发布日期：2026-5-1 16:33:47
1、引言
激光焊接作为一种先进的高能束焊接方法，具有焊接效率高、深宽比大、自动化程度高等优点[1-3]，被广泛应用于中厚板自动化焊接工作中，这既提高了焊接效率，又改善了焊接质量。在激光焊接过程中，高能密度激光作用于材料表面会引发剧烈的蒸发、电离行为，形成等离子体羽辉[4-5]。该等离子体对激光束的散射和吸收作用会显著降低到达工件表面的有效能量，从而影响匙孔稳定性和焊缝成形质量[6-8]。尤其在中厚板及高反射率材料焊接中，等离子体屏蔽效应成为制约熔深提升和焊接稳定性的关键因素之一[9-10]。因此，如何有效抑制等离子体行为并提升激光能量利用率，成为激光焊接领域亟需解决的重要问题。
负压环境通常是指焊接时环境压力低于标准大气压(101.3kPa)的环境，涵盖低真空、局部负压以及高真空等多种工况，与真空激光焊接所强调的整体高真空环境有所区别。相关研究人员曾提出[11-12]，在负压环境下，等离子体羽辉的亮度和体积显著减小，导致羽辉对激光的吸收与散射作用减弱，增加作用于材料表面的激光能量，从而提高了焊接过程的能量利用率，有助于增加焊缝的熔深与深宽比;同时负压环境下熔池与匙孔表现出更高的稳定性，减少气孔、飞溅等缺陷的产生，在一定程度上改善了接头的成形质量。基于上述优势，相关人员主要针对钢、钛、铝、镁及其合金和难熔合金不同材料体系开展了大量实验，发现焊接过程中的焊缝成形变化规律、熔池流动规律、冶金反应机制及接头组织性能均受到材料类型很大的影响。
因此，本文根据国内外学者和本课题组的研究工作，围绕上述材料体系在负压激光焊接中的研究现状进行总结，归纳不同材料体系的焊接行为及作用机理，并分别对不同材料的未来发展趋势进行展望，旨在为后续研究与工程应用提供理论支持与技术参考。
2、钢的负压激光焊接
随着工业技术的持续演进，核电、石油管道等关键领域对大厚钢板焊接技术的应用需求日益严苛。要实现熔深的有效提升，通常依托更高的能量密度，但是一味的提高激光功率会导致大量等离子体的生成，从而导致激光能量损失与焊接缺陷。而负压激光焊接最突出的优势便是提高激光的穿透能力，是解决上述问题的有效手段。在负压激光焊接的研究当中，钢材料被优先选作负压激光焊接研究对象，主要是因为其工程应用广、研究起步早，且覆盖不锈钢、低合金高强钢、高强钢等多类典型体系。本文涉及的304不锈钢、Q345、DP590等材料，分别对应不同的厚板钢典型工程应用场景，具有较强代表性。下面对钢材料的负压激光焊接研究现状进行总结与讨论。
目前20kW激光功率的单道激光焊接实现的最大熔深仅仅能达到20mm左右，并且随着激光功率的增加会出现气孔、飞溅、咬边等焊接缺陷[13]。而负压激光焊接会抑制金属蒸汽烟羽和等离子体，减少激光能量的衰减，可显著提高熔深。已有研究表明[14]，在负压环境下，钢材料单道激光焊接的熔深可显著提升，最大可达80mm量级，明显高于常压条件下的焊接结果;Katayama等人在焊接304不锈钢时[15]发现钢材料的熔深和深宽比随着环境压力的降低而不断升高，如图1所示，上述规律在多位学者的研究中也得到了印证[16-18]。除此之外，负压激光焊接会实现表面成形的优化，同时减少内部缺陷的产生。Katayama等人还发现随着环境压力的降低，表面成形质量得到提升，飞溅与驼峰缺陷得到抑制，负压环境下焊缝表面更加平滑，如图1所示;通过高速摄像，Luo等人[16]观察到负压环境下金属蒸汽摇摆幅度减小，稳定性提升，熔池波动更加平稳，使得焊缝表面更窄更光滑;学者雷斌和陈志春都对镀锌钢板负压激光焊接特性进行了研究，证实了负压环境下钢材料焊接过程中匙孔的尺寸与稳定性得到提升，使得金属蒸气更易经过逃逸通道逸出，减少了对匙孔后壁的冲击，避免了内部爆破和飞溅，从而减少了焊缝中孔隙产生[19-20]。由上可知，负压环境下等离子体受到抑制，使得更多激光能量被吸收，显著提高了熔深，同时熔池波动与匙孔稳定性在负压环境下实现提升，使得表面缺陷与焊接缺陷得到减少。除此以外，通过总结文献可以发现，对于焊接缺陷的抑制存在临界压力，需将环境压力降至20kPa以下才能显著抑制缺陷，这在唐新华学者等人的研究中均可以得到佐证[21-22]。
