摘要：东南大学孙桂芳教授研究团队综述报道了激光修复-水下激光焊接/熔覆海工装备的研究。相关论文以“Underwater Laser Welding/Cladding for High-performance Repair of marine Metal Materi
长三角G60激光联盟导读
东南大学孙桂芳教授研究团队综述报道了激光修复-水下激光焊接/熔覆海工装备的研究。相关论文以“Underwater Laser Welding/Cladding for High-performance Repair of marine Metal Materials: A Review”为题发表在《Chinese Journal of Mechanical Engineering》上。
随着海洋资源开发的迅速发展，大量海洋工程装备在海洋上安家落户。当无法将受损装备移至干船坞时，就必须在水下环境中进行焊接作业。水下激光焊接/熔覆技术是一项前景广阔的先进技术，可广泛应用于受损装备的维护。本综述论文旨在对水下激光焊接/熔覆技术进行批判性分析和工程概述。首先，研究团队阐述了国内外排水喷嘴的最新进展和关键问题。接着介绍了水下激光加工和修复海洋材料的微观结构-力学行为。综述了新开发的基于送粉和送丝的水下激光直接金属沉积技术。说明了水下激光直接金属沉积和空气中激光直接金属沉积过程中熔池中的对流、传导和冶金动力之间的差异。随后，提出了要充分发挥水下激光焊接/熔覆技术的潜力需要克服的几个挑战。最后，对水下激光焊接/熔覆技术和水下冶金理论的未来发展方向提出了建议。本综述不仅丰富了水下修复技术方面的知识，还为该技术在海洋工程领域中的潜在应用提供了重要指导。
图1气幕喷嘴示意图（a）德国GKSS公司研发，（b）由日本东芝公司研发。
图2（a）哈尔滨工业大学研发的双层气幕喷嘴和（b）东南大学研发的环形缓冲结构气幕喷嘴示意图。
图3东南大学研发的（a）第一类和（b）第二类气幕喷嘴的结构，以及（c）、（d）华南理工大学开发的带螺旋进气口的排水装置的三维示意图。
图4(a)日本日立公司和(b)清华大学研发的带水幕排水装置示意图。
图5东南大学开发的水气混合排水法排水喷嘴示意图。
图6(a)日本东芝公司开发的多功能激光焊接头示意图和(b)反应堆容器喷嘴的工作过程。
图7日本IHI公司的结果：(a)水下Nd:YAG激光焊接Y308L涂层的目视检查、液体渗透试验和组织观察；(b)水下Nd:YAG激光熔覆各位置的焊缝外观和熔透试验。
图8日本东芝公司的结果：（a）激光密封焊接实验装置示意图；（b）激光密封焊接304L不锈钢的沉积顺序和模拟试验结果。
图9日本东芝公司的结果，多层熔覆横截面显微图：（a）低沉积速率；（b）、（c）高沉积速率。ERNiCrFe-7A熔覆层的渗透测试结果和横截面显微图：(d)直接熔覆在高S值不锈钢上，(e)以Y309L作为阻挡层熔覆在高S值不锈钢上，(f)多层水下激光密封焊接的典型焊缝外观、渗透测试和横截面显微图。
图10（a）侧弯试验试样；（b）全焊缝金属拉伸试样；（c）采用水下激光束焊接技术在304L 不锈钢板上形成的三层ER308L焊缝。
图11当水流量恒定时，熔透深度和焊缝宽度与气体流量的函数关系。
图12不同焊接速度下304不锈钢对接接头的外观和横截面：(a)0.6m/min，(b)0.8m/min，(c)1.0m/min。
图13(a)水下和(b)空气环境中基于线材的Ti-6Al-4V激光熔覆层；水下和空气环境中沉积的单轨Ti-6Al-4V的横截面(c)10L/min，(d)18L/min，(e)20L/min，(f)空气环境。
图14 304不锈钢横截面宏观形貌：（a）示意图，（b）空气中激光熔覆涂层，（c）304不锈钢水下激光熔覆涂层。
东南大学课题组近几年来一直致力于基于粉末进给的水下激光直接金属沉积（ULDMD）这一新技术的开发。自2016年以来，已开发出三种类型的排水喷嘴，如图3(a)、(b)和图5所示。2021年，他们报告了在55毫米水深下通过ULDMD制造的Ti-6Al-4V块体的研究情况。图15(a)显示了ULDMD Ti-6Al-4V块的沉积物外观。与线进给ULDMD相比，粉进给ULDMD制成的样品顶面相对光滑（图13(a)）。以往关于ULDMD的研究报道了ULDMD材料的微观结构和力学性能。然而，水下环境如何影响ULDMD过程中熔池中的对流、传导和冶金动力学尚未得到说明，而这对ULDMD 制成的样品的微观结构和力学性能有着决定性的影响。
图15(a)ULDMD Ti-6Al-4V块的形貌以及(b)空气中DMD和(c)ULDMD的热边界条件（不同颜色的箭头代表热传导模式）。
图16(a)实验和模拟热电偶B位置（距离梯形槽中心20mm）的热循环；(b)热电偶A（距离梯形槽中心10mm）在ULDMD和空气中DMD期间测得的热循环对比；(c)ULDMD过程中熔池的温度等值线；(d)DMD过程中熔池的温度等值线；(e)ULDMD和(f)空气中DMD过程中的显微组织演变示意图；(g)HSLA-100钢的CCT图。
为拓展水下焊接技术在海洋工程中的应用，许多研究人员对水下焊接技术进行了不懈的研究和探索。本文介绍了水下激光焊接/熔覆技术的工程概况。综述了水下激光焊接/熔覆技术的发展现状、组织性能、基本机制和挑战。此外，还对水下激光焊接/熔覆技术的未来研究提出了一些建议。
(1)综述了在水下焊接/熔覆中对形成稳定的局部干燥区起决定性作用的几种排水喷嘴的发展情况。对于水下激光焊接，气体排水法可在约3米的浅水深度内形成稳定的局部干燥区，而水排水法可将水深扩展至30米。采用气水混合排水方式的排水喷嘴，在较大的水深条件下，能够获得较好的排水质量。
(2)综述了关于水下激光焊接/熔覆海洋材料的激光材料加工技术和微观结构-力学性能。当激光焊接/熔覆区的水层厚度小于3毫米时，水对ULBW有轻微影响。但是，当激光焊接/熔覆区的水层厚度大于7毫米时，水对激光束有强烈的阻碍作用。
(3)详细介绍了作者研究小组开发的一种基于粉末的ULDMD创新技术。介绍了水下环境如何影响ULDMD过程中熔池中的对流、传导和冶金动力学。通过ULDMD制造的316L不锈钢、HSLA-100钢和Ti-6Al-4V钛合金的力学性能与通过空气DMD制造的性能相当。
(4)对于采用水下湿法电弧焊制造的试样，其扩散氢含量远高于国际焊接学会（IIW）规定的焊接接头氢含量标准（5 mL/100 g）。当采用水下激光焊接/熔覆技术在局部干燥区域焊接/熔覆材料时，成型材料中的扩散氢含量远远低于IIW的标准。
论文链接：
Sun, G., Wang, Z., Lu, Y. et al. Underwater Laser Welding/Cladding for High-performance Repair of Marine Metal Materials: A Review. Chin. J. Mech. Eng. 35, 5 (2022). https://doi.org/10.1186/s10033-021-00674-0
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长三角G60激光联盟陈长军原创
来源：江苏激光联盟