海上风塔窄间隙焊需求
随着能源消耗越来越大，“化石能源”对环境破环的状况越来越严重，全球变暖让人类发展受到威胁，联合国气候变化大会号召，各成员国也积极响应，承诺采取进一步措施，加快实现到2050年化石燃料 "零排放"的步伐。要实现这些目标，就必须对可再生能源进行大规模投资，其中风能将发挥关键作用。在欧洲、拉丁美洲、非洲和中东经历了最初的蓬勃发展之后，如今全球主要的 "风能市场"在中国和美国。然而，根据到 2030 年的增长预测，全球新增装机容量将不足以实现2050年度目标，大幅增加风力发电，尤其是近海风力发电是迫切需要的举措。
新增风电装机容量 根据当前增长率预测的新增风电装机容量
到 2050 年实现零排放目标年度容量目标方案
到 2050 年实现零排放的累计风电装机容量目标方案
资料来源：GWEC Market Intelligence；lEA 到2050 年实现零排放路线图（2021 年）
图1 海上风塔
作为一种清洁能源，海上风塔建设规模正在迅速增长。海上风电场的发展趋势是扩大涡轮机的规模，并将其放置在离海岸更远的深水区。涡轮机的尺寸不断增大，转子直径超过 150 米，涡轮机容量平均达到 7兆瓦。深海区海浪对结构冲击是不可控的，风暴天气运行条件更加恶劣，对风塔安全性显著提升要求，这对制造如此大的构件和采用更厚钢材焊接会给生产单位带来前所未有的挑战，尤其是风塔建设年度目标考核下，焊接生产效率是前所未有的硬性要求。
图2 风塔分段焊接
传统焊接如此大结构时，需要大热量输入才能焊接大厚板材料，热输入量大，焊接结构热裂纹风险增高，热影响区晶粒粗大，导致结构耐冲击性能降低，而海上风塔经历极不规则的风力载荷及海洋紊流的冲击，运行安全受到严重威胁。同时，大热输入量，导致焊接变形严重，校正变形是非常难的过程，未达到理想的变形控制构件，对风塔运行会带来灾难性风险。因此，焊接坡口需要更小才能改善焊接过程中热输入量，进而保证焊接质量。激光焊热输入量小是大家共识的，新技术会助力风塔制作众所期待。
激光是实现窄间隙焊可靠工具
传统激光实现窄间隙焊需要通过多层填丝焊实现，早期激光头由于不能摆动激光焦点，填丝焊必须严格对准激光焦点与送丝端点，送丝过程中，丝点指向性有偏差，需要严格对焊丝矫直，送丝速度与激光头移动速度、激光功率必须合理配置，才能达到比较好的焊接效果；为了改善光丝同心问题，发展了双焦点填丝焊工艺，改善送丝焦点对激光焦点偏差的不利影响，使激光填丝焊有了长足进步。近年来，激光镀膜技术发展，激光反射镜激光阈值提升，激光振镜能承受功率越来越高，可以采用大功率振镜摆动激光焦点，进一步优化了填丝焊效果，有效改善了窄间隙焊侧边不融合缺陷发生概率。
图3 常见的激光填丝焊光斑实现形式
为了确保多层填丝窄间隙焊的效果，有研究采用外加磁场扰动熔池，改善侧壁融合效果，改善焊接质量，该方法确实有效，但是外加磁场扰动，受到一些因素，如板厚、材料磁导率、外磁强度、稳定性、结构形式等都影响适用性。
激光多层填丝焊还面临一个严重问题，影响其使用前景，每层的焊接过程中会经历多次热循环，结晶组织发生相变，重结晶，使得焊缝组织变得极为复杂，复杂的热过程使得焊接接头残余应力变得难以预测，对于类似海上风塔这种工况恶劣的环境，焊接结构安全性难以保证，这也是传统激光多层填丝焊需要努力解决的问题。
相控激光是大厚板激光焊的最优选择
光学相控阵提供了一种替代且更有效的解决方案。相控阵是一种相干光束组合技术，它将许多单模激光束合并成一个更大的光束。每个激光器都会发出自己的光，这些光与远场中的其他光束重叠以产生衍射图案。该过程释放了灵活性，可以轻松实时操纵光束形状以创建动态激光光束。在动态光束激光器中，每个平行激光器都会产生重叠的光锥。每个锥体斑点之间的差异会产生轻微的相移。在单个激光锥之间，存在同相和异相区域，分别产生相长和相消干涉。使用相位调制器来控制单个光束会产生干涉图案，可以更改该图案以最大化光束光斑位置，从而根据光束的运动形成各种形状和图案。所有这些都可以以高达数百兆赫兹的速度执行，可以超高速度控制激光光束，使得激光匙孔尽量稳定，达到好的焊接质量。
动态光束整形的另一个优势是能够改变激光的焦点位置。调整相位相互作用不仅可以在平坦的xy平面上移动光束，还可以改变光束在垂直方向上的焦点。这样可以最大限度地改善不同深度的光斑能量分布，改善熔池流动状态，允许减少多层焊接层数，改善熔池传热过程，减小残余应力对结构的不可控概率，提升结构抗疲劳性能，保证风塔海上安全运行。
图4 相干相干动态激光光束实现原理
有研究表明：在线性光斑摆动模式下，焊缝沿着熔合线产生柱状晶粒，沿着焊缝中心线产生等轴晶，细小的等轴晶会降低凝固裂纹的敏感性；在8字线摆动模式，沿着焊缝中心线出现等轴晶和与摆动轨迹一致的弯曲熔合区，毫米级别弯曲的熔合区很大程度上抑制了柱状晶的生产，从而避免晶界裂纹长大，减少裂纹出现概率。相控激光可以任意定义光斑形貌，任意定义光斑扰动轨迹，可以有效控制熔池晶粒形成。更多熔池调整手段，对提升焊缝性能有突破性贡献，有助于大厚板焊接高性能要求提供多种工艺手段。