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激光以其高能量集中度、高效能和高精度制造能力，被譽為21世紀環保制造技術。與傳統的焊接工藝相比，激光焊接技術因其低填充需求、高焊接 效率、較小的焊接變形與殘余應力以及更優的材料性能在焊接領域得到廣泛應用。隨著我國在核能、 海洋開發和船只建造等方面的快速進展，激光焊接技術日益被用于高性能部件的生產。 

為了滿足工程對超熔深焊縫的需求，開發并應用了萬瓦級別的激光設備。與千瓦級激光器相比， 萬瓦激光器超高功率密度（激光束功率密度可達1× 107 ~1×108  W/cm2 ）可獲得具有更大深寬比特征的焊縫，同時也降低了成本，并適用于更多的應用環 境。萬瓦級激光焊接的方法主要有激光自熔焊、 真空激光焊、激光電弧-復合焊和激光-埋弧耦合焊接等。本文通過對萬瓦級激光焊接相關技術特點、 熔池行為特征、羽輝物理特性、焊接缺陷的抑制以及焊接工藝的開發應用進行了歸納總結，內容框架 如圖1所示。

圖1　框架圖

使用萬瓦級激光進行的自熔焊接，采用深度熔化方式，不僅能量密度高、焊接速度快和熱影響區較窄等，也面臨著羽輝不穩定、易產生大量飛濺和對工件加工精度要求高等挑戰。為了解決這些問題，國內外研究人員對萬瓦級激光自熔焊接的技術特性、穩定性和缺陷控制進行了廣泛的研究。

1.1 萬瓦級激光自熔焊焊縫成形的研究現狀 

萬瓦級激光自熔焊最先使用的是CO2激光器， 然后逐步廣泛使用光纖激光器。本節將從國內外萬瓦級激光自熔焊的工藝研究，以及不同工藝參數的改變對萬瓦級激光自熔焊焊縫質量（包括焊縫成形和焊縫熔深）的影響進行總結闡述。自 20 世紀 90 年代起，先進國家便開始探索重型金屬板焊接技術，采用具有極高功率的CO2激光器進行研究。Becker等人針對10~35 mm不同規格的316不銹鋼，采用45 kW CO2激光焊，并對焊后接頭進行無損檢測、微觀結構觀察和力學特性評估。研究發現，焊縫內部的氣孔對其性能造成負面影響，且隨材質厚度的增加，氣孔數量也隨之增加。Ono和團隊采用25 kW CO2激光器也進行了相似的試驗研究。國內吳世凱等人使用20 kW的SR200型CO2激光器成功進行了 12 mm 厚度 1Cr18Ni9Ti 不銹鋼的自熔焊接，焊接接頭在微觀組織和力學性能上均表現出色，完全達到了應用標準 。

圖2 70 mm S355不銹鋼焊縫形貌

國內研究人員對萬瓦級光纖激光焊技術也進行了實踐性研究。當激光功率達到15 kW，湖南大學陳根余團隊采用橫向焊接配合多角度吹氣技巧， 在 0.6 m/min 速度下成功實現了 18 mm 厚度 304 不銹鋼的單面焊雙面成形。信紀軍 采用 20 kW 光纖激光器實現了20 mm厚度的304不銹鋼焊接全穿透，焊縫表面外觀如圖3所示。

圖3 20 mm不銹鋼焊縫上下表面形貌（P=20 kW）

萬瓦級激光自熔焊接工藝相對簡單，影響焊縫成形的因素有：激光功率、焊接速度、光斑尺寸、離焦量等。美國聯合技術研究中心Bans和德國IPG 公司Grupp等人對厚壁構件使用激光自熔焊技術進行了研究，觀察到單次激光自熔焊的最大熔深與激光功率之間呈現出近乎指數級的增長關系，同時發現隨著焊接速度的提升，熔透深度顯著下降，如圖4所示，金屬板材的最大一次焊透厚度主要由激光輸出功率決定。

圖4　激光功率對熔深的影響規律

Grupp采用 30 kW 光纖激光器對 32 mm 厚 X70不銹鋼板進行焊接，圖5a呈現出激光功率和焊接速度如何作用于焊縫。在相同的焊接速度下，隨著激光功率由10 kW增加到30 kW，熔深顯著增加。如圖5b所示，在30 kW、0.6 m/min條件下，單層焊縫能夠實現32 mm厚X70不銹鋼板的完全熔透。

