在船舶制造、压力容器、涡轮机生产等关键工业领域，厚钢板焊接是核心工序，但传统电弧焊或混合激光焊存在填充材料消耗大、多道焊接易生缺陷、热影响区（HAZ）大、板材变形严重等痛点。近日，以色列 Civan Advanced Technologies LTD 团队在《Welding in the World》发表研究成果，通过 “动态光束整形 + 实验 + CFD 仿真” 结合的方法，成功解决厚钢板激光焊接的裂纹、鼓包、气孔等核心缺陷，实现 15-25mm 厚钢材及 20mm 厚不锈钢的高质量焊接，且通过工业标准认证，为高端装备制造提供了高效可靠的焊接方案。
一、研究核心目标与技术基础
1. 核心痛点破解
厚钢板激光焊接需高功率实现全熔透，但易因小孔不稳定、熔池动力学失控引发三类关键缺陷：
鼓包（bulging）：熔池局部加宽，导致应力集中；
气孔（porosity）：小孔坍塌截留气体；
裂纹（cracking）：热梯度与凝固收缩引发的脆性断裂。
2. 技术核心：动态光束整形系统
采用Civan 公司自主研发的光学相控阵（OPA）+ 相干合束（CBC）激光系统，波长 1064nm，最大输出功率 28kW，核心优势在于：
可生成定制化光束形状（如单点、内凹 U 形），并实现 MHz 级频率切换；
支持光束序列组合，精准控制每种形状的作用时长，灵活调控能量分布；
有效稳定小孔形态与熔池流动，从根源抑制缺陷生成。
二、实验设计与关键参数
1. 实验材料
聚焦工业常用厚钢板材，涵盖两类核心材料：
2. 实验方案
焊接模式：自熔焊（无填充材料），保护气为 99.999% 高纯氩气（流量 10 L/min）；
核心参数：激光功率 14kW，焊接速度 23mm/s，有效焦距 1500mm，主瓣直径 136μm；
光束方案：测试 3 类光束形态 —— 单点光束、内凹 U 形光束、“单点 + 内凹 U 形” 序列（作用时长 2.5ms/5ms/10ms）；
验证场景：平焊、横焊、立向上焊三种工业典型焊接位置。
3. 检测与仿真
实验检测：截取 4-6 个焊缝横截面，经 Nital 溶液腐蚀后，通过 UM20 数字显微镜观察微观结构与缺陷；
数值仿真：由维也纳技术大学（TU Wien）完成 CFD 多相流仿真，模拟小孔稳定性、熔池速度场与温度场分布。
图 1 实验焊接装置示意图
三、关键研究成果
1. 单一光束形态的缺陷控制效果
图 2 单点与内凹 U 形光束的焊接效果及仿真结果。左图（单点光束）：横截面可见颈缩与鼓包，CFD 仿真显示熔池速度场不均；右图（内凹 U 形光束）：
仿真显示小孔宽而稳定，但实验横截面存在气孔缺陷；彩色图谱：上为归一化熔池速度场，下为小孔及周边板材温度分布（单位：K）。
2. 光束序列组合：实现缺陷全抑制
“单点 + 内凹 U 形” 序列通过两种光束的优势互补，成为最优方案，不同时长组合效果对比显著：
· 2.5ms/2.5ms：小孔不稳定，熔池顶部与底部均产生飞溅，鼓包缺陷明显；
· 5ms/5ms：最优参数—— 小孔宽而稳定，熔池流动均匀，横截面无鼓包、气孔与裂纹，焊缝几何形态平滑；
· 10ms/10ms：缺陷复发，出现严重鼓包、颈缩，焊缝下部产生大尺寸气孔（与熔池鼓包坍塌相关）。
仿真进一步揭示：5ms 时长可精准匹配熔池与小孔的动态平衡，避免短时长的不连续冲击和长时长的稳定性衰减，且小孔形状会随光束形态实时响应，实现动态调控。
图 3 不同时长的 “单点 + 内凹 U 形” 序列焊接效果。（a）2.5ms/2.5ms：仿真与实验均显示明显鼓包，飞溅严重；
（b）5ms/5ms：仿真小孔稳定，实验横截面平滑无缺陷（最优方案）；（c）10ms/10ms：仿真再现鼓包坍塌，实验横截面出现大尺寸气孔。
图 4 光束切换时的小孔形态仿真图。（a）单点光束作用时，小孔呈圆形集中态； （b）内凹 U 形光束作用时，小孔同步呈 U 形扩展态；
核心价值：验证光束形态与小孔的强耦合性，为动态调控提供理论支撑。
图 5 熔池鼓包坍塌仿真与不同切换周期的熔池形态。（a）熔池鼓包坍塌过程（白色线条为等温线），易引发气孔与裂纹；
（b）不同切换周期的时间平均熔池形态，5ms/10ms 组合可抑制鼓包。
3. 多场景工业验证达标
将优化后的光束序列（单点 + 内凹 U 形，5ms/5ms，内凹 U 形频率 5kHz）应用于工业实际焊接场景，均实现高质量输出：
· 15mm 厚 S355J2 碳钢对接接头：无缺陷，通过 ISO 15614-11/ISO 15614-1 工业标准认证；
· 25mm 厚 S355J2 碳钢：平焊、横焊、立向上焊三种位置均无缺陷，平焊位置获焊接工艺规范认证；
· 20mm 厚 316L 不锈钢：对接焊缝质量优异，仅需通过气体保护金属电弧焊（GMAW）填充少量打底金属，即可满足工业验收要求。
图 6 优化光束序列焊接的对接接头效果。（a）对接接头的顶部与底部外观，无飞溅、无缺陷；（b）对应横截面，焊缝熔透均匀，几何形态平滑。
图 7 多材料多位置焊接达标效果。（a）25mm 厚 S355J2 碳钢的平焊、横焊、立向上焊效果，顶部 / 底部无缺陷，横截面熔透均匀；
（b）20mm 厚 316L 不锈钢对接焊缝，GMAW 填充后完全满足工业标准。
四、技术价值与工业意义
1. 缺陷控制突破：动态光束整形通过能量分布精准调控，从根源解决厚钢板焊接的鼓包、气孔、裂纹三大核心缺陷，无需复杂预处理（如开坡口），减少焊接道次；
2. 效率与成本优势：相比传统电弧焊，热影响区（HAZ）更小、板材变形量极低，无需大量填充材料，焊接效率提升显著；
3. 强兼容性：适配 15-25mm 碳钢、20mm 不锈钢，支持平 / 横 / 立三种工业典型焊接位置，通用性强；
4. 工业落地保障：通过 ISO 标准认证，焊接工艺规范可直接应用于船舶制造、压力容器、涡轮机生产等关键领域，推动高端装备制造的提质增效与国产化替代。
未来，该技术可进一步优化光束序列的中间时长参数（如 2.5-5ms 区间），适配更多材质与厚度的厚板焊接，为超厚钢板（50mm 以上）的无缺陷焊接提供新路径。
