可调压力激光焊接工艺地面模拟装置的研制

李权洪，庞盛永，黄安国，梁吕捷，郭嘉琪，韦朋余

（1.华中科技大学 材料成形与模具技术国家重点实验室，武汉 430000；2.中国船舶科学研究中心，江苏 无锡 214082）

随着人们向深海领域（≥300 m）和外太空领域不断探索，恶劣的服役环境导致对深海与航天空间大型装备焊接制造和维护技术的要求越来越严苛。深海环境具有通透性差、压力变化大以及水文特性复杂等特点，太空环境具有高真空、微重力以及超低温等特点，这种复杂的极端非常压环境使得传统的焊接和修复技术面临愈加严峻的挑战[1—3]。当前，光纤激光能够通过光纤，将高能量密度的激光热源进行长距离、低损耗和高精度的柔性传输，具备可达性好的同时还具有能量集中、热影响区极窄以及应力变形小等优点，被认为是未来深海和外太空等极端非常压环境下最具有潜力的焊接修复和制造技术。

目前，由于严重缺乏深海高压和外太空真空环境下激光焊接制造过程及机理的认识，这直接影响现役装备的维保及其服役寿命，焊接工作者迫切需要开展该环境下的基础性焊接实验研究工作，准确捕捉和描述非常压条件下激光焊接现象及其物理过程和机制，指导实际的焊接制造工作。深海高压和外太空真空环境的焊接基础实验面临着高风险、高成本、长周期甚至很多情况下难以开展的现实难题，为此，焊接工作者不断研究以及开发了多种设备和技术，以期深入探究非常压环境下的激光焊接过程。20世纪90年代中期，德国、日本以及美国等科学家们首先致力于水下局部干法焊接的研究，研制了水下激光排水设备[4—8]。2004年以后逐渐开发了水下激光焊接/修复技术[9]，并成功应用于美国南卡罗来纳州罗宾逊核电站的水下激光修复[10]，以及核电设备中经常出现的应力腐蚀裂纹、疲劳裂纹等缺陷的水下激光修复[11—12]。在国内，2002年清华大学张旭东等[13—16]开展了水下局部干燥激光焊接设备及工艺等相关工作，获得了良好的水下激光焊接效果。之后，北京石油化工学院的朱加雷[17]、南昌大学的陈海军[18]等利用实验与模拟相结合的方法，设计了不同排水装置。上述工作主要集中于水下激光焊接排水装置及工艺技术的研发，对环境压力变化的研究涉及较少。在环境压力变化研究方面，Katayama等[19]发现当环境压力从大气压下降到真空时，熔池的状态会变得更加平静；Boerner等[20]研究表明，随着环境压力的降低，焊缝熔透深度会增加 10%以上；Fabbro等[21]发现当蒸发表面温度低于或接近沸点时，环境压力会减小焊接蒸发速率。

上述研究表明，无论是处于深海较大的高压环境，还是处于外太空间较低的真空环境，压力变化对激光焊接过程的影响十分显著，是激光焊接过程中需要重点考虑的影响因素[22—23]。目前对水深在 1000 m以上的深海高压及外太空间真空环境激光焊接的研究，由于基础性焊接实验的现实难题，而尚未广泛展开。当前，在地面上建立一套集负压和高压于一体的模拟装置，开展从真空到高压压力变化过程的激光焊接实验研究，被普遍认为是揭示不同压力环境下激光焊接物理过程和机理的重要手段和装备[24—27]。文中自主研发设计了可调压力激光焊接地面模拟实验装置，开展模拟装置的耐压性能及压力调节集成测试，实现从真空负压到深海高压的压力调节集成控制。基于该装置，研究不同真空环境以及水下环境的焊缝形貌成形规律，为不同压力环境特点的激光焊接研究提供了重要的思路和手段。

1 可调压力地面模拟装置的研制

由于直接进行深海高压环境激光焊接和太空负压环境激光空间制造实验的成本高、难度大，文中通过设计一种从真空负压到深海高压压力范围可调的激光焊接地面模拟装置，以此满足在地面上可以模拟不同高压力（≥3 MPa）、低真空（≤10 Pa）的压力环境，以及高盐度（≥35 psu）、低温度（≤20 ℃）的水下环境。文中所研发设计的模拟装置包括对模拟装置压力调节集成系统的设计、激光入射孔的设计以及可移动运动平台的设计，具有能够实现负压到高压的可自主调节功能，并可以在陆上模拟深海高压环境和空间真空环境。

