为了研究熔透和未熔透两种状态下低碳钢气孔形成特征，试验控制保护气种类与表面氧化物两个条件，采用激光功率3 100 W、焊接速度10 mm/s，分别对6 mm和8 mm厚的低碳钢进行平板对接焊，观察焊缝纵断面气孔分布，使用电子显微镜观察其形貌及EDS分析孔壁元素，并讨论气孔产生的原因。另外，还设计熔透性试验，研究激光功率以及焊接速度对气孔的影响。结果表明：熔透状态的焊缝形成气孔数、气孔率远远小于未熔透状态的；CO2保护气以及表面氧化物在焊接过程中都有抑制气孔产生的作用；未熔透状态下出现较多的工艺类气孔与冶金类气孔，熔透状态下焊缝形成的气孔则以圆形H2孔为主，其中冶金类气孔的内壁与焊缝附近元素含量相差较大，主要由于熔池内发生了冶金反应导致。进一步的熔透性试验表明：激光功率越大，气孔数越少，气孔率先减小后增加；随着焊接速度的增加，气孔数增加，但气孔率呈现先降低后增加的趋势。

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。

为了解决传统焊接工艺(填丝TIG焊)焊接传动轴总成滑移端壳体-法兰存在的焊缝余高太高, 造成应力集中; 焊缝熔化不均匀、气孔, 造成壳体和法兰在传递扭力时脱落; 整体焊缝外观成型质量差; 焊丝损耗比较大; 焊接效率低等问题。采用激光深熔焊接对传动轴总成滑移端壳体-法兰进行焊接, 并研究激光焊接后焊缝表面形貌、焊缝宽度和热影响区宽度、焊缝熔深、焊缝余高和焊缝显微硬度。结果表明: 激光深熔焊接后, 传动轴总成滑移端壳体-法兰焊缝熔化均匀、无气孔等缺陷; 焊缝表面形貌美观, 热影响区以及焊缝宽度远小于传统工艺焊接时的热影响区及焊缝宽度, 焊缝和热影响区的硬度均高于母材, 热影响区未出现软化, 焊接熔深达到焊接要求, 焊缝余高为0.3 mm, 同时激光焊接效率较高, 满足传动轴总成滑移端壳体-法兰的焊接要求。

采用Level-set方法模拟了激光深熔焊接过程中光致等离子体的动态形成过程, 研究了等离子体形态、温度、孔内压强、气体流速等行为特征。结果表明: 在2.2 ms时刻等离子体的最高温度达到4 300 K,孔内的最大压强为4×105 Pa, 等离子体在小孔径向的最大流速为60 m/s, 最大流速位于等离子体中心处且接近孔底的位置, 且等离子体沿小孔轴线方向与径向方向的流速下降。考虑等离子体对激光能量吸收比未考虑等离子体对激光能量吸收时孔内功率密度降低了12.5%。研究结果将为激光深熔焊接过程中等离子体的机理研究和模拟研究提供理论依据。

在热电偶标定测试的基础上，通过实验获得了焊缝热影响区的实际热循环曲线。将高温等离子体简化为点热源，薄板焊接时的热源简化为线状热源后，采用叠加原理建立激光焊接高强度镀锌钢热循环的数学模型。对模型进行了解析计算，获得了热影响区的理论热循环曲线。对比研究后认为，热循环数学模型能反应激光深熔焊接的实际热循环过程。焊缝显微组织中存在少量的马氏体的事实表明，激光焊接高强度镀锌钢的热循环特点是加热冷却速度快。

利用CO2激光对汽车车身用1.5 mm厚高强度双面镀锌钢进行了大量的焊接实验,对焊缝组织进行了显微组织分析和相关的机械性能实验。从理论上推导了在一定焊接工艺条件下,稳定深熔焊接的下临界功率与焊接速度及焦点位置的关系。在同轴和侧吹保护气体的条件下,通过工艺参数优化,激光深熔焊接可以有效地避免高强度镀锌钢热影响区(HAZ) 的软化现象以及焊缝气孔的有效控制。锌不稳定的急剧气化,使热影响区扩大和焊接稳定性降低,聚焦镜的保护难度加大,采取了有效措施加以控制。实验结果表明,用氮气作为保护气体,在激光功率1300 W,焊接速度0.8～1.1 m/min,焦点位置在工件表面下0.4 mm处时,得到了满意的焊接质量。焊缝的硬度接近母材硬度的2倍。

用LSM240全自动SLAB激光焊接机对Fe基、Ni基、Co基3种粉末材料进行焊接实验.研究了焦点位置、焊接速度、焊接线能量对粉末材料激光焊接焊缝质量的影响.结果表明,Ni对离焦量最敏感.并得到了焊接熔深H与输入线能量W的数学表达式.

同轴信息监测是一种直接对熔池和小孔进行监测的方法.本文介绍了激光深熔焊接过程中,同轴信号的采集原理和光路设计,利用同轴信息采集光路的激光焊接镜头采集了大功率Nd:YAG激光焊接过程中辐射的同轴光信号.对Q235钢激光深熔焊接过程中,从焊接熔池和等离子体中辐射的同轴光谱曲线是以连续谱为背景谱,当焊接参数的变化时,同轴辐射光的相对光强发生变化,而其与波长的对应关系没有变化.在激光深熔点焊过程中同时采集了同轴和水平辐射的光强信息,对比发现二者具有不同的峰值波长,并且在550nm～580nm的波段内,二者的相对强度对比明显.

采用20 kW CO2激光加工系统焊接低碳钢,研究了辅助气体对等离子体屏蔽临界功率密度的影响。研究结果表明,辅助气体不同时等离子体屏蔽临界功率密度由小到大的排列顺序为：Ar→N2→CO2→He。Ar作为辅助气体时,等离子体屏蔽的临界功率密度可以低至1.85×10 6 W/cm2。辅助气体对等离子体屏蔽临界功率密度的影响主要取决于气体的导热性和解离能,相比而言,气体电离能的影响是次要的。采用Ar作为辅助气体时,等离子体屏蔽临界功率密度低的原因主要在于Ar的导热性能差,激光支持的燃烧波(Laser-supported Combustion Waves,LSC)波容易过热和扩展。

采用2.5 kW CO2激光器焊接不锈钢,设计一个由两个同轴圆管组成的双层喷嘴,研究了Ar和He的组合方式、流量、喷嘴角度等对光致等离子体控制效果的影响。当内管通Ar,外管通He且喷嘴角度大于45°时可将等离子体完全抑制在蒸发沟槽之内,从而获得具有大的熔深和深宽比的焊缝。控制等离子体所需的He气流量与焊接速度有关,焊接速度增加,He气流量减小。