（a）不同激光功率下焊接速度對熔深的影響

（b）焊縫橫截面成形

圖5 30 kW光纖激光器（YLR 30000）焊接性能

Kawahito 等人采用 10 kW 光纖激光器對 20 mm厚304不銹鋼板進行焊接試驗，探究了光斑尺寸與焊接速度對焊縫形態的影響。結果顯示，最大熔深可達18.2 mm，如圖6所示。這一結果凸顯了在焊接過程中適當調整焊接速度和光斑尺寸對于精確控制焊縫深度的重要性。

圖6　光纖激光焊接不銹鋼厚板與焊接質量的關系

Zhang等人采用10 kW光纖激光焊接30 mm 厚316L不銹鋼板，為了提高熔透深度，設計了一種如圖7所示的氣體噴射輔助裝置。該裝置能夠擴大匙孔口徑，同時減少等離子體對能量傳遞的阻礙， 有效減小熔池寬度，并增加匙孔面積，使得單層焊接的最大熔透深度從 18.2 mm 增大到 24.5 mm，顯著提高了焊接效率和質量。

圖7　焊接過程氣體噴射輔助裝置示意

湖南大學的張明軍為了探究萬瓦級光纖激光深熔焊接厚板工藝參數對焊縫成形的影響規律， 采用 10 kW 光纖激光器焊接 12 mm 厚 304 不銹鋼板。該團隊通過調整工藝參數（見圖8），分析了離 焦量及不同保護氣體類型對焊接成形的影響規律。結果表明，在負離焦量條件下，焊縫質量更優，熔透程度更符合理想標準。在無保護氣體的環境中，焊接過程中容易受到干擾，導致焊縫出現彎曲和飛濺。相比之下，使用氬氣（Ar）或氮氣（N2 ）作為保護氣體，焊接過程更加穩定，焊縫成形均勻且光滑。此外，通過觀察焊縫的橫截面可知，使用N2或Ar氣 保護下的焊縫呈現為顯著的“釘子頭”形態，而在缺乏保護氣體的條件下，這種特征則不太明顯。 

Somonov等人采用15 kW光纖激光器進行 20 mm厚S355鋼板的焊接，分析焊接區域周圍表面粗糙度對超高功率激光焊接焊縫形貌及其穿透能力的影響。研究發現，焊縫周圍的表面粗糙度與焊接穿透深度有著緊密的關系，在激光功率保持恒定的前提下，表面粗糙度為6.3 μm時能使焊接穿透深度最大化，如圖9所示。 

Bergstr?m 等人同樣探討了萬瓦級光纖激光焊接中對接接頭邊緣的表面粗糙度如何影響焊縫的形成與熔透深度。結果顯示，增加表面粗糙度增大了對接焊縫間隙，減少了材料的氣化蒸發量， 從而降低了影響激光能量傳遞的金屬蒸氣和等離子體數量。但當表面粗糙度Ra>8 μm時，焊縫間較大的空隙會使激光更深入焊接區域內部，降低匙孔效應的穩定性，影響熔池深度和焊縫質量。

圖8　不同離焦量和保護氣體種類對焊縫成形的影響規律

1.2 萬瓦級激光自熔焊缺陷的研究現狀 

在萬瓦級激光自熔焊過程中，大量等離子體以羽輝形式從匙孔噴出，這嚴重干擾了激光能量的有效傳遞。此外，激光能量傳遞的不連續性進一步加劇了匙孔及熔池流動的不穩定性，對整個焊接過程產生負面影響。本節主要闡述缺陷的產生機理以及國內外研究者在萬瓦級激光自熔焊實驗研究中所發現的各類缺陷。

1.2.1 氣孔和飛濺 

Matsunawa等人為了研究高功率激光深熔 焊接中氣孔的形成原因，采用X光成像技術和高速視頻捕捉技術對焊接過程中匙孔與熔池的實時變化進行分析，試驗設備布局如圖10所示。研究結果 表明，在萬瓦級激光焊接過程中，熔池的劇烈波動會干擾匙孔對激光能的吸收，這是產生大量飛濺和氣孔的關鍵因素。