1.1 可调压力容器设计

为了能够真实模拟深海高压环境以及空间真空环境的激光焊接过程，从环境压力调节集成控制、耐高压以及耐腐蚀 3个方面对可调压力激光焊接模拟装置进行设计。

装置内部环境气压的稳定可控是地面模拟装置成功模拟不同环境压力的关键，通过对进出气体的气路设计，对装置内部环境压力进行调节，实现装置内部压力的动态平衡。首先设计一套从负压到高压的压力调节集成控制系统，该系统主要分为进气区和排气区两大部分。进气区的保护气气瓶和高压气瓶与模拟装置之间分别通过两组进气管连接，两组进气管对称分布在上端盖一侧，使进入的气体更均匀，并在保护气气瓶上装有气体流量计和针型阀，以此来进一步有效控制模拟装置内的气体流量，并通过截止阀等压力控制阀，形成单向导通的气路，可避免水汽的逆流。

排气区包括安装在两组排气管上的排气阀、截止阀，以及内置的具有排水功能的排水罩。排气阀和截止阀保证了容器内部压力能够得到有效控制，使容器内部始终处于动态稳定的压力环境，并根据所需的压力环境进行自主调节。另外，在截止阀一侧可连接真空泵，可在关闭其他阀门的情况下形成密闭真空环境，用于进行真空激光焊接实验。此外，焊接保护气体可以通过进气管进入模拟装置内部的排水罩中，在待焊件上方形成一个局部干燥稳定的焊接空间，在压力增大后也能使水面更加稳定，避免水对激光焊接过程的影响，从而获得质量较高的焊缝，并通过置于高压容器上的温度计和盐度计，可实时监测模拟有水环境特点时装置内部的水温变化（≤20 ℃）以及盐度变化（≥35 psu）。整个地面模拟装置压力调节系统如图1所示。

图1 可调压力物理模拟装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of adjustable pressure physical simulation device

为了在地面上能够模拟 3 MPa以上的深海高压环境，可调压力模拟装置的结构和密封方式是耐压性能的关键。在模拟实验过程中，模拟装置有时需要盛装不同盐度的水以模拟不同环境下的海水环境特点。由于海水的盐度较高，模拟装置需要具有良好的耐腐蚀性和耐高压性，因此，选用强度高且防腐蚀性好的304不锈钢作为可调压力模拟装置的制造材料，并且对材料进行镀镍处理，进一步提高耐腐蚀性。为了使装置内部受力均匀，以进一步承受较高的环境压力，模拟装置的整体结构将采用圆柱筒结构，该结构内壁受力均匀，可以承受较高的压力。根据 GB 150.3—2011中给出的内压圆筒壁厚设计标准，对可调压力模拟装置的壁厚进行计算，因此，模拟装置筒体的壁厚δ可表示为：

式中：pc为筒体的理论设计压力；D为筒体内径；[δ]为钢板在设计温度下的许用应力；φ为焊接接头系数，取0.8。

地面模拟装置设计耐压为 3 MPa以上，外径为140 mm，因此壁厚约≥8.11 mm，为了保证高压容器的安全性，设计壁厚为10 mm。高压容器整体外观结构及尺寸设计如图2所示。

图2 压力容器外观结构及尺寸的设计示意图Fig.2 Design diagram of the appearance structure and size of the pressure vessel

良好的密封性可以保证容器内部高压环境的稳定性。法兰结构受力均匀，并且可以通过螺栓进行预紧，是压力容器中常用的结构。根据《压力容器法兰》的设计标准，法兰结构设计公称直径≤800 mm，为了便于法兰结构的人工开启和操作，取法兰结构外径为340 mm，并与圆柱筒结构通过焊接方式进行连接。整个压力集成可调的模拟装置能够模拟不同高压力、低真空等非常压环境，也能模拟水、盐度以及其他生物特点的焊接实验环境，为深海高压激光焊接过程以及空间负压激光制造过程提供了强有力的实验基础。

