薛龍，毛雪松，黃繼強(qiáng)，張瑞英，王瑃

(北京石油化工學(xué)院,光機(jī)電裝備技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京,102617)

0 序言

海洋裝備長期受水體腐蝕及波浪循環(huán)變載荷作用，部分地區(qū)還要經(jīng)受風(fēng)暴、洋流、潮汐等環(huán)境侵蝕，甚至是地震的影響，服役環(huán)境十分惡劣，而且海洋工程結(jié)構(gòu)常使用厚大的高強(qiáng)鋼結(jié)構(gòu)板，焊接接頭多且類型復(fù)雜，在長期服役過程中難免會產(chǎn)生銹蝕、裂紋等缺陷.據(jù)統(tǒng)計，貨運(yùn)船舶的維修養(yǎng)護(hù)費(fèi)用普遍占其總固定成本的16%以上[1]，而使用水下修復(fù)技術(shù)能夠縮短工期，并節(jié)約大量養(yǎng)護(hù)費(fèi)用.研究表明，目前世界上約有30%的海洋平臺正處于超期服役狀態(tài)，國內(nèi)也有部分海洋平臺已達(dá)到或超出設(shè)計壽命[2]，可見海洋裝備的維修養(yǎng)護(hù)需求正日益迫切.不僅如此，遠(yuǎn)海服役的裝備大多難以得到及時救援，一旦發(fā)生事故將會造成重大財產(chǎn)損失甚至危及人員生命安全.因此發(fā)展水下修復(fù)技術(shù)是海洋裝備應(yīng)用與發(fā)展的重要基石，對進(jìn)一步探索遠(yuǎn)海、開發(fā)海洋資源也具有顯著的現(xiàn)實(shí)意義.

水下增材修復(fù)技術(shù)是一類以焊接、表面熔覆、堆疊沉積等增材方式為基礎(chǔ)，直接在水下對破損結(jié)構(gòu)進(jìn)行修復(fù)的技術(shù).迄今為止，水下激光修復(fù)技術(shù)已經(jīng)在海洋油氣資源的開采與運(yùn)輸、船舶應(yīng)急維修、船塢港口裝備、水利工程、核動力工程等領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注與研究.隨著高功率激光器的發(fā)展與普及，使用激光為熱源的修復(fù)技術(shù)憑借其功率密度高、熱影響區(qū)小、熱源均勻穩(wěn)定等特點(diǎn)已經(jīng)在陸上常規(guī)環(huán)境下成為了優(yōu)勢技術(shù)[3].而激光特有的高功率密度使其可以達(dá)到極高的熔深，在常用厚大高強(qiáng)鋼板的海洋工程結(jié)構(gòu)的修復(fù)上具有獨(dú)特優(yōu)勢[4].近年來也有許多學(xué)者專注于水下激光修復(fù)領(lǐng)域，并在這一領(lǐng)域取得了豐碩的研究成果.未來，水下激光修復(fù)技術(shù)的應(yīng)用將進(jìn)一步豐富水下修復(fù)技術(shù)儲備，為船舶、海洋平臺、海底油氣管道等海洋裝備的水下原位修復(fù)作業(yè)提供全新的技術(shù)路線.

水下激光修復(fù)技術(shù)作為海洋裝備維修養(yǎng)護(hù)與應(yīng)急搶修領(lǐng)域的國家戰(zhàn)略儲備技術(shù)，其重要地位在“北溪二號”事件愈演愈烈的如今更加凸顯.雖然已經(jīng)有部分研究就水下焊接或激光焊技術(shù)作了相應(yīng)總結(jié)[5-7]，但尚未見到聚焦于水下激光修復(fù)工藝問題的產(chǎn)生機(jī)理及其解決方案的論述與總結(jié).水下激光修復(fù)技術(shù)作為一種優(yōu)勢技術(shù)在新興領(lǐng)域的前沿探索，到目前為止尚且不夠成熟，仍存在一些諸如激光衰減、空化侵蝕、羽流堆積、淬硬等關(guān)鍵問題亟待解決.文中從工藝問題出發(fā)分別對濕法、高壓干法、局部干法三種形式的水下激光修復(fù)技術(shù)進(jìn)行分析，并總結(jié)其發(fā)展趨勢.