等离子体的状态与焊缝的成形以及焊接过程稳定性紧密相关，因此需对负压环境下的等离子体行为与能量传输方式进行系统总结与讨论。陈钦涛学者通过图像处理技术进行分析，指出当压力越低时，焊接产生的等离子蒸气羽烟越少，抑制效果愈显著，同时等离子体羽烟在负压环境下更加稳定，对熔池的扰动更少[22];不同环境压力下钢材料的等离子蒸气羽烟如图2所示，随着环境压力的降低，等离子体蒸气羽烟的体积和亮度逐渐降低，表明了负压环境对其的抑制作用;姜梦学者利用光谱分析的方法证明了负压环境下等离子体电子温度和电子密度的下降，能量传输形式由菲涅尔吸收和逆韧致吸收的组合形式变化到以菲涅尔吸收为主[23]。特别地，陈钦涛学者还发现环境压力对等离子蒸气羽烟深宽比的影响存在临界值，约为20kPa，与焊接缺陷抑制的环境压力临界值相同。因此，负压环境下气体分子密度的大幅减少使得金属蒸汽或气体分子的碰撞电离与复合平衡过程受到影响，进而改变了等离子体的状态，同时金属沸点随着环境压力下降急剧降低，导致激光焊接等离子状态的变化，形成不同的能量传输形式。
基于对钢的焊缝成形规律与等离子体变化机制的系统分析，进一步阐释其微观组织演变规律，是揭示钢负压激光焊接接头性能本源的核心环节。王继明等人[24]通过对负压激光焊接后10Ni5CrMoV组织的观察发现，焊缝组织均由板条状马氏体构成，如图3所示;雷斌学者通过对比负压与常压下镀锌钢板的微观组织[19]，发现外部环境对于微观组织同样没有显著影响。这是因为激光焊接快速加热和快速冷却的焊接热循环特性使得钢材料熔池的冷却速率较大，因此，无论是在大气环境还是负压环境下焊接，焊缝的组织变化不大，但由于焊接缺陷得到了抑制，力学性能有所提升。
综上所述，负压激光焊接在钢材料焊接中表现出显著的工艺优势。随着环境压力的降低，等离子体羽辉受到有效抑制，匙孔稳定性和熔池流动行为得到改善，从而实现焊缝熔深和表面成形质量的同步提升。值得注意的是，尽管负压环境对焊接缺陷和力学性能具有积极影响，但其对焊缝微观组织的影响相对有限，常规碳钢、合金钢材料焊缝组织仍多以马氏体为主。因此，负压激光焊接对钢材料性能提升的作用主要体现在缺陷控制与焊接过程稳定性方面。
3、钛及其合金的负压激光焊接
钛合金作为一种高性能材料，近年来工业需求量不断提高，但是由于其本身高活性，与氧具有较高的亲和力，导致其在焊接过程中伴随复杂的物理化学反应，导致焊接接头脆化，降低力学性能;同时因其自身低热导率，在激光焊接快热快冷的作用下，温度梯度很大，造成晶粒粗大的问题。负压激光焊接可以降低焊接过程中的气体浓度，减少氧气含量，同时负压环境加速了熔池的冷却，抑制晶粒的长大，是解决钛合金上述焊接问题的有效方法。但是钛合金在负压激光焊接的过程中会展现出与钢材料不同的焊接行为，现有研究主要选取工程应用最广的TC4钛合金中厚板作为典型材料，能够较好表征钛合金在焊接过程中产生的共性问题，具有较好的规格代表性。接下来将详细阐述钛合金在焊缝成形、焊接缺陷、组织性能等方面与钢材料的异同点。
负压激光焊接同样会改善钛合金焊缝成形，并且通过稳定匙孔来抑制气孔缺陷的产生，但会展现出与钢材料不同的变化规律。本课题组对10mm厚的TC4钛合金进行了负压激光焊接实验[25]，结果表明焊缝成形并不会环境压力的降低而持续优化，而是存在环境阈值，如图4所示，环境压力小于5kPa时，表面成形与熔深几乎没有变化;上述规律在学者王化聪的研究中也能得到印证[26]，在环境压力小于10³kPa后，焊缝成形变化不大。同时，本课题组发现负压环境并不会完全改善钛合金焊缝表面成形，经过负压激光焊接后，仍然存在咬边、飞溅等局部缺陷，如图4(f)所示。
焊缝的形貌特征与等离子体行为状态息息相关，为揭示该阈值现象的本质成因，对钛合金负压激光焊接过程中的等离子体行为进行总结。钛合金焊接过程中产生的等离子体会随着环境压力的降低而不断被抑制，Li等人通过高速摄像观察到，环境压力从10⁵降低到10⁻¹的过程中，等离子体的亮度与尺寸均会不断降低[27]。这与环境阈值的现象有所矛盾。深入文献分析发现，负压环境对等离子体的屏蔽效应抑制到一定程度后，能量耦合的提升会趋于饱和，导致熔深的提升会存在环境阈值[28]。钢材料的环境阈值很低，所以表现出成形随着环境压力的降低而持续优化。而钛大量蒸发会使得阈值得到提升，因此随着环境压力的降低，钛合金熔深并不会持续提升，而是存在明显的临界值，呈现出与钢材料不同的规律。也正是钛沸点降低导致蒸发量增加，会产生更大的反冲压力，影响焊接过程的稳定性，使焊缝表面仍有飞溅存在;同时，大气压下熔池表面液态金属流向熔池后方的趋势不利于其在焊缝表面进行铺展，焊缝边缘没有充足的液态金属进行填充，形成咬边缺陷。
