选用铝合金顶盖满焊为研究对象，定量分析了芯环功率比对熔深、熔宽的影响规律。结合熔池匙孔动态行为，阐述了可调环模激光有效抑制金属飞溅的机理。同时采用光学相干断层扫描测量技术，实时测量了匙孔深度的波动，定量评价了焊接稳定性，并获得了最佳工艺窗口。结果表明，在150 mm/s的焊接速度下，当芯环功率比为1∶2~1∶3时，匙孔深度最稳定，且飞溅率最低。研究结果为进一步提高铝合金可调环模激光焊接质量提供了理论指导和实验依据。

针对熔深间接测量方法测量精度低的问题，基于光学相干层析（OCT）的激光焊接熔深监测方法通过直接测量熔池小孔深度，实现在线质量监测。该方法基于低相干干涉精密测距原理，将测量光束与焊接光束同轴，具有测量精度高、抗干扰能力强的优点。搭建了基于谱域OCT（SD-OCT）的激光焊接熔深测量系统，在深熔焊条件下测量了熔池小孔深度，并应用百分位滤波算法从测量数据中提取出熔深曲线。针对百分位滤波算法的熔深提取精度受限于OCT测量数据噪声点和该算法需要根据焊接工况来调整滤波参数等问题，提出了一种基于局部离群因子（LOF）和最大值滤波的OCT熔深提取方法，通过与焊缝纵切面的熔深曲线对比发现，熔深提取精度最大提升了32%。实验结果表明，所提方法可有效提高熔深提取精度，且不需要调整算法滤波参数，适用性更强。

采用MOPA纳秒脉冲激光器对316不锈钢进行焊接, 探索脉宽、频率及焊接速度对焊缝成型的影响, 并对纳秒脉冲激光焊接的模式及机理进行了分析。研究表明, 采用纳秒脉冲激光在高频下焊接316不锈钢可以得到表面光滑、无气孔缺陷的焊缝, 频率是影响焊接的最大因素；当脉宽为30~120 ns时, 熔深随频率增加而增大, 在中心频率处获得最大值, 随后逐渐减小；当脉宽为200~500 ns时, 脉宽随频率(＞100 kHz)增大而减小；由焊缝截面形貌分析可知, 随频率变化存在两种焊接机制, 即热导焊和深熔焊；针对不锈钢薄板材料, 在长脉宽、高频率下以热导模式进行焊接, 可获得良好成形。

对高质量、高效率、高柔性和绿色环保连接技术的需求,以及不断涌现的各种新材料的连接需求,促进了激光焊接技术的研究和进步。得益于激光器及其配套设备的快速发展,以及对激光与材料相互作用机理认识的深入,激光焊接技术在过去30年实现了由实验室研究走向规模化工业应用的转变。激光能量能够在时空尺度上进行精确调控,高能量密度和小热输入为激光焊接精确控制接头熔化形状和抑制焊接热循环对母材的不良影响提供了可能。然而,高的激光能量密度导致金属蒸发形成匙孔,匙孔坍塌引起的气孔是激光焊接中的常见缺陷。此外,小的热输入导致了较快的冷却速度,影响了焊缝和热影响区的微观组织。熔深、气孔和微观组织的调控均与激光能量密切相关。本文依托钢铁材料、镁合金、钛合金和异种材料连接方面的典型案例,介绍了激光能量对焊接熔深、气孔及微观组织的影响及调控,指出了激光焊接技术的特点和优势,对利用激光焊接技术解决新材料和新结构的焊接难题提供了有益借鉴。

本文研究了激光焊接参数电流、电压对焊缝成形以及等离子体的电子温度的影响, 建立了焊接参数电流、电压与焊缝熔深和熔宽的关系, 探究了激光焊接等离子体的电子温度与焊接质量及焊接过程稳定性的关系。研究结果表明, 等离子体的电子温度随着焊接电压和焊接电流的增大而增大, 焊接电流与等离子体的电子温度间呈一定的二次函数关系, 焊接电压与等离体子的电子温度基本呈线性关系; 焊接电流与成形的焊缝的熔深和熔宽有一定的线性关系, 熔深和熔宽均随着焊接电流的增大而增加; 焊接过程中等离子体电子温度的波动情况可以反映焊接过程的稳定性, 当焊接过程不稳定时, 等离子体的电子温度也随之发生波动。

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。

针对激光深熔焊接过程的监控问题,基于小孔内部压力平衡条件分析了小孔振荡和小孔深度的关系。在此基础上基于小孔行为与等离子体行为的耦合性,以及等离子体振荡特征与等离子体电信号波动特征的一致性,利用短时自相关分析方法分析了A304不锈钢和Q235碳钢在激光深熔焊接过程中等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系。结果表明,等离子体电信号振荡周期随焊缝熔深的增加而增大,并且不同焊接材料的等离子体电信号振荡周期与焊缝熔深之间的关系不同。最后,在可变热输入连续焊接验证实验中,在焊接过程稳定的条件下,等离子体电信号的短时自相关分析结果与焊缝熔深之间有比较好的对应关系,与所分析的小孔振荡特征方程具有一致性。

采用Gleeble-1500 热模拟试验机对6063铝合金进行热塑性实验, 确定了合金的脆性温度区间, 并用 SEM、EDS 等测试手段分析热裂纹的产生原因。研究结果表明, 综合Rm-T曲线和Z-T曲线可得到6063铝合金母材的脆性温度区间为460～620 ℃, 表明其具有较高的焊接热裂纹倾向。热输入量增大会使材料热塑性表现为先减小再增大的变化趋势, 热输入3.0 kJ/cm时试样的热塑性达到最低。热输入2.5 kJ/cm下, 在焊缝中没有观察到热裂纹; 热输入增大至3.5 kJ/cm, 试样的焊接热塑性明显增加, 呈现出朝焊缝中心发生纵向开裂的现象; 热输入3.0 kJ/cm下, 裂纹依然表现为从焊缝中心往纵向延伸开裂, 同时在母材的部分区域中形成许多断续分布的微坑。

采用150 W准连续激光器对0.2 mm 厚的304不锈钢板进行搭接焊接试验, 通过对焊接工艺参数峰值功率、脉冲宽度和离焦量进行正交优化试验, 在保证下层不锈钢外观不被击穿的情况下, 5个焊点的拉力达到28.9 N, 此时最佳的工艺参数为峰值功率300 W, 脉冲宽度6 ms, 离焦量2 mm。将焊点切片数据与正交试验结果结合分析, 结果表明, 对焊点强度影响最大的因素是焊点熔深, 而对熔深影响最大的工艺参数是峰值功率。该实验结果为实际应用中, 激光精密焊接不锈钢薄板外观件提供工艺方法实验指导。

对比了单激光焊接、单MAG焊接、Laser-MAG复合焊接三种焊接方式焊缝的表面成型以及熔深变化规律。探讨了激光束与电弧相互作用规律, 分析了在不同激光功率水平下加入电弧后对焊缝熔深的影响规律, 得出了焊缝熔深取决于激光功率, 电弧的加入对焊缝熔深影响较小, 其在一定条件下可以增大焊缝熔深, 也可能减小焊缝熔深。