。

超窄间隙激光填丝焊(Ultra-narrow gap laser welding,Ultra-NGLW)是一种先进的厚贝氏体钢焊接技术。通过数值模拟和X射线衍射法,分析了超窄间隙激光填丝焊接头残余应力的分布和变化,结果表明:在不同厚度(20 ,50 ,70 mm)的超窄间隙激光填丝焊接头的表面,残余应力均呈“W”形分布。利用微型剪切试验,分析了显微组织对接头残余应力的影响:熔合线处形成的马氏体脆硬组织使接头形成了“软-硬-软”的夹心组织,导致接头的应力分布与一般的焊接接头不同,而多层填丝焊的特殊工艺导致接头中间层的应力增加。

研究外加交变电磁场对SUS316L奥氏体不锈钢激光填丝窄间隙焊接接头宏观成形、铁素体-奥氏体微观组织、接头力学行为及耐蚀性的影响,结果表明:交变电磁场能够实现焊丝在焊缝横向位置的可控熔化行为,使窄间隙焊接接头的熔宽增加,熔深减小,焊缝对称性提高,而且接头中的未熔合及气孔缺陷也得到了抑制。外加交变电磁场将振动能量直接引入到焊接熔池中,改变了熔池原有的自然对流模式,促使熔池中心的高温液态金属向坡口侧壁润湿铺展,改善焊缝成形;同时,熔池的搅拌作用使焊缝温度均匀,降低了熔池的温度梯度,抑制了粗大奥氏体柱状晶的生长,增加了晶粒取向的多样性。电磁场辅助焊接接头焊缝晶粒尺寸细小,枝晶间距较小,枝晶形态交错复杂。接头拉伸试验和电化学腐蚀试验表明,电-磁场辅助SUS316L不锈钢窄间隙焊接接头具有良好的的力学性能和和耐蚀性。

采用超窄间隙激光焊对100 mm厚304奥氏体不锈钢进行了焊接试验,并研究了接头的显微组织和力学性能。结果表明,超窄间隙激光焊可以实现百毫米级及以上厚板的有效连接且焊缝的成形良好。接头的显微组织由奥氏体和少量铁素体组成,晶粒呈胞状和等轴状。接头的拉伸强度为658 MPa。拉伸断裂位于焊缝的胞状晶区,断裂形式为典型的延性断裂,断口形貌为细小均匀的韧窝和撕裂棱。焊缝组织中等轴晶区的显微硬度大于胞状晶区。

特征点提取是焊缝视觉检测与定位的关键技术,特别是针对实际生产中间隙较小,尤其是超窄间隙的焊缝位置,现阶段的处理算法往往无法保证提取精度,误差大;对于一些间隙极小的细节位置甚至会自动忽略。本文针对端接接头提出一种基于自动阈值处理的自适应中值滤波算法和特征点提取算法对激光扫描图像进行处理的焊缝识别技术:在传统的中值滤波法的基础上,通过计算局部数据点的均值和方差确定有效阈值范围,在剔除噪声点的同时很好地保护了焊缝图像窄间隙细节特征;提出一种“细节放大”的特征点提取算法,将图像细节进行放大,增大窄间隙特征点与周围数据点的差异,显著降低提取难度;利用特征点时域分析,进一步将误差减小到原来的1/ 5　。结果表明,本文方法能准确识别0.1~0.5 mm之间的窄间隙焊缝,具有提取精度高、误差小(<0.08 mm)、抗干扰能力强等优点,对于实现较小间隙焊缝的自动化焊接具有重要意义。

利用超窄间隙激光填丝焊技术实现了P92/Inconel 625异种接头,研究了焊接接头的组织和力学性能。结果表明,焊接接头的焊缝整齐,侧壁熔合良好,无气孔等缺陷;焊缝具有典型的凝固组织特征。P92钢热影响区的组织为马氏体,并分为粗晶区和细晶区。焊接接头界面中P92钢粗晶区的硬度最大,经热处理后硬度减小。常温拉伸试验中试样均断裂于Inconel 625合金,高温拉伸试验和高温持久试验中试样均断裂于P92钢,焊接接头的冲击韧性介于两种母材之间。

采用超窄间隙坡口和光纤激光填丝多层焊工艺, 焊接了50 mm厚的SA508Gr.3Cl.2核电用钢,测试并分析了接头的微观组织和性能。结果表明, 焊接接头无宏观缺陷; 热处理后接头中部焊缝中心组织主要为上贝氏体和针状下贝氏体, 母材侧热影响区的粗晶区组织为高温回火马氏体, 硬度为280 HV。焊接接头拉伸试样的拉伸断裂位置均位于母材, 接头抗拉性能良好。接头上、中、下部位的焊缝冲击韧性均小于母材的, 但焊缝冲击试样的断口形貌仍具有一定的韧性断裂特征。