1 水下激光增材修復(fù)現(xiàn)有問題

水下激光修復(fù)依照對水環(huán)境的防護(hù)程度分為水下濕法、高壓干法與局部干法三類.濕法即直接在水環(huán)境進(jìn)行修復(fù)，是設(shè)備最簡單、靈活性最強(qiáng)的一種方式；高壓干法即在密封的高壓干艙中進(jìn)行修復(fù)，其系統(tǒng)復(fù)雜、成本高，主要用于修復(fù)難度大、質(zhì)量要求高的情形[8]；局部干法則是一種使用特制的排水罩，僅排空熔池周邊的液體從而創(chuàng)造出局部干腔進(jìn)行修復(fù)的方法，兼顧了隔水效果與設(shè)備的靈活性，是一種折中方案.

1.1 水下濕法激光修復(fù)

雖然早在上世紀(jì)九十年代Shannon 等人[9-10]就進(jìn)行了激光濕法的可行性與基礎(chǔ)機(jī)理研究，但由于水環(huán)境對激光的強(qiáng)烈干擾，水下濕法激光修復(fù)技術(shù)到目前為止依然存在許多亟待解決的問題.

純水的吸收系數(shù)主要由入射激光的波長決定，波長為1.064 μm的Nd:YAG 激光的吸收系數(shù)約為0.17 cm-1，波長為10.6 μm的CO2激光，吸收系數(shù)則大于100 cm-1，如圖1 所示[11]，故使用不同泵浦源的激光器進(jìn)行的濕法試驗(yàn)往往會得出截然不同的結(jié)論，這也決定了用于水下濕法研究的激光器波長應(yīng)當(dāng)避開水體吸收峰.

圖1 不同水深下的激光焊效果[11]Fig.1 Laser welding under different water depth

秦航等人[12]使用光纖激光器對TC4 鈦合金進(jìn)行了濕法激光焊試驗(yàn)，結(jié)果表明濕法激光焊在水深達(dá)到8 mm 左右時便已無法進(jìn)行；Guo 等人[11]在研究穿透水層深度對激光焊的影響時也得到了類似的結(jié)果，并指出光束通道的形成是水下濕法激光焊能夠順利進(jìn)行的關(guān)鍵.隨著水深的不斷增加直至超過某個臨界，光束通道會變得不穩(wěn)定，并直接導(dǎo)致焊接無法進(jìn)行.因此，濕法激光修復(fù)技術(shù)到目前為止僅能在極淺水深下獲得較好的修復(fù)效果.

邢霄等人[13]認(rèn)為在達(dá)到臨界水深前，焊接熱作用產(chǎn)生的蒸氣云會將水體持續(xù)排開以形成穩(wěn)定的光束通道，并在其研究中將超過臨界水深的激光修復(fù)過程描述為一種不穩(wěn)定的周期性焊接行為，即蒸氣團(tuán)不斷出現(xiàn)、漲大、破開水面、蒸氣排出導(dǎo)致壓力降低、水面開口閉合的循環(huán)過程.在這個過程中，光束通道周期性的建立與關(guān)閉導(dǎo)致了焊接過程的不穩(wěn)定.當(dāng)激光能量密度超過閾值，蒸氣云中心位置的氣體在吸收足夠能量之后會發(fā)生電離成為低溫等離子體[14].Zhang 等人[15-16]對Nd：YAG 激光水下濕法激光焊光發(fā)射的研究中發(fā)現(xiàn)，光發(fā)射信號在更深的水層下(10 mm)停止了周期性波動，由相對穩(wěn)定的強(qiáng)紫外輻射與弱紅外輻射組成，認(rèn)為此時已不存在正常的焊接過程，且產(chǎn)生了大量強(qiáng)紫外放射的等離子體，這些等離子體對激光的強(qiáng)烈屏蔽使焊接無法進(jìn)行.故水下濕法激光修復(fù)技術(shù)的關(guān)鍵瓶頸在于焊接時的激光能量衰減，這種衰減主要由水體的折射吸收和蒸氣與等離子體云的屏蔽產(chǎn)生，如圖2 所示.

