文档介绍：万瓦级光纤激光深熔焊接厚板金属蒸汽行为与缺陷控制
激光深熔焊接具有深宽比大、 焊接速度快、热影响区小、焊接变形小等优点。
随着高光束质量万瓦级光纤激光器的出现， 厚板激光深熔焊接一次成形成为可能，
可广泛应用到
万瓦级光纤激光深熔焊接厚板金属蒸汽行为与缺陷控制
激光深熔焊接具有深宽比大、 焊接速度快、热影响区小、焊接变形小等优点。
随着高光束质量万瓦级光纤激光器的出现， 厚板激光深熔焊接一次成形成为可能，
可广泛应用到能源、造船、航空航天、装备制造、铁路等大厚度大结构件焊接制
造中。
然而，这些重大工程项目对焊接质量的稳定性和可靠性要求极高， 只有对万
瓦级激光深熔焊接过程机理进行深入而系统的研究， 才能从根本上保证稳定可靠
的焊接接头质量。 基于上述应用背景， 在国家自然科学基金项目的资助下， 本文
对万瓦级光纤激光深熔焊接厚板过程中孔外金属蒸汽 / 等离子体、小孔和熔池动
态行为，相关焊接缺陷产生机理和控制方法进行试验和理论研究。
本论文开展和完成了如下研究工作： (1) 借助高速摄影和光谱分析手段，直
观观测了万瓦级光纤激光深熔焊接厚板过程中孔外金属蒸汽 / 等离子体动态行为
和光谱信号，并计算了孔外金属蒸汽 / 等离子体特征参数及对入射激光的散射吸
收作用。结果表明，孔外金属蒸汽 / 等离子体由靠近小孔开口蓝光等离子体和位
于上方的微红色的金属蒸汽组成， 前者边缘形状锋利光滑， 而后者边缘形状变化
无常，高度高达 20mm。
发现孔外金属蒸汽喷射方向与小孔壁方位密切相关。 光谱分析结果表明， 孔
外金属蒸汽汽 / 等离子体是弱电离等离子体。
孔外金属蒸汽中凝结的微细金属颗粒对入射激光束的吸收和散射衰减强度
是孔外等离子体中自由电子对激光逆轫致辐射吸收的数倍。 (2) 基于改进的“三
明治”新方法，采用高速摄影手段， 首次从侧面直接观测了万瓦级光纤激光深熔
焊接超细长小孔内壁， 小孔内壁充满皱褶， 并沿小孔壁向下流动， 同时熔融金属
微滴直接从皱褶波峰脱离穿过小孔向后沿飞去。
特别地，在小孔前沿壁面存在液体台阶，向下高速流动，速度可达
8m/s-15m/s 。在直观观测万瓦级光纤激光深熔焊接厚板缺陷产生时的超大金属蒸
汽 / 等离子体团、超细长小孔和熔池动态变化过程的基础上，结合大量工艺试验研究，揭示了飞溅、表面塌陷与底部驼峰和钉子头焊缝缺陷的产生机理。
焊接飞溅产生的主要驱动力是小孔内蒸发蒸汽反冲压力和高速喷射的金属蒸汽 / 等离子体对熔融金属的摩擦力。飞溅产生的基本过程为：局部蒸发——熔融金属加速向上 ( 下) 流动——垂直动量积累超出表面张力——熔融金属脱离熔池形成飞溅。
孔外金属蒸汽 / 等离子体对熔融金属的剪切作用使得飞溅在穿过孔外金属蒸汽 / 等离子体云时有一个 “加速过程”。焊缝塌陷和底部驼峰的产生是由于小孔前沿壁流动的液体台阶处局部蒸发导致的熔融金属高速向下流动， 大量