负压激光焊接作为一种可以有效解决钛合金晶粒粗化问题的方法，明晰组织演变机制可以进一步解释负压环境的调控规律。针对本课题组研究者通过对TC4钛合金负压激光焊接后的焊缝进行观察发现，焊缝上下部分均由粗大的柱状晶组成，这与Wang等人的研究结果一致[29-30]，在引入负压环境后，焊缝上部粗大的柱状初生β相实现细化，如图5(d)所示，生长方向更趋于一致性，下部尺寸较小的柱状初生β相同样实现了细化，如图5(f)所示。负压环境通过改善粗大铸态组织，增加晶界面积，对裂纹扩展具有较大的阻碍作用，在细晶强化的作用下使得力学性能得到提升。因此，负压环境的存在会降低钛合金熔池与外部的传热效率，进而降低温度梯度，抑制粗大柱状晶的生长，使得钛合金的微观组织产生较大的变化，在细晶强化和气孔抑制的协同作用下实现了力学性能的提升。
综上所述，负压激光焊接在钛合金焊接中展现出核心优势。随着环境压力的降低，等离子体的屏蔽效应得到有效抑制，但受到钛元素蒸发量增加的影响，熔深存在明显的压力阈值，无法持续增长。值得注意的是，负压环境虽难以完全消除咬边、飞溅等局部表面缺陷，但能改善钛合金晶粒粗化与气孔缺陷等问题，最终在细晶强化与气孔控制的协同作用下实现焊接接头力学性能的显著提升，因此其作用集中于组织调控与气孔缺陷协同改善。
4、铝及其合金的负压激光焊接
铝合金作为一种轻量化材料，常用于汽车车体、电池外壳、轨道交通领域。但其自身熔点较低，大致在570℃-655℃，同时反射率较高，使得焊缝中易出现严重的气孔缺陷，严重限制了其应用。负压激光焊接可以很好地稳定焊接过程，同时改变熔池的流动状态，进而抑制气孔缺陷，因此深入研究铝合金负压激光焊接特性具有重要意义，相比于，钢、钛材料，铝合金的焊接行为也呈现出异同点，同时气孔抑制机理得到了深入阐明，现有研究主要选取工程应用广泛的5083和5A06等典型的5系铝合金，同时该类材料也是激光焊接中气孔敏感性较突出的体系之一，接下来将展开详细叙述。
在铝合金负压激光焊接中，熔深与表面成形质量会随着环境压力的降低而不断增加，与钢材料类似。韩潇潇[31]通过对5083铝合金进行负压激光焊接实验发现，随着环境压力的降低，焊缝熔深不断增加，表面质量得到提升;Peng等人对5A06铝合金进行负压激光焊接实验，使得焊缝熔深从2.38mm提升至7.89mm[32]。这是由于负压环境会抑制铝合金等离子体形貌，使得更多的激光能量传输到液态金属中。王天鸽发现在负压环境下，铝合金焊接过程中产生的等离子体的尺寸与亮度降低;Gong等人通过光谱分析等方法发现降低的环境压力使等离子体羽流的电子温度、电子密度、谱线强度及纳米颗粒尺存同步减小，最终削弱折射与衰减两大能量衰减效应，提升了激光能量的传输效率，同时他们还指出，铝合金负压激光焊接的能量衰减机制存在压力依赖性，在10~10⁵Pa区间，逆轫致辐射吸收是主要能量损失源，小于10³Pa时，逆轫致与散射可忽略，存在其他衰减机制[33]。
在铝的负压激光焊接过程中，能量传输与熔池流动状态的变化会导致微观组织发生演变，与钢、钛合金存在显著差异。Peng等人通过研究发现[32]，负压条件下，铝合金焊缝顶部与中部的柱状晶全部转变为等轴晶，仅下部有少量柱状晶存在，组织均匀性大幅提升。但由于冷却速率和流体运动的共同作用下，晶粒尺寸呈现先增加后减小的规律。他们还发现，随着环境压力的降低，晶粒尺寸从49.7μm增加到65.2μm，再降低至56.9μm。由此可见，负压环境下更多激光能量传递至熔池，同时熔池冷却速度降低，为等轴晶生长创造了稳定环境，使得柱状晶数量减小。而初期由于冷却速率降低，晶粒有充足生长时间，但随着压力进一步降低，熔池流动速率达到最大值，破坏了晶粒的择优生长，最终会呈现出晶粒尺寸先增大后减小的变化规律。