圖10　微距X射線透射實時成像系統

為了深入了解萬瓦級激光焊接時熔池和匙孔的動態變化及其氣 孔生成的原理 ，Kobayashi 等人運用X光成像技術進行了實時觀察，焊接過程中氣孔生成機制如圖11所示。在激光焊接過程中， 液態金屬從匙孔的前下方向上流動，當流經匙孔底部時流動變得特別劇烈，這種劇烈的流動導致匙孔底部容易形成氣孔，而這些氣孔很難被排除。 

張明軍等人利用高速攝影技術對激光深熔焊接過程中的物理現象進行了研究，包括金屬蒸氣、等離子體、小孔以及熔池流動等，并對萬瓦級激光焊接引發飛濺現象的成因進行了分析。如圖12 所示，飛濺主要是由小孔邊緣熔池過熱蒸發造成的。在反壓力與金屬蒸氣/等離子體高速噴射產生的剪力共同作用下，熔化的金屬被推向熔池表面， 形成凸起。金屬蒸氣/等離子體的持續沖擊和剪切力使得熔化金屬的動力超過了其表面張力，從而導致金屬從熔池中飛濺出來。Kawahito及其團隊在觀察萬瓦級光纖激光焊接過程中的熔池表面和飛濺現象時，也得出了類似的觀察結果，分析表明，飛濺主要是由于蒸氣流的強大剪切力將小孔附近 的熔池金屬推出。

圖11　氣孔形成機理

圖12　飛濺產生機理

Kaplan等人對萬瓦級高功率光纖激光焊接厚板產生的飛濺特征進行了深入分析，研究發現在不同的焊接參數下，飛濺可分為 4 種不同的類型：（1）產生在小孔兩側邊緣的飛濺；（2）小孔后方垂直液柱破碎形成的飛濺；（3）小孔后方傾斜液柱破碎 形成飛濺；（4）偶爾出現在小孔前沿的小顆粒飛濺， 如圖13a所示。研究者還對飛濺產生的機理進行了探討，描述了飛濺的產生過程：前沿局部材料氣化；金屬溶液在氣化反沖力作用下被加速；熔液被迫流向熔池后沿；流動的熔液聚集在表面；當聚集的熔 液具有足夠大的向上加速度可克服表面張力的束縛時，就會形成液柱或飛濺，如圖13b所示。由此可知，飛濺的形成不僅與孔外噴出的蒸氣流產生的剪切力有關，還與孔內的氣流狀態及熔池流動相關。圖13c、13d為焊接過程產生的飛濺。

　（a）不同飛濺形式　　　　　　 （b）飛濺形成

（c）飛濺 

圖13　萬瓦級激光自熔焊形成的飛濺

1.2.2 裂紋、塌陷和駝峰 

大阪大學Matsuda以及德國聯邦大學Antoni  Artinov發現高功率激光自熔焊接厚板時形成的深窄焊縫中產生了凝固裂紋，這些裂紋均為處于焊縫中心的縱向裂紋（沿熔深方向裂紋），如圖14a所示。趙琳在進行 10 kW 光纖激光焊接時也觀察到類似的縱向凝固裂紋現象。在使用高功率光纖激光對厚板材料進行完全熔透焊接的過程中，常會遇到塌陷和底部凸起的缺陷，如圖14b所示，并且這些缺陷通常按一定的周期性規律出現。張明軍在研究中發現，小孔前沿壁的流體區域局部蒸發引起的熔融金屬快速下流是導致焊縫塌陷和底部凸起的主要原因。 

1.3 萬瓦級激光自熔焊等離子體的研究現狀 

在萬瓦級激光自熔焊接過程中，高的激光功率密度與大能量的輸入會產生更多的金屬蒸汽和更細小的氣孔，這些氣孔內部壓力波動劇烈，熔池的流動性也極不穩定。因此，金屬蒸氣與熔池表現出更加復雜和多變的形態，其作用機制尚需進一步的科學研究與闡明。 