圖2 水下濕法焊接中的激光誘導(dǎo)等離子體[15]Fig.2 Photoinduced plasma in underwater wet welding

值得注意的是，在相當(dāng)比例的文獻(xiàn)中都僅將光束通道的建立與氣體排開水層形成空腔聯(lián)系起來，但Zhang 等人[17]研究表明，理想水體對波長為1.06 μm的Nd：YAG 激光的吸收率僅為0.014 mm-1.這意味著其在穿透30 mm的水層后，仍能保留約75%的能量；Mullick 等人[18]則構(gòu)建了集總參數(shù)分析模型，以定量估算水環(huán)境對激光的衰減，其結(jié)果也表明，在設(shè)定的工藝參數(shù)范圍內(nèi)，蒸氣與等離子體云的散射與吸收占總熱損失的38%～ 52%，是造成激光功率損失的最主要因素，同比水體對流帶來的熱損失僅占總熱損失的8%～ 16%.可見蒸氣與等離子體云是導(dǎo)致入射激光衰減的主因，其帶來的能量損失甚至比水體所導(dǎo)致的更加嚴(yán)重.如果其不能順利的從激光路徑上排出或清除，光束通道亦無法形成，故應(yīng)當(dāng)意識到光束通道的建立與蒸氣和等離子體云的順利排出或清除也是密切相關(guān)的.

秦航等人[19]在工藝參數(shù)對焊縫成形的影響研究中指出，提高激光功率能夠在一定范圍內(nèi)增大可焊水深，并有利于獲得連續(xù)且成形良好的焊縫(圖3).Guo 等人[11]也注意到在激光功率3.0 kW、焊接速度0.6 m/min時，可焊水深僅有7 mm；在激光功率6.0 kW、焊接速度0.1 m/min時，可焊水深超過了20 mm.可見增大線能量是提高可焊水深的有效措施之一，但過高的功率密度會使水體沸騰的更加劇烈，從而增加水體射流對熔池的干擾，所以提高功率密度對焊接質(zhì)量的改善也存在較大限制.

圖3 水深4 mm 激光功率對成形效果的影響[19]Fig.3 Influence of laser power on forming effect under 4 mm deep water layer

Sakate 等人[20]在焊接時引入了速度2 m/s，方向平行于基板且與焊接方向相反的水流，有效加速了蒸氣與等離子體云的去除，從而得到了更大的可焊深度；Wen 等人[21]在進(jìn)行水下濕法激光焊試驗(yàn)時將一種主要由CaCO3，CaF2，TiO2，Si，Mn，基材粉末和環(huán)氧樹脂組成的輔助防護(hù)材料涂覆在基板上，成功提高了可焊深度，并抑制了焊縫的氧化與氫裂.該團(tuán)隊(duì)在其另一項(xiàng)研究中將涂覆材料的防護(hù)機(jī)理描述為：CaCO3在焊接時產(chǎn)生了電離能更高的氣體(CO2)稀釋了水蒸氣的濃度，從而大大降低了氣團(tuán)整體的電離程度；CaF2用于抑制氫裂；TiO2，Si 和Mn 則抑制了有害金屬氧化物的形成[22].秦航等人[19]在含有類似造氣劑(CaCO3)與造渣劑(CaF2和TiO2)的涂覆材料中添加了Al 與Fe2O3，利用其反應(yīng)熱間接增大了熱輸入，以降低焊縫的熱裂紋敏感性.