除了对微观组织演变产生影响，能量传输与熔池流动状态的变化也会对铝合金焊缝中气孔缺陷产生抑制作用，有效解决铝合金应用过程中面临的最大难题。Jiang等人通过3D显微CT测量的方法证实了负压环境对于气孔缺陷的抑制作用[34]，不同环境压力下铝合金焊缝孔隙率分布的3D重建透明图像如图6所示，随着环境压力的降低，气孔率呈现下降的趋势。针对气孔这一重要问题，许多学者对负压环境下铝合金气孔的抑制机理进行了深入挖掘，当环境压力降低时，如图7(c)(d)所示，减少的后壁涡流和凸起以及更薄的匙孔壁增强了匙孔的稳定性;与此同时，激光能量沿小孔壁上下分布更加均匀，提升的激光能量密度与蒸汽反冲压力会破坏匙孔中产生的前后壁搭桥，抑制了气泡的产生;匙孔后壁的涡流在形成气泡之后，负压下液体竖直向上的流动形式、缩短的逃逸路径和熔合线前液态金属较小的粘度三者共同作用下使得气泡更容易在熔池凝固前逃逸[31,35,36]。
负压环境不仅优化了铝合金激光焊接的基础工艺性能，更对扫描激光特性产生影响，深入分析这一影响规律是完善铝合金负压激光焊接工艺体系的重要环节。在常压环境下，随着摆动激光的振幅增加，熔深会持续降低[37]，而在负压环境下，随着振幅的增加，熔深会存在先上升后下降的趋势，如图8(a)所示;在常压环境下，扫描激光的引入会使得焊缝晶粒尺寸细化[38]，但在负压环境下会使得晶粒粗化，如图8(b-e)所示。Jiang等人揭示了上述现象的产生机理[39]，由于微小的振荡可以使激光在匙孔壁以更大的角度折射，从而增加穿透深度，当振荡幅度进一步增加，热输入减小导致熔深减小;同时负压环境下初始晶粒尺寸很细，扫描激光的搅拌作用无法发挥作用,但由于扫描激光使得熔池的温度梯度减小,导致晶粒尺寸增加,如图8(b-e)所示。
综上所述，负压激光焊接为铝合金焊接提供了高效的工艺解决方案，尤其在气孔缺陷抑制方面表现突出，负压通过优化匙孔稳定性、缩短气泡逃逸路径等机制，从根源上抑制了铝合金最严重的气孔问题。随着环境压力的降低，等离子体的尺寸、亮度及能量衰减效应显著减弱，激光能量传输效率提升，推动焊缝熔深与表面成形质量同步改善。与其他材料不同，铝合金的微观组织演变呈现独特规律:冷却速率降低与熔池流动状态改变共同作用，使焊缝柱状晶大量转变为等轴晶，组织均匀性提升，而晶粒尺寸则呈现先增大后减小的特征;同时，负压环境还改变了扫描激光焊接的特性，对熔深与晶粒尺寸产生差异化影响。因此，负压环境下铝合金性能提升的关键在于缺陷抑制与组织均匀化的协同作用。
5、镁及其合金的负压激光焊接
镁合金因密度低、比强度高等优势，近年来在交通装备、国防工业等轻量化场景也得到了重点的应用，但因其低沸点、高蒸汽压、高反射率等特点，在激光焊接过程中易出现气孔、热裂纹、焊缝氧化等焊接缺陷。通过引入负压环境，能有效隔绝空气，抑制氧化物的生成，同时通过调控优化熔池流动状态，抑制气孔并缓解热裂纹敏感性，成为解决上述问题的重要手段。由于镁合金独特的物理化学性质，其焊接特性也不同于前述三种材料，因此有必要对其在负压激光焊接下的行为进行总结，镁合金部分选取AZ31和AZ91D作为代表材料，能够体现镁合金独特性质对负压激光焊接行为的影响，现有研究主要集中于典型板材焊接场景，厚度范围相对有限，下面将对其展开详细叙述。
负压激光焊接同样可以改善镁合金的焊缝成形质量与气孔缺陷，但由于自身低沸点、高蒸汽压等特点，展现出独特的变化规律。Jiang等人对AZ31镁合金进行负压激光焊接实验[40-41],发现随着环境压力从101kPa下降到10kPa，如图9(a)-(c)所示，镁合金焊缝变得更窄、更均匀，熔深逐渐增加;当环境压力低于1kPa时，就会出现熔深下降的现象，如图9(c)-(e)所示，10kPa为最优的环境压力。Ning等人也对AZ91D镁合金负压激光焊接进行研究，也得到了相似的规律，最优压力为0.1kPa[42]。本课题组研究发现[43]，焊缝中的气孔率会随着环境压力的降低先从6.02%降低至0%再增加至1.12%。归纳而言，随着环境压力的降低，镁合金的焊缝成形质量与气孔抑制程度会呈现先增加后减小的变化规律。