1.2 激光入射孔设计

在模拟水下环境激光焊接过程中，由于水的存在，激光会与母材等发生剧烈的相互作用，过程中所产生的金属蒸气以及水蒸气等高温气体极易进入到激光头内部造成污染，会严重影响激光器的使用，且焊接过程中的金属飞溅等极易对激光头内的光学器件造成损毁，并且激光头在焊接移动过程中容易与其他结构发生干涉，因此，激光头与模拟装置之间的相对位置关系是整体装置设计的关键，同时应尽可能保证激光头在极端非常压环境中能够灵活、便捷的操作，文中采用光纤激光焊接系统置于可调压力容器外的方式进行焊接实验。

激光焊接系统置于模拟装置上方，需要在模拟装置的上方设计激光入射孔，使得光纤激光能够通过可调压力容器上方开设的入射孔进入到装置内部，并且入射激光与入射孔的中心应该始终保持在同一中轴线上。同时在装置内部放置可移动平台，实现激光与成形基板之间的相对运动。此外，可调压力容器需要保持良好的密封性，入射孔采用锥形环和 O型圈相配合的密封方式，并通过螺栓将上盖板与下端盖进行连接。激光外置焊接方式如图3所示。

图3 激光外置焊接方式示意图Fig.3 Schematic diagram of laser external welding

在实验过程中，激光需要经过可调压力容器上方的入射孔进入装置内部，入射孔中透射玻璃的选择对激光焊接过程有着很大的影响。激光波长为1060 nm，透光性不良的玻璃容易导致激光束无法进入到装置内部，并且在焊接过程中容易出现激光烧蚀玻璃的现象，因此，激光所透射的玻璃应满足透明、耐高温、强透光等条件。石英玻璃对激光的透射率可达99%以上，可透激光波长为 1030~1080 nm，能够满足激光焊接透射要求。此外，石英玻璃密度高（22.21 g/cm2），可承受50 MPa以上的压力，具有较强的耐压强度，并且石英玻璃的化学稳定性好，高温高压下水侵蚀小，具有良好的耐腐蚀性，因此，选用石英材质的玻璃作为激光焊接过程中的透射玻璃（厚度为10 mm，直径为60 mm）。

1.3 运动平台设计

在焊接实验过程中，内置的光纤激光器在移动过程中极易与可调压力容器结构发生干涉。为了避免干涉的产生，文中采用光纤激光器固定，工作台移动的方式进行焊接实验。该种方式有效提高了焊接效率，降低了实验成本，对于不同材料、不同结构的焊接实验具有较好的通用性，并且可移动运动平台在水环境下进行激光焊接的过程中，工作台的运动会带动装置内部的水，使水发生波动，进一步真实模拟水下环境水流流动特点。

运动平台由可移动工作台、移动导轨和动力驱动装置组成，如图4所示，其中焊接工作台位于可调压力容器内部的移动导轨上，伺服电机动力装置位于可调压力容器外部。伺服电机与可移动工作台通过直线推杆进行连接。当动力装置驱动连接推杆时，可调压力容器内部的可移动工作台在导轨上做直线运动。为了在焊接过程中精确控制可移动工作台的移动速度，从而得到所需的焊接速度，利用编码器脉冲控制伺服电机进行精准的运转。电动驱动丝杆滑台的方式需在丝杆与电机之间配置联轴器，采用滚珠丝杆传动的方式可以很好地减少密封处的移动，避免出现漏气现象。

图4 激光焊接可移动运动工作台Fig.4 Movable motion table of laser welding

2 结果与分析

2.1 可调压力激光焊接装置的耐压性能测试

根据上述设计，对可调压力激光焊接装置进行实物加工、安装，如图5所示，并对装置的耐压性能和压力调节性能进行验证，进一步证明压力容器的安全性、可靠性。压力是深海高压环境激光焊接和空间真空环境激光制造最主要的影响因素，为了验证模拟装置的设计可靠性，在江苏派斯特压力容器有限公司通过负压测试以及水压耐高压测试对自主研制的实验装置进行第三方验证。