除了入射激光的衰減，氣泡與水流擾動也是水環(huán)境對濕法激光修復(fù)的重要影響因素，其中最直接的便是水-氣界面的折射與反射，有研究表明在水下濕法激光修復(fù)中，適當(dāng)?shù)念~外負(fù)離焦量有利于焊縫的成形[19].作為參考，吳廣成等人[23]在水下激光傳輸光束空間分布的研究中得出了水體對激光的總體影響會使光斑趨于擴(kuò)展的結(jié)論，且能量衰減越強(qiáng)烈，光斑擴(kuò)展也越明顯.

濕法激光焊還會產(chǎn)生氧化、氫裂、氣孔等缺陷，馮相如等人[22]認(rèn)為其成因與激光誘導(dǎo)空化和水體爆炸沸騰密切相關(guān).目前已有大量研究表明，高能量密度的激光能夠誘導(dǎo)空化，且空化侵蝕已經(jīng)被應(yīng)用在了激光切割、雕刻、精密微成形等領(lǐng)域[24-27].Zhao 等人[28]對激光誘導(dǎo)空化氣泡動力學(xué)的研究表明，空泡產(chǎn)生之后會不斷膨脹直至內(nèi)部壓力小于其飽和蒸氣壓后崩潰，空泡會如此震蕩數(shù)次直至泡中氣體完全液化或溶解；Chen 等人[29]認(rèn)為空化的破壞力主要體現(xiàn)在當(dāng)空泡在壁面(固體壁面或者任何具有粘度差的界面)附近潰滅時會受非均勻壓力場的影響，產(chǎn)生一個指向壁面的高速液體射流，其試驗(yàn)表明，空泡的存在時間與液體射流的沖擊力都會隨激光能量的增加而增大；強(qiáng)豪等人[30]則更詳細(xì)的分析了不同激光能量密度下空泡的脈動次數(shù)與潰滅時對靶材的能量耦合效率.

蔡志海等人[31]在鋁青銅的濕法激光焊中發(fā)現(xiàn)，空泡潰滅時的水射流使水分侵入熔池并形成了大量氣孔，致使焊縫表面起伏，并帶來了嚴(yán)重的氧化，之后該團(tuán)隊(duì)使用在基材表面預(yù)置助焊粉末的方法改善了焊縫成形；Kumar 等人[32]也在鎳基材激光焊的試驗(yàn)中指出水介質(zhì)中的焊縫相較于氣體中形成了更多的氧化物，且具有更高的顯微硬度；Feng 等人[33]在鎳鋁青銅板的濕法激光修復(fù)中使用了具有鋅與鈦表皮的焊絲，利用低沸點(diǎn)金屬鋅作為造氣劑以減輕激光誘導(dǎo)空化的破壞性影響，并使用鈦增加表面張力，以提高熔池對高速水射流的抵抗能力.

水下濕法激光修復(fù)時水環(huán)境致使入射激光衰減和激光誘導(dǎo)空化侵蝕的作用機(jī)理雖然已經(jīng)較為清晰，但目前還沒有成熟有效的解決方案，該技術(shù)距離實(shí)用仍有較大差距.在已有的研究中，降低激光衰減的方案主要集中于使用氣、水射流輔助吹除蒸氣與等離子體云，或使用高電離能氣體稀釋水蒸氣以降低電離度兩個方面.而抵抗激光誘導(dǎo)空化水射流侵蝕、提升成形質(zhì)量的方案則主要集中于預(yù)置助焊劑以提高熔池的表面張力，或使用氣化覆層保護(hù)熔池.

1.2 水下高壓干法激光修復(fù)

水下干法是一種在壓力艙室中使用壓縮氣將水體排出，從而為激光修復(fù)提供干燥或半干燥作業(yè)環(huán)境的方法.其根據(jù)艙內(nèi)壓力可分為常壓干法與高壓干法，但常壓干法要求壓力艙室完全密封，作業(yè)費(fèi)用與設(shè)備復(fù)雜程度遠(yuǎn)超高壓干法，在實(shí)際工程中極少應(yīng)用，故水下干法一般指高壓干法.高壓干法與陸上激光修復(fù)相比只受到環(huán)境壓力一個因素影響，所以其能以穩(wěn)定可靠的成形效果與焊接質(zhì)量，成為高修復(fù)難度或高質(zhì)量要求時的第一選擇.