Kawahito利用高速攝像和X射線成像技術對高功率激光焊接過程中不銹鋼和鋁合金的匙孔效應進行了深入探討和分析。結果表明，在較低的焊接速度下，金屬對激光能量的吸收增強；但是當焊 接速度提高時，部分激光能量未能有效穿透孔洞， 從而降低了金屬對激光能量的吸收效率。為了探究激光與羽輝（等離子體與金屬蒸汽的混合物）的互動，Katayama及其團隊使用了如圖15所示的設備進行試驗，同時監測了探頭光纖激光器的數據和羽輝的活動。研究發現，等離子體與金屬蒸汽的密度變化會影響激光的傳播路徑。

（a）凝固裂紋

（b）表面塌陷和底部駝峰 

圖14　萬瓦級激光自熔焊中的裂紋、塌陷和駝峰缺陷

張明軍發現，通過合理調節負離焦量、焊接速率和保護氣體流量，可以穩定地促進金屬氣化/等離子體、匙孔和熔池之間的高效連接。陳根余團隊設計了一套設備來觀察萬瓦級光纖激光深熔 焊接過程中匙孔內外的等離子體屬性，如圖16、圖 17 所示。試驗采用 10 kW 光纖激光焊接 12 mm 厚 304不銹鋼板，發現匙孔內部的等離子體分布并不均勻，且匙孔外的等離子體體積明顯小于金屬蒸發 產生的體積。研究還表明，匙孔中的等離子體分布 并不是均勻充滿的，而是在孔的不同深度處以隨機的方式散布；與金屬蒸氣相比，匙孔外的等離子體體積明顯較小，說明在光纖激光焊接過程中只有一 小部分金屬蒸氣發生了電離。

圖15　萬瓦級激光焊接羽輝觀察

圖16　萬瓦級激光焊接匙孔內等離子體觀察裝置和拍攝結果

圖17　萬瓦級激光焊接匙孔外等離子體觀察裝置和拍攝結果

圖18　不同輔助氣體流速下的等離子體光譜信號

王春明等利用光譜分析研究了輔助氣體對激光焊接等離子體和激光能量傳輸的影響，如圖18 所示。研究結果顯示，隨著輔助氣體流速的增加， 信號的強度減弱，并且信號的分布也會發生改變。通過使用輔助氣體可以有效抑制等離子體的生成， 從而提高激光的傳輸效率和焊接的熔透深度。 

隨著超高功率光纖激光器的發展，萬瓦級激光自熔焊研究應用越來越廣泛，但萬瓦級激光自熔焊接仍存在一系列問題，如：操作的靈活性受到極大限制；極高的能量集中度可能導致材料快速蒸發， 產生濃密的羽輝效應，而在焊接過程中，熔池的劇烈動蕩可能會引起大量飛濺，導致氣孔、塌陷等缺陷，這些都對焊縫的機械性能造成不利影響。 

在真空條件下進行的激光焊接，可以顯著增強焊縫的熔透深度，改善焊接成形質量，并減少焊接過程中氣孔的產生，從而提升焊縫的整體性能。其三大突出特性包括深熔透、低羽輝效應和高品質成形。針對這些特性，眾多學者展開了研究工作。

2.1 萬瓦級真空激光焊接焊縫成形和熔深 

真空激光焊接技術的研究最早可追溯至 1985 年，這一領域的研究工作旨在通過實驗確定合適的工藝參數，以提升焊縫質量和熔深。 

為了獲得與真空電子束焊接相同的熔深，大阪大學 Arata 等人首次設計了真空激光焊接試驗， 不同壓力、不同速度下304不銹鋼圓盤激光焊接頭表面和截面如圖19所示。研究表明，在真空環境下進行激光焊接可以顯著減少等離子體羽輝現象，提高焊接深度。當環境壓力減小后，激光束被等離子體羽輝嚴重遮擋的問題得到了有效緩解，使得通過減慢焊接速度來提高焊接質量成為可能，最終在 10-1  Pa環境壓力下，采用激光功率11 kW、焊接速度 10 cm/min成功獲得了40 mm的熔深，如圖20所示。該團隊在2001年開始采用YAG固體激光器進行真空激光焊接相關試驗 ，并在之后幾年內相繼開展了不同材料的焊接研究工作。