耐压测试测试结果如图5a和5b所示，其中，图5a为设计耐压实验曲线，图5b为实际压力实验曲线。从图5a可以看出，设计要求在10.5 MPa的高压环境时需满足无泄漏状态，并在13.13 MPa时应能够维持该压力30 min以上，最后降压时能够在10.5 MPa的压力下继续保持足够时长，以验证整个装置在升压和降压压力调节过程中的密封性以及稳定性。从图5b实际压力测试结果可以看出，实际测试升压和降压过程的时长均能满足所需要求，因此，所研制的可调压力激光焊接模拟装置可实现压力变化调节功能，并且最大能够承受13.13 MPa，即可实现深水环境1000 m的水下激光焊接，具有良好的耐压性能。另外，在进行负压测试时，将真空泵与排气阀进行连接，并关闭其他所有气压阀的阀门，通过电阻规对装置内部压力值进行实时观测。结果表明，模拟装置的极限压力值为5.2 Pa，满足空间制造所需的负压焊接条件。

图5 水下激光焊接地面模拟装置系统示意图Fig.5 Schematic diagram of underwater laser welding ground simulation device system

装置性能测试结果表明，文中自主研发设计的可调压力激光焊接工艺地面模拟装置可实现从负压到高压范围内的环境压力调节，满足深海高压环境激光焊接和空间真空环境激光制造所需压力条件。

2.2 变压环境激光焊接实验

采用IPG公司的YLR-4000光纤激光器，对尺寸为100 mm×150 mm×10 mm的ANSI 304不锈钢进行可调压力环境下的激光焊接实验。在离焦量为0 mm，激光焊接功率为3 kW，焊接速度为1.5 m/min的焊接条件不变下，通过改变模拟装置的内部压力参数，以获得不同压力环境下的激光焊接过程。基于此，文中进行了4组在不同环境压力参数下的激光焊接实验，环境压力分别为40 000，4000，400，40 Pa。焊接结束后，将试件制备成金相试样，采用Kroll试剂进行腐蚀，其配比为3~9 mL HCl+1~3 mL HNO3，腐蚀时间为6~10 s，然后进行清洗、烘干，并在金相显微镜下测量焊缝的尺寸。

不同压力环境下的激光焊接实验焊缝形貌如图6所示。由图6可知，当环境压力较大时，此时焊缝的熔深相对较浅，焊缝整体形状呈 V形。随着环境压力降低至40 Pa时，焊缝表面逐渐变得均匀，焊缝形状由V形向I形过渡，熔区逐渐变窄。不同压力环境下 304不锈钢激光焊接的焊缝熔宽和熔深变化曲线如图7所示。结果表明，激光焊接会随着环境压力的降低，焊缝深度逐渐增大，当压力从40 000 Pa降至40 Pa时，焊缝熔深从3.15 mm增大到5.1 mm，最高增幅可达 37%。相比之下，熔宽则呈下降趋势，从1.8 mm下降到1.5 mm，减幅为16.7%。

图6 不同压力环境下激光焊接焊缝形貌Fig.6 Welding seam morphology of laser welding under different pressures

图7 不同压力环境下焊缝熔深和熔宽对比Fig.7 Comparison chart of weld penetration and width under different pressures

从实验结果可以看出，当环境压力发生变化时，焊缝熔深也会随之发生显著变化。小孔熔深的变化是由于环境压力的改变导致小孔壁面温度发生改变而引起的。当小孔内温度逐渐上升，反冲压力逐渐增大，会使得小孔深度有所增加，因此，由于所处压力环境的不同，焊缝形貌也会有所不同。在Himi等[28]研究中也发现过类似报道。

2.3 水下环境激光焊接实验

采用IPG公司的YLR-4000光纤激光器，对尺寸为100 mm×150 mm×10 mm的“海洋金属”TC4钛合金进行局部干法水下环境激光焊接实验。保持离焦量为 0 mm，激光焊接功率为 3 kW，环境压力为 0.1 MPa，环境水温为20 ℃，保护气体（N2）流量为80 L/min不变，文中设计了水环境中5组不同焊接速度的激光焊接实验，焊接速度分别为1，1.5，2，2.5，3 m/min，通过改变激光焊接过程中的焊接速度，以探究不同水下环境中激光焊接速度对钛合金焊缝成形的影响规律，并与地面环境焊接速度为1 m/min的激光焊接过程进行对比，探究水的存在对激光焊接过程的影响。焊接结束后，将试件制备成金相试样，腐蚀试剂的配比为90 mL H2O+6 mL HNO3+2 mL HF，腐蚀时间为15~20 s，然后进行清洗、烘干，并在金相显微镜下测量焊缝尺寸。