肖鐫璐等人[34]進(jìn)行的高壓干式激光熔覆表面修復(fù)試驗(yàn)顯示，高氣壓會使修復(fù)過程的穩(wěn)定性降低，且存在較為嚴(yán)重的飛濺與煙塵.但只要工藝參數(shù)適宜，熔覆層仍能保持穩(wěn)定的成形，很少有氧化、裂紋、氣孔等缺陷產(chǎn)生.雖然高氣壓不會像水層那樣對激光修復(fù)造成破壞性的影響，但為了充分了解高壓干法激光修復(fù)法的特性，對其進(jìn)行深入剖析依然是十分必要的.邵長磊等人[35]發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)的熱損失隨著壓力的升高有所增加，同時煙塵和羽流也降低了激光的實(shí)際熱輸入，導(dǎo)致熔池的流動性降低、熔覆層堆高略有增加、熔寬略有減?。籔ang 等人[36]則指出壓力導(dǎo)致的基材熔、沸點(diǎn)變化也是熔池及匙孔形態(tài)變化的主因之一，環(huán)境壓力的提高將導(dǎo)致熔池表面溫度上升，使得形成匙孔所需的總吸熱量增大，從而降低熔深，這一點(diǎn)在高壓或亞大氣壓下均適用；Luo 等人[37]的研究表明，高壓力下金屬沸點(diǎn)的提升還將降低匙孔形成與加深的速率，并使得匙孔的形成更加穩(wěn)定；Su 等人[38]則將上述原因綜合并歸結(jié)為加快了凝固速度，當(dāng)環(huán)境壓力從100 Pa 增加至4.5 MPa時，焊縫的平均晶粒尺寸減小約37%，且受冷卻方向變化的驅(qū)動，晶粒的生長方向明顯從兩側(cè)向中心表面移動.

Wang 等人[39]在探究不同保護(hù)氣體種類對水下激光焊組織和性能的影響時，在15 m的水深下對雙相不銹鋼S32101 進(jìn)行焊接試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)氮對奧氏體的形成有促進(jìn)作用.使用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體時，焊縫奧氏體含量為51.6%，相比于氬氣(奧氏體含量為32.2%)有所提高.該團(tuán)隊(duì)在其另一項(xiàng)研究中進(jìn)一步指出，氮在鐵素體中的溶解度會隨著溫度的降低而降低，過飽和的氮容易與鉻反應(yīng)形成Cr2N，造成部分區(qū)域鉻耗盡，從而使得焊縫熱影響區(qū)的耐點(diǎn)蝕能力降低[40].此外，氧化物的形成也可以歸因于高壓下的高氧氣濃度，故在高壓環(huán)境下對保護(hù)氣體保護(hù)效果的要求也更嚴(yán)苛.

為了更加透徹的了解高壓所導(dǎo)致的激光羽流變化，Luo 等人[41]在壓力對激光焊接羽流影響的研究中表示，高壓下激光的熔深可能由于羽流對入射激光的吸收與折射而嚴(yán)重降低，并分析稱羽流可以被認(rèn)為是金屬蒸氣與激光誘導(dǎo)等離子體的混合物.史俊鋒[42]在激光深熔焊數(shù)值模擬中發(fā)現(xiàn)，羽流對入射激光的影響不僅在于損耗，還會產(chǎn)生透鏡效應(yīng)偏轉(zhuǎn)激光束，致使其光斑擴(kuò)展、能量密度下降.

