为探究万瓦级激光-MAG复合焊接焊缝成形特性，在不同的激光功率下，对比分析了三种不同复合焊接方法在焊缝成形、等离子体形态方面的差异性及关联性。结果表明：随着激光功率变化，焊缝的特征尺寸及波动与等离子体的特征尺寸及波动具有一定的对应关系，具体表现为：随着激光功率增加，等离子体面积及其波动都增加，焊缝熔深、熔宽及其波动均增加；当激光功率增加到20 kW时，等离子体面积及其波动的增量开始减小，焊缝尺寸的增量也开始减小，焊缝成形质量开始变差。激光‐单丝MAG复合焊接方法在20、25、30 kW激光功率下的平均熔深增量相比5、10、15 kW下的减小了71.64%。在相同的工艺参数下，与激光-单丝MAG复合焊接相比，激光-单丝MAG复合填丝焊接下的等离子体面积及其标准差显著增加，熔深减小，成形变差，而激光-双丝MAG复合焊接下的等离子形态、焊缝成形变化均不明显。随着激光功率增加，不同的添丝方式体现在焊缝成形及等离子体形态等方面的差异性逐渐增强，当激光功率增加到20 kW时，焊缝熔深以及影响熔深的等离子体面积及其波动的增量有所减小。

本文探索了光束摆动对TC4钛合金窄间隙激光填丝焊缝成形和气孔率的影响。研究结果表明,无摆动时,焊缝表面起伏不连续,横截面窄而深,增加光束摆动之后,表面成形连续均匀,横截面相对变得宽而浅。当采用垂直或圆形摆动方式,摆动幅度为1.5~2 mm,摆动频率在20~100 Hz之间时,获得了焊缝表面和横截面成形良好的焊接接头。当采用圆形摆动,摆幅为2 mm,摆动频率在100~200 Hz之间时,获得的焊缝无明显气孔。采用该工艺进行了20 mm厚TC4钛合金窄间隙激光填丝焊接,焊接接头呈银白色,焊缝均匀连续,接头拉伸性能测试表明,其最大抗拉强度达930 MPa,接头强度与母材等强,断裂方式为韧性断裂,拉伸试样断裂在母材。

激光焊接时光感检测信号具有混合信息数量多、 时域及频域变化复杂、 信号随机波动剧烈等明显的混沌信号特征, 常规检测手段对激光焊接熔透特征信息难以有效分离。 在激光焊接熔透特征信号同轴增效提取技术基础上, 针对光谱透视成像中提取出的复杂混合信号的分布特征, 提出一种大功率固体激光焊熔透特征混沌信号解析方法。 具体通过统计方法提取混沌检测信号的各瞬态概率密度函数, 然后动态形成一系列具有趋势性特征的简化图形模式, 并根据图形的多项形貌特征与熔透行为建立复合关联识别。 文中重点介绍了基值、 离散度和畸变率3种特征参数的定义及数学模型, 这些特征参数不但可以对特征模型的重心位置、 离散情况和单向畸变情况进行准确描述, 而且通过实验方法还充分验证了不同特征参数与激光焊接熔透状态的关联特性。 如基值特征参数在焊缝熔透程度较大时具有明显的识别效果, 但是熔透程度较小时其波动幅值较大; 而离散度特征参数只对较小熔透状态测试敏感, 可以对基值进行有效补充, 但是对较大熔透状态的识别存在不足; 畸变率特征参数虽然在适度熔透附近时数值波动剧烈, 但是对于焊缝熔透程度较小或较大时都能通过畸变率数值关系对熔透程度进行较好关联识别, 有效弥补了基值和离散度的检测盲区。 因此, 基值、 离散度及畸变率特征参数间具有相互补充、 相互验证关系, 通过它们的特征曲线进行复合识别可以对激光焊接熔透状态实现较好的定性及定量检测。 实验结果表明, 混沌信号解析方法结合激光焊接熔透特征信号同轴增效提取技术后, 可实现光谱学、 光学、 统计学、 抽象化解析等的多维复合识别效果, 可有效增强大功率固体激光焊的熔透检测能力, 实现可靠熔透在线识别。