德國亞琛工業大學焊接研究所的Reisgen在相同的焊接熱輸入條件下（16 kW，0.3 m/min），比較了不同焊接技術S690QL的80 mm厚板所獲接頭橫截面效果。如圖21a所示，真空激光焊接與常規大氣條件下的激光焊接在熔深和焊縫外形上有顯著差異，真空激光焊接的焊穿效果和焊縫成形與真空電子束焊接非常相似。由圖21b可知，真空激光焊接方法能顯著增強工藝的穩定性，實現高品質的焊接效果，有效避免羽流現象，減少材料沸點，從而提升穿透率。

圖19　不同壓力、速度下304不銹鋼激光焊接頭表面和截面

圖20　壓力對不同焊接速度下焊縫熔深的影響

（上—激光焊接；中—真空焊接；下—電子束焊） 

（a）相同熱輸入下不同焊接方法的焊縫橫截面

（b）大氣環境和0.1 kPa低真空環境下的焊縫截面 

圖21 16 kW激光功率和不同焊接速度下熔深

國內學者對萬瓦級真空激光焊接在提高焊縫質量和增大熔深方面也進行了相關研究。黃瑞生等人研究8 mm厚Ti6Al4V合金在稀薄氣壓環境中（5 Pa低壓條件）使用不同激光焊接參數時的焊縫外觀特性，并探討了激光功率及焦距偏移對焊接質量的影響。研究發現，焊接深度隨著激光功率的提升呈現出近乎線性的上升趨勢，且沒有出現在常規氣壓環境下高功率激光焊接常見的缺陷，如圖22所 示。在低壓條件下，焦距的調整對焊縫成形也至關重要。當離焦量在-50~0 mm 范圍變化時，焊縫表面平滑且均一，如圖23所示，隨著離焦量的增加，焊縫寬度有所上升，而熔深則是先增長后減小，當離焦量達到-20 mm時，熔深達到峰值27.9 mm。

圖22　不同激光輸出功率的焊縫表面成形和熔深 （離焦量-50 mm）

圖23　不同離焦量的焊縫表面和熔深（激光功率10 kW）

哈爾濱工業大學王繼明等人采用三種不同 的激光功率 10 kW、20 kW 和 30 kW，并在真空度 2.5×104  Pa~10 Pa變化范圍內進行5A06鋁合金厚板平板堆焊試驗。結果表明，在不同激光功率下，當真空度分別為2.5×104  Pa、104  Pa和103  Pa時，焊縫表面呈凹凸不平狀，焊縫成形不良、不均勻且不整齊；當真空度為102  Pa時，焊縫外觀明顯改善，表面起伏減小，焊縫光滑無飛濺。當真空度為10 Pa時，焊縫形貌進一步改善，變得更加連續均勻。如圖 24 所示，這表明隨著真空度的增加，焊縫成形逐漸優化。如圖25所示，在激光功率超過10 kW的情況下，焊接熔透深度隨著真空度下降先增加后逐漸穩定。 

2.2 萬瓦級真空激光焊接羽輝以及缺陷抑制 

萬瓦級真空激光焊接技術對焊接質量的提升主要反映在羽輝特性及匙孔熔池的動態變化上。

圖24　真空度和激光功率對焊縫表面成形的影響

圖25　真空度和激光功率對焊縫熔深的影響

在真空環境下羽輝的大小及亮度顯著減小且表現出更高的穩定性。真空度的提升對焊縫缺陷如飛濺和氣孔有明顯的抑制作用。因此，通過調整真空度可以明顯抑制缺陷的發生。 

Katayama在 2011 年利用高速攝影技術捕捉到焊接時的羽輝，如圖26所示，當真空度增加時，羽輝現象明顯減弱，同時飛濺也相應減少。 

德國科學家 Youhei 及其團隊深入研究了多種金屬的真空激光焊，通過觀察焊接熔池的流動特性及匙孔形態，提出了真空激光焊接技術能夠有效保持匙孔穩定性的理論。李俐群等對該技術的最佳真空度進行探討，發現隨著真空度的增加，A5083 焊縫內的氣孔率顯著降低。當真空度高于 10 Pa時，焊縫中無氣孔存在，如圖27所示。