高功率激光作業(yè)時，熔池溫度會迅速升高并形成金屬蒸氣，當(dāng)金屬蒸氣與保護(hù)氣體的混合物溫度繼續(xù)上升直至電子能量達(dá)到雪崩電離條件，氣體電離形成光致等離子體[43]，而電子-原子的吸收系數(shù)很小，因此可僅考慮電子-離子吸收系數(shù).又因?yàn)榘l(fā)生雪崩電離的電子能量密度閾值與激光波長的平方成反比，羽流造成的CO2激光(波長為10.6 μm)損耗遠(yuǎn)高于相同條件下的Nd:YAG 激光(波長為1.06 μm)；Kawahito 等人[44]使用Nd:YAG 激光器在常壓下進(jìn)行了20 mm 厚的304 不銹鋼板焊接，其結(jié)果顯示當(dāng)激光功率達(dá)到10 kW時，光致等離子體所造成的最大衰減僅為4%；但Long 等人[45]發(fā)現(xiàn)在1.8 MPa 壓力下，激光焊所產(chǎn)生的羽流在高度方向上的膨脹率僅為常壓(0.1 MPa)下的2.7%，這使得其對入射激光的屏蔽作用增加了12.97 倍(圖4)，該團(tuán)隊(duì)在其另一項(xiàng)研究中使用了側(cè)向氣流進(jìn)行輔助擴(kuò)散，使羽流高度顯著降低，并明顯偏離了激光路徑，改善了高壓下激光的穿透能力[46]；孫大為[47]則在進(jìn)行側(cè)向氣流輔助擴(kuò)散的基礎(chǔ)上總結(jié)了不同氣體流量的吹掃效果與對應(yīng)的等離子體溫度、體積、三維形態(tài)及吸收系數(shù)變化；Qiu 等人[48]采用無源電探針檢測羽流等離子體的電信號，并使用高速CCD 相機(jī)同步記錄其形態(tài)，發(fā)現(xiàn)探針與基板間的電壓增加標(biāo)志著等離子體的收縮，該團(tuán)隊(duì)之后建立了電信號與等離子體形態(tài)之間的表征關(guān)系，并基于此對等離子體的波動特性進(jìn)行了分析.

圖4 不同壓力的光致等離子體云瞬態(tài)膨脹行為[45]Fig.4 Photoinduced plasma transient expansion behavior under different pressures

水下高壓干法激光修復(fù)技術(shù)是目前修復(fù)環(huán)境最優(yōu)、修復(fù)質(zhì)量最高的水下激光修復(fù)技術(shù)，其只有環(huán)境壓力一個特殊影響因素，且高壓所帶來的羽流擴(kuò)散緩慢等問題也存在有效的解決方案.工程應(yīng)用主要的限制來自于復(fù)雜的壓力艙室搭建，而非激光修復(fù)工藝，在技術(shù)成熟度方面有著較大優(yōu)勢.

1.3 水下局部干法激光修復(fù)

水下局部干法激光修復(fù)技術(shù)是使用特制排水罩創(chuàng)造局部干腔，以排除水環(huán)境對激光與熔池影響的水下修復(fù)技術(shù)，其既能夠提供較為適宜的修復(fù)環(huán)境，又在一定程度上保證了修復(fù)裝備的靈活性.水下局部干法激光修復(fù)如今已經(jīng)能夠達(dá)到較好的修復(fù)效果，且實(shí)現(xiàn)了少量工程應(yīng)用.2009年，日本東芝公司就使用水下局部干法激光修復(fù)技術(shù)針對核反應(yīng)堆乏燃料池的開裂研發(fā)了一套維修與預(yù)防性養(yǎng)護(hù)設(shè)備[49]，該技術(shù)還曾被應(yīng)用于水下鋼結(jié)構(gòu)焊接等領(lǐng)域[50].

