浅水环境下激光熔覆工艺的适配性研究

引言

随着海洋资源开发的深入，海洋工程装备的维护需求激增。传统修复技术需将设备吊运至陆地干船坞，成本高昂且周期漫长。浅水环境激光熔覆技术凭借其精确热输入、高质量修复及现场操作优势，成为海洋装备修复领域的研究热点。然而，水层对激光能量的吸收、散射及熔池冷却速率的影响，导致传统工艺在浅水环境中面临气孔、裂纹等缺陷风险。本文系统研究浅水环境下激光熔覆工艺的适配性，通过排水喷嘴优化、工艺参数调控及材料适配性分析，提出一套适用于海洋工程装备的高性能修复方案。

一、浅水环境对激光熔覆的影响机制

1.1 水层对激光能量的衰减效应

水对激光的吸收系数随波长变化显著。以 Nd:YAG 激光（波长 1.06μm^⋅ ）为例，其在淡水中的穿透深度可达 10mm 以上，但海水中的溶解盐会进一步缩短有效作用距离。当水层厚度超过 3mm 时，激光能量衰减率超过 30% ，导致熔池温度不足，引发未熔合缺陷。实验数据显示，在 5mm 水深下，304 不锈钢激光熔覆层的熔深较陆地环境减少 42% ，硬度下降 15% 。

1.2 熔池动力学行为的改变

浅水环境中，熔池表面张力与水流剪切力的耦合作用导致熔池流动模式改变。数值模拟表明，水流速度超过 0.5m/s 时，熔池对流强度增加 2.3 倍，但同时会卷入更多氢原子，使熔覆层氢含量升至 8.2mL/100g （国际焊接学会标准关 ∀⩽5mL/100g ）。氢致裂纹敏感性增加，是陆地环境的3.7 倍。

1.3 快速冷却引发的相变问题

水的比热容是空气的 4 倍，导致熔池冷却速率高达 105K/s ，远超陆地环境的 103K/s 。快速冷却易形成非平衡相组织，如 316L 不锈钢熔覆层中出现 12% 的马氏体相，显著降低耐蚀性。

二、关键技术突破与工艺适配策略

2.1 排水喷嘴的优化设计

东南大学团队开发的第三代水气复合排水喷嘴，采用螺旋进气结构与环形缓冲腔设计，在 10m 水深下可形成直径 80mm 的稳定干区，排水效率较第一代气帘喷嘴提升 60% 。实验表明，使用该喷嘴时，304 不锈钢熔覆层的氢含量降至 2.1mL/100g ，达到国际标准要求。

2.2 脉冲激光能量调控技术

通过引入脉冲宽度可调的 MOPA 光纤激光器，实现激光能量与水层厚度的动态匹配。在 5mm 水深下，采用 1ms 脉冲宽度与 500Hz 重复频率的组合参数，可使熔池存在时间延长至 12ms ，有效抵消水流剪切力的影响。316L 不锈钢熔覆层的拉伸强度达到 620MPa ，与陆地修复件性能相当。

2.3 多物理场耦合仿真平台

建立包含激光 - 水 - 材料相互作用的水下熔覆多物理场模型，集成流体动力学、热传导与相变模块。仿真结果显示，当水流速度为 1m/s 时，通过调整激光功率密度至 1.2×10^∘6W/cm² ，可使熔池温度稳定在 1850^∘C ，满足 Ti-6Al-4V 钛合金熔覆要求。该模型预测值与实验结果的误差控制在 8% 以内。

三、材料适配性与工艺验证

3.1 镍基合金的抗氢脆性能

针对海洋环境高氯离子腐蚀特点，选用 ERNiCrFe-7A 镍基合金作为熔覆材料。在 10m 水深下修复 304 不锈钢基体，熔覆层氢含量为 1.8mL/100g ，较传统湿法焊接降低 76% 。盐雾试验表明，经720h 腐蚀后，熔覆层失重率仅为 0.02g/ m²⋅h ，是电镀修复件的 1/5 。

3.2 钛合金的微观组织控制

采用同步送粉工艺修复 Ti-6Al-4V 钛合金构件，通过优化送粉速率至 15g/ min，获得致密的β 相基体上均匀分布的α' 马氏体组织。显微硬度测试显示，熔覆层硬度达420HV，较基体提高 35% ，且无氢致裂纹产生。

3.3 异种材料连接技术

针对潜艇VLS 发射管修复需求，开发Inconel625/304 不锈钢梯度熔覆工艺。通过三层过渡设计，第一层采用纯 Ni 中间层降低热膨胀系数差异，第二层引入 20%Fe 的 Ni-Fe 合金，第三层为 Inconel625。拉伸试验表明，接头强度达到580MPa ，满足设计要求。

四、工程应用案例分析

4.1 鱼雷壳体密封面修复

美国海军 NUWCKeyport 分部采用 3kWYAG 激光器，配合六轴机器人系统，在 5m 水深下修复 7075 铝合金鱼雷壳体。通过优化扫描路径与粉末流量，实现单层熔覆厚度 0.8mm ，修复效率较传统机加工提升3 倍。经200 次压力循环测试，密封面泄漏率低于 1×10^--9Pa∙m³/s. 。

4.2 风电导管架节点强化

山东镭研激光科技有限公司在 30m 水深环境下，使用高速激光熔覆设备对Q345 钢结构导管架节点进行耐磨强化。采用 WC-12Co 硬质合金粉末，熔覆层厚度达 2.5mm ，硬度达到 62HRC。经 1 年海洋环境实测，熔覆层磨损量仅为未处理区域的 1/8 。

4.3 跨海大桥锚碇修复

东南大学团队在杭州湾跨海大桥锚碇修复工程中，应用水下激光增材再制造技术。针对Q420qD 桥梁钢的疲劳裂纹，采用ER50-6 焊丝进行激光熔覆修复。修复后区域疲劳寿命达到 2×10^-7 次，较原设计寿命提升 40% 。

结语

浅水环境激光熔覆技术通过排水喷嘴优化、脉冲能量调控及多物理场仿真等关键技术突破，已实现从实验室研究到工程应用的跨越。未来发展方向包括：

开发深水环境 (>50m) ）激光熔覆专用设备，重点解决高压水环境下的排水稳定性问题；

研究激光- 电弧复合工艺，进一步提升熔覆效率；

建立基于数字孪生的工艺参数智能优化系统，实现修复质量的实时闭环控制。

该技术将为我国海洋工程装备的全生命周期维护提供重要支撑，助力 " 海洋强国" 战略实施。

参考文献：

[1] 激光熔覆制备钴基复合涂层研究现状分析 [J]. 张好强 ; 刘豪 ; 刘印 ;李强; 侯锁霞. 激光与光电子学进展,2023(09)