等离子体的状态演变与焊缝成形效果具有显著的关联性，因此系统总结了镁合金负压激光焊接等离子体行为的规律与特点。本课题组通过高速摄像观察等离子体动态行为发现，随着环境压力从大气压降低到最优环境压力，如图10(a)-(c)所示，等离子体羽流的大小和亮度都明显降低等离子体的波动也受到抑制，这种现象降低了等离子体羽流对激光束的屏蔽作用，从而提高了焊接过程的稳定性，更多的激光辐射到液态金属中;当环境压力进一步降低时，如图10(d)所示，熔池表面出现了明显的不稳定性，焊缝表面出现明显的驼峰缺陷，熔池中可见飞溅。此外，激光传输路径中出现了大量凝结颗粒，并折射了激光，导致激光能量不能完全被液态金属所吸收，这将进一步导致锁孔对激光能量的吸收减少。气孔缺陷和表面缺陷通常与熔池匙孔动态行为的稳定性有关，在降低至最优环境压力的过程中，蒸汽反冲压力和表面张力增加，动水压力降低，使得匙孔更深更稳定，同时匙孔的尺寸几乎不变，熔池的尺寸减小，导致稳定性进一步增加;镁的熔沸点差过小，剧烈蒸发使反冲压力进一步增大，表面张力无法维持匙孔稳定，导致匙孔频繁波动，产生大量降低，使得匙孔更深更稳定，同时匙孔的尺寸几乎不变，熔池的尺寸减小，导致稳定性进一步增加;镁的熔环境压力对熔池传热传质行为的调控，会进一步影响微观组织的演变过程。Jiang等人通过微观组织分析发现，随着环境压力的降低，晶粒尺寸从33.1μm降低至20.3μm[44]。同时随着环境压力的降低，焊缝内的氧化夹杂物更少更分散，使得合金的接头性能得到提升。在镁合金负压激光焊接中，环境压力的降低使液态金属区域减小，更快的冷却速度形成了更多形核点位，促进了晶粒的细化，同时由于有效隔绝空气，抑制了氧化夹杂物的生成，在二者的协同作用下，实现了力学性能的提升。
综上所述，负压激光焊接有效破解了镁合金焊接中气孔、热裂纹、焊缝氧化等关键难题，展现出适配其物理化学特性的工艺优势。受镁合金低沸点、高蒸汽压的影响，环境压力变化对焊接行为的调控呈现独特规律:焊缝熔深、表面成形质量及气孔率均随压力降低呈现先提升后下降的趋势，存在最优环境压力阈值，低于该阈值后，熔池不稳定性增加，易出现驼峰、飞溅及凝结颗粒导致的激光散射问题。在微观组织方面，环境压力降低使液态金属区域减小、冷却速率加快，形成更多形核点位，推动晶粒显著细化，同时减少焊缝内氧化夹杂物的数量并改善其分散性。因此，镁合金焊接接头力学性能的提升，核心源于晶粒细化与氧化夹杂物控制的协同作用，而其独特的焊接行为机制仍需通过数值模拟进一步揭示。
6、难熔合金的负压激光焊接
难熔合金通常指熔点大于2000℃的合金，如钨、钼、钽、锆、铌及其合金，其有望成为应用于航天发动机、核能、国防装备等领域的新一代材料，但因其超高熔点和高化学活性等特性，易导致再焊接过程中产生脆性相生成和难焊合等问题[45]，负压激光焊接虽然能在一定程度上抑制焊接缺陷，但无法解决脆性相的问题，焊接质量不可观，研究难度较大，导致目前关于难熔合金负压激光焊接的研究较少。因此根据现有的少量研究和本课题组的研究进展，选取锆合金、Ta-10W合金及钼合金，其中锆合金主要对应核工业领域，Ta-10W代表典型高温难熔结构材料，而钼合金则代表高熔点脆性难熔金属体系，现有研究主要集中于薄板小尺寸的板材焊接，且仅从工艺角度出发来改善，冶金调控手段研究较少，未来可以重点从冶金角度出发入手。
6.1锆及其合金的负压激光焊接
在锆合金负压激光焊接中，随着环境压力的降低，锆合金焊缝形貌得到优化，熔深的增加也存在一定阈值。Wei等人对锆合金进行了负压激光焊接实验[46]，不同环境压力下锆合金焊缝表面成形与焊缝横截面如图12所示，对比图12(c)(d)可以看出，负压环境使得锆合金的焊接模式由热导焊变为深熔焊，焊接熔深得到显著增加，但当环境压力大于1kPa后，熔深趋于稳定，如图12(d)(e)所示。
焊缝成形质量与等离子体的稳定性密不可分，等离子体羽辉的抑制程度通过影响能量传输过程决定焊缝的成形效果。锆合金负压激光焊接过程中等离子体并不会随着环境压力的降低而被逐渐抑制，而是存在一定的临界值。Wei等人对锆合金进行负压激光焊接实验发现[47]，当环境压力降低至1kPa的过程中，如图13所示，等离子体的亮度与尺寸逐渐减小，当环境压力进一步降低，等离子体羽流趋于稳定。因此，在环境压力低于1kPa后，熔深变化不大。