水下局部干法激光修復(fù)技術(shù)的主要問題來自高冷卻速率與高壓力，與高壓干法相比水僅有冷卻速率與流場的差異.姚杞[51]在其不銹鋼焊接研究中指出水下局部干法的高冷卻速率主要來自水環(huán)境，保護(hù)氣體流量帶來的影響并不顯著；李叢偉等人[52]在304 不銹鋼局部干法激光熔覆中重點(diǎn)研究了熔覆層的組織和性能，發(fā)現(xiàn)了快速冷卻所導(dǎo)致的焊縫硬度上升與部分奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變的現(xiàn)象；Di 等人[53]在研究水下高冷卻速率對E550 鋼焊縫組織的影響中發(fā)現(xiàn)，焊縫材料中的Ti 和Mn 出現(xiàn)了明顯的損耗區(qū)(圖5)，并分析稱這是由于在析出時針狀鐵素體更容易在Ti 和Mn 氧化物上成核，這些夾雜物的形成顯著消耗了周圍基體中的Ti 和Mn，但在高冷卻速率下熔融金屬難以擴(kuò)散與均質(zhì)化，從而形成損耗區(qū)；Luo 等人[41]的研究表明水下的強(qiáng)冷卻環(huán)境使得激光焊熔池的上表面加速凝固，并顯著削弱了熔池上部的流場；黃尊月等人[54]研究了不同種類的活性劑(一種廣泛應(yīng)用于改善焊接熔池形貌或組織和性能的方法[55])對水下激光焊縫形貌與組織和性能的影響，并制備了有效改善熔池深寬比并抑制表面氧化的活性劑.需要注意的是，海洋工程結(jié)構(gòu)多使用高強(qiáng)鋼厚大板材，這類情況原本就容易引發(fā)彎曲變形或拘束裂紋，而水下的強(qiáng)冷卻環(huán)境會進(jìn)一步加重冷、熱裂紋與拘束裂紋的問題[54,56].雖然這類影響多因材料而異，但相關(guān)研究普遍認(rèn)為水下環(huán)境帶來的高冷卻速率將使得填充部分的硬度提高、韌性與斷后伸長率下降、某些成分分布不均(非偏析)，其組織也會發(fā)生對應(yīng)轉(zhuǎn)變，并在凝固表面留下更加清晰的魚鱗紋.

圖5 水下強(qiáng)冷卻環(huán)境中形成的Ti 和Mn 損耗區(qū)[53]Fig.5 Ti and Mn-depletion zone caused by high cooling rate

除了焊接之外，表面熔覆也是一種重要的激光修復(fù)形式，是水下表面修復(fù)等領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù).Guo 與Fu 等人[57-58]在水下激光絲材熔覆領(lǐng)域做了大量研究，在對鋁合金與鈦合金的表面熔覆試驗(yàn)中觀察到了明顯的氧化與飛濺，并認(rèn)為這種現(xiàn)象由激光的散射引起.由于水下強(qiáng)冷卻環(huán)境，沉積金屬在基材上的潤濕性、沉積角和流動性均有所下降，表面氧化膜的拘束和應(yīng)力集中還引起了不同程度的以穿晶裂紋為主的冷裂紋(圖6)，之后該團(tuán)隊(duì)還嘗試提高線能量以補(bǔ)償熱損失，成功減少了氧化、裂紋等缺陷并改善了熔覆層的組織性能[59]；在水下激光送粉熔覆方面，Liu 等人[60]在A32 鋼基板上制備了鐵基涂層，并研究了送粉氣流量、送粉速率、激光功率等工藝參數(shù)對沉積質(zhì)量的影響.雖然水下激光表面熔覆主要應(yīng)用于水下修復(fù)，但也有學(xué)者嘗試使用水下局部干法激光增材沉積出了鋁合金薄壁管道，并對沉積質(zhì)量做了評估[61].

圖6 水下和常規(guī)環(huán)境的激光熔覆層對比[58]Fig.6 Comparison of laser cladding in local dry and normal environments

水下局部干法激光修復(fù)不論通過焊接還是表面熔覆，均已能夠得到較為良好的修復(fù)效果，高冷卻速率所造成的問題也能在良好工藝參數(shù)的調(diào)控下有效改善，但相較于更為成熟的水下局部干法電弧修復(fù)技術(shù)，其有待探索的方向還很多.