熔透检测是实现高功率激光焊接质量在线控制的重要环节, 但由于介观尺度下的低辐值熔透特征信号产生于激光匙孔底部被匙孔喷射物质和周围干扰信号完全掩盖, 熔透状态难以被直接获取, 常规检测多以间接测量为主。 将光谱透视技术、 红外显微成像技术、 光电传感技术及空间定位提取技术相结合, 提出一种激光焊接熔透特征信号同轴增效提取方法。 以高功率激光在匙孔内壁激发的荧光辐射源作为直接检测信号, 利用不同发光体的谱段特性在红外谱段有效分离并抑制激光焊接匙孔上方的等离子体、 金属蒸汽焰、 粒子团簇等强干扰信号, 使红外荧光信号得到有效增强, 实现光谱透视显像效果。 同时采用自行研制的激光焊接同轴显微光路系统, 利用红外显微成像原理提取到匙孔内壁受激辐射荧光的红外显微实像。 并以此为基础对高功率激光焊接熔透状态与匙孔内部影像特征进行关联研究, 发现与熔透状态直接相关的低辐射值特征现象及特征区域的存在。 通过视觉辅助定位调节和熔透特征位置试验矫正等寻位方式, 依次提高定位精度, 直至将传感器光电感应芯片高精度定位至荧光辐射实像中的熔透特征区域。 由此通过光谱透视—显微成像—介观寻位萃取的逐层光学分离方式, 实现了对匙孔熔透特征数据的精准提取和最大化增强。 试验结果表明, 基于多种光谱及光学处理技术复合应用的大功率固体激光焊熔透特征同轴增效提取方法对激光熔透特征信号增强效果显著, 可作为一种新型的高功率激光焊接熔透在线检测手段。

采用真空激光焊接方法对10Ni5CrMoV低合金高强钢进行焊接,研究了环境压力对焊缝组织和力学性能的影响。结果表明:真空激光焊接可以明显改善激光焊缝的表面成形质量,增加焊缝熔深;环境压力对焊缝组织的影响不大,对热影响区组织的影响明显;不同环境压力下得到的焊缝均由马氏体组成;在热影响区,随着环境压力的降低,碳化物逐渐析出,显微组织由马氏体向马氏体+碳化物+极少量粒状贝氏体转变,并且出现了少量铁素体;真空环境下得到的焊缝中马氏体含量降低是硬度下降的主要因素;在环境压力为10 Pa时,焊缝硬度较大气环境下的减小6.2%;拉伸试样均断裂于母材处,试样出现明显的颈缩现象,断裂方式为韧性断裂。

对激光电弧复合焊接的稳弧机理始终存在不同的观点。通过高速摄像机和光谱分析仪对比研究了激光与电弧复合前后电弧形态发生的变化。研究发现复合后电弧呈现一种全新的形态，具有两个独立的导电通道，这种现象被称为“双重导电机制”。这种机制对维持电弧稳定和保证焊缝成型良好具有非常重要的意义，正是激光电弧复合焊接高速焊接过程中稳弧的关键所在。研究还发现“双重导电机制”的建立过程存在时间顺序，辅助导电通道首先是从激光小孔周围建立起来，然后逐渐扩展到整个电弧区域。各种焊接参数对“双重导电机制”也存在明显的影响。

采用高速摄像机、电流电压采集仪及光谱分析仪分别研究低功率YAG激光-熔化极气体弧焊(GMAW)复合焊接过程中的电弧形态、电压特点及局部电子温度、密度变化。在此基础上,运用等离子体热力学平衡理论分析复合焊接电弧等离子体的行为特征。试验表明,低功率YAG激光吸引、压缩GMAW电弧,提高电弧局部区域的电子温度至(15400±900) K,电子密度至(1.265±0.101)×1017cm-3,降低了GMAW热源输出电压,促进了焊接电弧等离子体局部热力学平衡(LTE)的建立。