水下环境不同焊接速度的激光焊接焊缝形貌如图8所示。在相同的焊接速度参数下，陆上环境焊缝形貌（见图8a）与水下环境焊缝形貌（见图8b）几近相似。水下环境焊缝形貌成“T”字形状，上半部分较宽，下半部分狭长而笔直，并且可以观察到随着焊接速度的增大，水下环境整个焊缝形貌横截面积在逐渐减小。水下环境不同焊接速度 TC4钛合金激光焊接的焊缝熔宽和熔深变化曲线如图9所示。结果表明，水下环境激光焊接的焊缝熔深和熔宽均随着焊接速度的增大而逐渐减小。当焊接速度从1.0 m/min增加到3.0 m/min时，熔深从4.1 mm减小到2.8 mm。熔宽从3.6 mm减小到2.8 mm，最大减幅分别达31.7%和22.22%。

图8 大气及水下环境激光焊接焊缝形貌Fig.8 Morphology of laser welding seam in atmospheric and underwater environment

图9 水下环境不同焊接速度的焊缝熔深和熔宽对比Fig.9 Comparison of weld penetration and width at different welding speeds in underwater environment

从实验结果可以看出，TC4钛合金激光焊接水下焊缝与陆上焊缝的焊缝形貌差别不大，证明自主研发设计的模拟装置能够在地面上模拟水下环境，并且能够成功地进行水下激光焊接过程。随着焊接速度的增加，焊接小孔的横截面面积不断减小。这是因为较快的焊接速度使激光能量的传递和吸收位置由熔池下部逐渐转移到了熔池上部，导致激光能量吸收率减小，金属熔化量和熔池金属蒸发量也在逐渐减少。此外，随着焊接速度的增大，焊缝熔深和熔宽均呈下降趋势。这是因为水下环境激光焊接过程中激光束在母材上的移动速度加快，导致激光焊接线能量减小，激光与母材的作用时间减少，熔池小孔中壁面的蒸发温度有所降低，反冲压力逐渐变小，使得熔深和熔宽进一步减小。在姚杞等[29]研究中也发现过类似报道。

3 结语

1）设计研发了一套从真空负压到深海高压压力范围可调的激光焊接地面模拟装置，该模拟装置包括压力调节控制系统、激光光路系统和可移动运动平台，能够模拟不同高压力、低真空等非常压环境，以及模拟水、盐度以及其他生物特点的激光焊接实验环境，为未来深海高压和外太空负压激光焊接实验提供了强有力的设备支撑。

2）验证了研发设计的模拟装置可实现负压到高压的可自主调节功能，可以在陆上模拟深海高压环境激光焊接和空间真空环境激光制造过程。结果表明，模拟装置能够承受13.13 MPa的压力，可以在地面模拟水深1000 m（10 MPa）以上的高压环境，负压极限压力值可达5.2 Pa，满足空间负压激光焊接条件。证明了可调压力激光焊接地面模拟装置在陆上模拟非常压环境的可行性和有效性。

3）利用自主研发设计的模拟装置进行了不同环境压力条件下的激光焊接实验。在激光焊接功率为3 W，焊接速度为 1.5 m/min的焊接条件不变下，随环境压力从40 000 Pa减小到40 Pa，焊缝熔深从3.15 mm增大到5.1 mm，而熔宽则呈减小趋势，从1.8 mm减小到1.5 mm。

4）利用研发设计的模拟装置在水下环境进行不同焊接速度的激光焊接实验。在激光焊接功率为 3 W，环境压力为0.1 MPa，环境水温为20 ℃，保护气体（N2）流量为80 L/min的条件不变下，水下环境激光焊接随着焊接速度从1.0 m/min增加到3.0 /min时，熔深和熔宽均成下降趋势。熔深从4.1 mm减小到2.8 mm，熔宽从3.6 mm减小到2.8 mm。