圖26　真空度對羽輝形態的影響

圖27　不同真空度下的焊縫氣孔

陳彥賓等人采用工業CT測量了在不同真空 環境下鋁合金焊縫的氣孔分布和大小，如圖 28 所示。發現隨著真空度的提高，鋁合金焊點中的氣孔數量及其體積顯著減少，在工藝控制下氣孔數量減少更為顯著。 

上海交通大學羅燕等人采用一側透明玻璃 直接觀察了真空焊接過程中小孔內壁的動態行為， 如圖29所示，觀察到隨著環境壓力的降低，激光加熱導致匙孔前部蒸發作用減弱。這種蒸汽在空氣中的激光焊接過程會對匙孔后側產生不穩定的局部壓力，導致波動，最終影響到匙孔內部的穩定性。當環境壓力升至10 kPa以下時，這種現象會逐步消失，確保了焊接過程中匙孔穩定，并進一步避免了氣孔缺陷的形成。

激光-電弧復合焊接技術融合了兩種熱源，實現了超越單一焊接技術的“1+1>2”的效果。該技術的特點包括焊接過程極其穩定、適應性強、橋接能力好、填充效率高等優勢 。利用輸出萬瓦級別功率的激光器，可以實現極高的功率密度，進而提高激光打孔的效果，并顯著增強焊縫的深寬比。與傳統激光自熔焊接相比，激光-電弧復合焊接技術在適應不同工作環境的能力上更勝一籌，其應用范圍也更加廣泛。本章節闡述了國內外在萬瓦級激光- 電弧復合焊單面焊雙面成形的典型研究。

圖28　不同真空度下焊縫氣孔分布的三維重建圖

圖29　多種環境壓力下焊接過程中匙孔動態形貌照片

Turichin等人運用高能量光纖激光技術實 現了14 mm厚X80管線鋼單道焊雙面成形，還實現 了14 mm X80管線鋼對接及T形接頭單面焊接雙面 成形。?mer üstünda?等人建立了電磁熔池支撐系統，采用 20 kW 激光功率進行激光-電弧復合焊接試驗。研究結果顯示，電磁熔池支撐技術能夠有效地穩定熔池，防止熔融金屬滴落，并成功實現了 20 mm、25 mm、28 mm 船用 S355J2 低合金鋼以及 20 mm X20 管線鋼單面焊接雙面成形，如圖 30 所示。這些研究成果為激光-電弧復合焊接技術在船舶和管線制造等領域的應用提供了技術支持。

圖30　基于交流振蕩電磁系統的激光-GMAW 復合焊接

Mizutani等人采用激光-電弧復合焊，激光功 率16 kW，結合背襯技術和金屬絲切割填充法填補焊縫間隙，對25 mm厚SM490A結構鋼板實現了單面焊雙面成形，并且采用雙面單道焊接方法實現了 50 mm厚板的焊接，且焊接接頭機械性能優異。試驗裝置和部分焊縫截面如圖31所示。 

德國不萊梅激光研究所Vollersen等對激光- 電弧復合焊接裝配間隙進行研究，在20 kW激光功 率作用下，16 mm厚X65板材實現一次性焊接穿透， 并且實現2 mm的邊緣偏差及0.35 mm的裝配縫隙， 這表明激光-電弧復合焊技術擁有出色的縫隙連接性能。挪威科技大學Bunaziv等人使用15 kW激 光功率對 45 mm 非商業 HSLA 鋼，進行激光-電弧復合焊接，結果表明，在低溫（-50 ℃）下，熔合線高， 焊縫金屬韌性好。國內探究萬瓦級光纖激光電弧復合焊的實例寥寥。沈陽工業大學井志成等人采用 10 kW 光纖激光器進行激光-電弧復合焊接， 一次性焊接穿透18 mm厚的EH36船舶用高強度鋼材，并對焊縫接頭的機械性能進行了評估。黃瑞生 等人使用30 kW光纖激光器，利用高速攝影技術觀察高功率激光-MAG 復合焊接過程中羽輝和飛濺的形態，研究表明，當激光功率達到萬瓦級別時， 羽輝與飛濺現象明顯增多，對焊接的穩定性帶來了不利影響。蔣寶等人使用 30 kW 光纖激光器對 30 mm Q235B低碳鋼進行平板堆焊試驗，采用激光 引導電弧技術并增加電弧輸出功率的方式，可以顯著改善焊縫表面形態。王志鵬等通過對 25 mm 厚的Q355C低合金高強度鋼進行平板堆焊實驗，探究了焊接參數對焊縫的成形和熔池形貌的影響，實現了 25 mm 厚 Q355C 低合金高強度鋼的平板對接單面焊雙面成形。哈爾濱焊接研究所團隊利用萬瓦級激光-電弧復合焊成功用于大型船板焊接。