等离子体的状态调控不仅直接影响焊缝宏观成形，其通过改变激光能量传输效率与熔池热循环特性，更会进一步影响焊缝及热影响区的微观组织演变路径与接头性能。Wei等人发现焊缝晶粒平均尺寸从54.9μm增加到82.3μm,负压环境下等轴晶数量较少,如图14(a)(b)所示。由于锆合金的服役环境以高温高压水为主,因此需要对其腐蚀性能的改变进行总结与讨论。随着环境压力的降低，如图14(e)(f)所示，氧化物和表面氧化膜厚度逐渐减小，同时如图14(c)(d)所示，表面从非保护性的脆性白色氧化膜转变为黑色的附着力良好的氧化膜，使得腐蚀性能得到提升。归纳而言，在低负压条件下，由于等离子体对激光的屏蔽作用减弱，在锆合金焊接过程中产生了更高的热输入，导致高温下停留时间更长，使得锆合金的晶粒比在大气条件下观察到的更粗大，同时锆合金在负压环境下对氧的吸收减少，氧化膜厚度减小，有效提升接头的耐腐蚀性能。
6.2钽及其合金的负压激光焊接
负压激光焊接在钽合金焊接中同样存在显著的工艺改善效果，熔深与气孔缺陷得到显著改善[48]学者何平发现，随着环境压力降低至10²Pa，熔深增加从2.5mm增加至2.9mm，气孔缺陷得到抑制，当环境压力小于10Pa后，熔深的变化不大，维持在2.9mm左右。因此Ta-10W合金的表面成形与气孔缺陷随着环境压力的降低也会得到不断改善，但其熔深增加也存在环境压力阈值，在10²Pa左右。现有研究还缺乏对负压环境下钽合金等离子体形貌变化的分析，因此对其环境阈值存在的原因还尚未明晰。
气孔缺陷的产生与匙孔稳定性存在紧密联系，因此需要深入分析钽合金的焊接匙孔状态。Gong等人通过数值模拟的方式，确定了钽合金负压环境下焊接气孔的抑制机理。负压环境会产生更大的金属蒸气反冲压力，并且流体流动模式发生变化，如图16(b)所示，匙孔壁的突起实现减少，抑制了匙孔的闭合;另一方面，由于材料的沸点较低，匙孔壁的平均温度急剧下降，这有利于形成更薄的锁孔壁，会进一步提高了熔池的稳定性，从而抑制气孔的形成[49]。综上可知，负压环境通过稳定匙孔和熔池，抑制了气泡的产生，使得钽合金焊缝中的气孔缺陷得到了很好的抑制。
6.3钼及其合金的负压激光焊接
本课题组目前正对钼合金负压激光焊接进行深入研究，我们发现仅通过引入负压激光焊接虽然能在一定程度上优化焊缝成形并抑制气孔缺陷，但无法改善脆性相存在的问题，导致接头强度无法得到有效提升。于是尝试通过冶金调控的方式来解决此问题，目前已通过向钼合金中引入钛元素实现了强度的大幅度提升[50]。钛元素添加后，与基体的钼元素实现无限固溶，形成的固溶体由于减小的晶格尺寸与增加的杨氏模量和剪切模量产生了固溶强化的效果;同时，钛元素的添加会夺取氧元素，抑制了脆性相的生成，并生成TiO2第二相，有效抑制了晶界裂纹的扩展，实现了第二相强化的效果，在二者协同强化的作用下，接头拉伸强度从146MPa提升至469MPa。
然而，单元素调控不能同步解决焊缝晶粒粗大与脆性相的问题，以高熵体系为主的多元素调控体系由于高熵效应的存在，倾向于形成简单固溶体并抑制金属间化合物的生成;同时可以通过迟滞扩散效应减缓原子的扩散速度从而抑制晶粒的长大。因此，后续本课题组计划通过引入高熵中间层来进一步调控钼合金焊接接头性能。
综上所述，负压激光焊接在难熔合金焊接中同样展现出工艺优势，随着环境压力降低，等离子体行为得到调控，焊缝成形质量优化，熔深显著提升且普遍存在临界压力阈值，同时有效抑制了气孔、飞溅等典型缺陷。但受脆性相生成制约，需依赖冶金调控突破性能瓶颈。现有研究多集中于工艺参数探索与现象机理解释，冶金调控手段的研究相对薄弱。因此，难熔合金负压激光焊接性能提升的核心方向，在于深入探究元素扩散与相演变机制，通过针对性冶金调控抑制脆性相生成，同步解决晶粒粗大问题。
前文分别综述了钢、钛、铝、镁及其合金和难熔合金在负压激光焊接中的研究进展及其变化特征。与此同时，从横向角度比较不同材料体系在负压环境下焊缝成形、缺陷演化、组织性能及作用机制等方面的响应规律，同样具有重要意义。基于此，表1对不同材料体系在负压环境下的典型变化规律进行了归纳总结。
表1 随着环境压力降低，各类材料体系在负压激光焊接中的变化规律
| Mechanism of | |||||