2 水下激光增材修復(fù)發(fā)展趨勢

在前文總結(jié)的水下激光修復(fù)技術(shù)現(xiàn)狀中，有多位學(xué)者都曾在基板上涂覆防護(hù)層，用以提高水下濕法激光修復(fù)的質(zhì)量，卻罕有將已在水下自動電弧焊中得到廣泛關(guān)注的自保護(hù)藥芯焊絲引入水下激光修復(fù)領(lǐng)域的研究[62].還有學(xué)者提出使用側(cè)吹氣流對高壓下的激光羽流進(jìn)行吹掃，卻未見利用排水罩現(xiàn)有流場實(shí)現(xiàn)高壓羽流吹掃的設(shè)計.復(fù)合熱源、外加磁場、超聲波等已經(jīng)被證明對激光修復(fù)質(zhì)量有幫助的輔助能量形式，在水下激光修復(fù)領(lǐng)域也尚未引起足夠關(guān)注[63-65].足以見得水下激光修復(fù)技術(shù)還有較大潛力尚未被發(fā)掘出來.

從技術(shù)的角度出發(fā)，水下濕法激光修復(fù)目前存在入射激光衰減與空化水射流侵蝕兩大已被證明無法通過單純的改良工藝參數(shù)解決的問題，使其發(fā)展受到了嚴(yán)重限制，主流觀點(diǎn)認(rèn)為主動吹掃蒸氣與等離子云和引入焊接保護(hù)劑會是可能的突破口.水下高壓干法與局部干法激光修復(fù)在試驗(yàn)條件下已經(jīng)能夠?qū)崿F(xiàn)較高質(zhì)量的水下作業(yè)，未來在這一領(lǐng)域的研究將可能集中于使其工藝匹配現(xiàn)有的高強(qiáng)度海工鋼、船用鋼，使其向著實(shí)用技術(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化.此外，依據(jù)常規(guī)環(huán)境下激光修復(fù)的現(xiàn)有研究，激光與磁場、超聲波等輔助能量形式結(jié)合也可能有較高的研究價值.

目前水下修復(fù)門類下的工程應(yīng)用高度集中于水下濕法藥皮焊條手工電弧焊，在部分重大工程中，為保證施工質(zhì)量也會采用水下高壓干法，水下激光修復(fù)技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用案例尚不多見.但在大功率激光器逐漸國產(chǎn)化的如今，其與傳統(tǒng)電弧熱源的價格壁壘已不復(fù)存在.以此為基礎(chǔ)，可以預(yù)見水下激光修復(fù)技術(shù)不論作為應(yīng)急水下維修搶險的儲備技術(shù)，還是作為水下裝備常規(guī)養(yǎng)護(hù)的應(yīng)用技術(shù)都有較大的發(fā)展前景.

3 結(jié)束語

(1)水下濕法激光修復(fù)受入射激光衰減和激光誘導(dǎo)空化侵蝕兩個問題的制約，尚無法達(dá)到實(shí)際修復(fù)需要，雖然兩個問題都已有了多種改善的途徑，但該技術(shù)距離實(shí)用依舊還有很長的路要走.

(2)水下高壓干法與局部干法激光修復(fù)技術(shù)均已能在適宜工藝參數(shù)的調(diào)控下取得較為良好的修復(fù)效果，其高氣壓、高冷卻速率所帶來的羽流擴(kuò)散與匙孔形成緩慢、材料淬硬、氫裂等問題也已經(jīng)存在較為有效的解決方案.

(3)水下激光修復(fù)技術(shù)作為一種優(yōu)勢技術(shù)在新興領(lǐng)域的前沿探索雖然尚未成熟，但隨著高功率激光器的逐步普及與國產(chǎn)化，激光熱源的修復(fù)技術(shù)憑借其功率密度高、熱影響區(qū)小、熱源均勻穩(wěn)定等特點(diǎn)，有望彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，并為水下修復(fù)技術(shù)補(bǔ)全下一塊拼圖.