（a）試驗裝置

（b）焊縫形貌

圖31　試驗裝置及接頭橫截面宏觀圖像

相較于傳統電弧焊接，萬瓦級激光-電弧復合焊接具有連接效率高、大深寬比和橋接能力好等優勢。然而，在進行中厚板激光-電弧復合焊接時接頭仍會存在接頭成形不良、氣孔飛濺等問題，難以滿足不斷提高的成形和服役要求。

在萬瓦級激光-電弧復合焊中，當熔深≥12 mm 時，焊縫根部易出現氣孔，如圖32所示。隨著激光功率的增大，氣孔傾向增大。基于萬瓦級激光電弧復合焊氣孔以及缺陷等問題目前仍未解決，為了克服萬瓦級激光電弧復合焊工藝在深焊縫區氣孔率方面的局限性，德國亞琛工業大學 Reisgen 等提出激光-埋弧復合焊接方法，在高功率激光焊接的基礎上引入埋弧焊，延長熔池凝固時間，從而達到降低焊縫氣孔率的目的。激光-埋弧復合焊示意如 圖33所示。

圖32　萬瓦級激光-GMA復合焊

圖33　激光-埋弧復合焊

Reisgen等人于 2012 年采用20 kW級 CO2激 光器也開展了激光-埋弧復合焊接氣孔率實驗，通過與激光-GMA對比如圖34所示，激光-埋弧復合焊顯著降低焊縫氣孔率。該團隊又開展了35 mm厚的X65（L460MB）鋼激光-埋弧復合焊接工藝試驗，與傳統埋弧焊相比焊接效率顯著提升；焊接接頭形貌如圖35所示，焊接接頭變形小、焊縫氣孔率低、焊縫成形良好。并對焊接接頭進行力學性能測試，結果表明，焊接接頭的平均抗拉強度與母材相當。

圖34　焊縫氣孔率對比

圖35　激光-埋弧復合焊接頭形貌

Reisgen 等人于 2020 年又開展了激光-埋弧復合焊單面焊雙面成形工藝，引入圓形擺動激光技術 預實現 22 mm 厚單面焊雙面成形技術，但并未成功，在添加襯墊的前提下實現22 mm厚一次焊接成形，如圖36所示。

（a）未加襯墊　　　　　　　　（b）加襯墊 

圖36　激光-埋弧復合焊焊縫截面

（1）萬瓦級激光自熔焊具有高激光能量密度、 高焊接速度、焊接熱影響區較窄等優勢，但當激光功率超過10 kW時，在大氣環境下，工藝窗口很窄，羽輝波動大，易形成飛濺，很難獲得良好的接頭。 

（2）萬瓦級真空激光焊接可以顯著增加焊縫熔深，提高焊縫成形質量并且能夠抑制焊接過程中的氣孔缺陷，提高焊縫的性能的優勢。

（3）萬瓦級激光-電弧復合焊接具有連接效率高、橋接能力好、工況適應性強、易實現單面焊雙面成形，工程應用范圍廣等優勢。萬瓦級激光-埋弧耦合焊接正處于起步階段，目前實驗表明，激光-埋 弧耦合焊接具有進一步的研究價值。

綜上所述，萬瓦級高效激光焊接由于其高質量、高效率、大熔深的優勢逐步成為前沿的焊接方向。在各國工作者的研究下，萬瓦級高效激光焊接技術研究已經取得了一定的成果并實現了部分工 業應用，高效復合焊接技術、高新焊接技術是未來核電、船舶、壓力容器等行業焊接技術的發展趨勢。但是對中厚板以及大厚板高功率激光焊接氣孔缺陷控制以及單面焊雙面成形仍需深入研究，解決核電、壓力容器、新能源儲氫裝置、船舶等中厚板高 效、高質量焊接應用需求。