| Penetration and | Microstructure | mechanical | |||
| Materials system | Welding defects | Plasma plume | |||
| weld formation | evolution | properties | |||
| improvement | |||||
| Steel and its alloys | The penetration | ||||
| depth and weld | Defects such as | Microstructure | The plasma plume | ||
| porosity and | Inhibition of | ||||
| formation | evolution was not | was suppressed | |||
| constantly | spatter were | obvious | constantly | welding defects | |
| reduced | |||||
| improved | |||||
| The penetration | |||||
| The porosity was | |||||
| depth and weld | |||||
| decreased, but | |||||
| formation firstly | The plasma plume | Grain refinement | |||
| Titanium and its | surface defects | The grains are | |||
| improved, then | was suppressed | and inhibition of | |||
| alloys | such as undercut | refined | |||
| tended to stabilize, | constantly | porosity defects | |||
| and spatter were | |||||
| and there was a | |||||
| not eliminated | |||||
| pressure threshold | |||||
| The penetration | Columnar crystals | The synergistic | |||
| The effect of | |||||
| depth and weld | transformed into | The plasma plume | effect of defect | ||
| Aluminium and | inhibiting stomata | ||||
| formation were | equiaxed crystals, | was suppressed | suppression and | ||
| its alloys | is particularly | ||||
| constantly | and the grain size | constantly | microstructure | ||
| remarkable | |||||
| improved | showed a trend of | homogenization |
increasing first and then decreasing
| The penetration | |||||
| depth and weld | The plasma plume | ||||
| formation firstly | was constantly | The synergistic | |||
| increased, then | Welding defects | suppressed, but | effect of grain | ||
| Magnesium | and | The grains are | |||
| decreased, and | first decreased and | numerous | refinement and | ||
| its alloys | refined | ||||
| there exists an | then increased | condensed | oxide inclusion | ||
| optimal | particles and | inhibition | |||
| environmental | spatter occurred | ||||
| pressure | |||||
| The penetration | The porosity was | ||||
| depth and weld | decreased, but the | The plasma plume | |||
| There was a | was first | ||||
| formation | problem of | It mainly relies on | |||
| phenomenon of | suppressed and | ||||
| Refractory alloy | loy improved, but | metallurgical | the suppression of | ||
| grain coarsening in | then tended to | ||||
| environmental | embrittlement | brittle phases | |||
| zirconium alloys | stabilize in | ||||
| thresholds are | remained | zirconium alloys | |||
| generally present | prominent |
7、结语及展望
在负压激光焊接的研究中，负压环境通过抑制等离子体金属蒸汽羽烟和改善熔池流动模式维持匙孔稳定性等，对所有材料的焊接性能均有改善作用，但是由于各材料体系的物理化学性质存在显著差异，其改善效果与改善机制有所不同。
(1)钢是负压激光焊接中投入最早、研究最多的材料，为其它材料的研究打下了深厚的基础，20kPa是钢材料负压激光焊接缺陷抑制的临界值，大部分钢材料焊接产生的等离子体和焊接缺陷在负压环境下都会得到抑制，钢的微观组织在负压环境下的变化不大，不同钢种之间的对比研究可作为未来的重点研究方向。
(2)钛合金负压激光焊接明确存在环境压力阈值，根据板材厚度会呈现出不同的数值，并且表面缺陷不能实现完全抑制，但气孔率会实现降低，微观组织在负压环境下会产生细化效果，提升了力学性能，未来可以开展大厚板和复杂构件焊接应用。
(3)铝合金负压激光焊接的研究中，详细阐明了气孔抑制机理并明确了能量衰减机制，其焊缝成形规律与钢材料类似，但晶粒尺寸呈现出先增大后减小的独特规律，同时指出负压环境对铝合金扫描激光焊接特性的影响。10³Pa以下的激光能量衰减机制还有待探究，同时如何进行大厚板铝合金焊接也将成为未来的研究热点。
(4)镁合金因其自身特性，焊缝成形呈现出随着环境压力的降低呈现先上升后下降的独特现象，低沸点特性使得其在低环境压力下会产生高蒸汽压造成匙孔坍塌现象。现有工艺虽然可以部分抑制缺陷，但是抑制机理还有待深入发掘，未来需要正确建立数值模拟模型，揭示熔池的传热传质现象。
(5)难熔合金负压激光焊接的研究较少，大部分文献仅仅在工艺角度进行分析，没有进一步挖掘。脆性相导致焊缝力学性能低下现象是阻碍其应用的难题，同时现有研究对元素扩散和相演变机制剖析不足，如何抑制脆性相的生成并进一步提高焊缝强度亟待开展相关研究。
(6)总体而言，负压激光焊接的基础研究相对完备，现已逐步发展到面向多材料体系、厚板、复杂结构件连接的工艺优化阶段。未来可向局部负压装备、柔性化装备的开发方向进行发展，同时加强负压激光焊接的在线监测与智能化控制，推动其在大厚板、复杂结构件的应用。
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（注，原文标题：负压激光焊接技术的研究现状及展望_檀财旺）