李權(quán)洪，龐盛永，黃安國，梁呂捷，郭嘉琪，韋朋余

（1.華中科技大學(xué) 材料成形與模具技術(shù)國家重點實驗室，武漢 430000；2.中國船舶科學(xué)研究中心，江蘇 無錫 214082）

隨著人們向深海領(lǐng)域（≥300 m）和外太空領(lǐng)域不斷探索，惡劣的服役環(huán)境導(dǎo)致對深海與航天空間大型裝備焊接制造和維護技術(shù)的要求越來越嚴(yán)苛。深海環(huán)境具有通透性差、壓力變化大以及水文特性復(fù)雜等特點，太空環(huán)境具有高真空、微重力以及超低溫等特點，這種復(fù)雜的極端非常壓環(huán)境使得傳統(tǒng)的焊接和修復(fù)技術(shù)面臨愈加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1—3]。當(dāng)前，光纖激光能夠通過光纖，將高能量密度的激光熱源進行長距離、低損耗和高精度的柔性傳輸，具備可達性好的同時還具有能量集中、熱影響區(qū)極窄以及應(yīng)力變形小等優(yōu)點，被認(rèn)為是未來深海和外太空等極端非常壓環(huán)境下最具有潛力的焊接修復(fù)和制造技術(shù)。

目前，由于嚴(yán)重缺乏深海高壓和外太空真空環(huán)境下激光焊接制造過程及機理的認(rèn)識，這直接影響現(xiàn)役裝備的維保及其服役壽命，焊接工作者迫切需要開展該環(huán)境下的基礎(chǔ)性焊接實驗研究工作，準(zhǔn)確捕捉和描述非常壓條件下激光焊接現(xiàn)象及其物理過程和機制，指導(dǎo)實際的焊接制造工作。深海高壓和外太空真空環(huán)境的焊接基礎(chǔ)實驗面臨著高風(fēng)險、高成本、長周期甚至很多情況下難以開展的現(xiàn)實難題，為此，焊接工作者不斷研究以及開發(fā)了多種設(shè)備和技術(shù)，以期深入探究非常壓環(huán)境下的激光焊接過程。20世紀(jì)90年代中期，德國、日本以及美國等科學(xué)家們首先致力于水下局部干法焊接的研究，研制了水下激光排水設(shè)備[4—8]。2004年以后逐漸開發(fā)了水下激光焊接/修復(fù)技術(shù)[9]，并成功應(yīng)用于美國南卡羅來納州羅賓遜核電站的水下激光修復(fù)[10]，以及核電設(shè)備中經(jīng)常出現(xiàn)的應(yīng)力腐蝕裂紋、疲勞裂紋等缺陷的水下激光修復(fù)[11—12]。在國內(nèi)，2002年清華大學(xué)張旭東等[13—16]開展了水下局部干燥激光焊接設(shè)備及工藝等相關(guān)工作，獲得了良好的水下激光焊接效果。之后，北京石油化工學(xué)院的朱加雷[17]、南昌大學(xué)的陳海軍[18]等利用實驗與模擬相結(jié)合的方法，設(shè)計了不同排水裝置。上述工作主要集中于水下激光焊接排水裝置及工藝技術(shù)的研發(fā)，對環(huán)境壓力變化的研究涉及較少。在環(huán)境壓力變化研究方面，Katayama等[19]發(fā)現(xiàn)當(dāng)環(huán)境壓力從大氣壓下降到真空時，熔池的狀態(tài)會變得更加平靜；Boerner等[20]研究表明，隨著環(huán)境壓力的降低，焊縫熔透深度會增加 10%以上；Fabbro等[21]發(fā)現(xiàn)當(dāng)蒸發(fā)表面溫度低于或接近沸點時，環(huán)境壓力會減小焊接蒸發(fā)速率。

上述研究表明，無論是處于深海較大的高壓環(huán)境，還是處于外太空間較低的真空環(huán)境，壓力變化對激光焊接過程的影響十分顯著，是激光焊接過程中需要重點考慮的影響因素[22—23]。目前對水深在 1000 m以上的深海高壓及外太空間真空環(huán)境激光焊接的研究，由于基礎(chǔ)性焊接實驗的現(xiàn)實難題，而尚未廣泛展開。當(dāng)前，在地面上建立一套集負(fù)壓和高壓于一體的模擬裝置，開展從真空到高壓壓力變化過程的激光焊接實驗研究，被普遍認(rèn)為是揭示不同壓力環(huán)境下激光焊接物理過程和機理的重要手段和裝備[24—27]。文中自主研發(fā)設(shè)計了可調(diào)壓力激光焊接地面模擬實驗裝置，開展模擬裝置的耐壓性能及壓力調(diào)節(jié)集成測試，實現(xiàn)從真空負(fù)壓到深海高壓的壓力調(diào)節(jié)集成控制?；谠撗b置，研究不同真空環(huán)境以及水下環(huán)境的焊縫形貌成形規(guī)律，為不同壓力環(huán)境特點的激光焊接研究提供了重要的思路和手段。

1 可調(diào)壓力地面模擬裝置的研制

由于直接進行深海高壓環(huán)境激光焊接和太空負(fù)壓環(huán)境激光空間制造實驗的成本高、難度大，文中通過設(shè)計一種從真空負(fù)壓到深海高壓壓力范圍可調(diào)的激光焊接地面模擬裝置，以此滿足在地面上可以模擬不同高壓力（≥3 MPa）、低真空（≤10 Pa）的壓力環(huán)境，以及高鹽度（≥35 psu）、低溫度（≤20 ℃）的水下環(huán)境。文中所研發(fā)設(shè)計的模擬裝置包括對模擬裝置壓力調(diào)節(jié)集成系統(tǒng)的設(shè)計、激光入射孔的設(shè)計以及可移動運動平臺的設(shè)計，具有能夠?qū)崿F(xiàn)負(fù)壓到高壓的可自主調(diào)節(jié)功能，并可以在陸上模擬深海高壓環(huán)境和空間真空環(huán)境。

1.1 可調(diào)壓力容器設(shè)計

為了能夠真實模擬深海高壓環(huán)境以及空間真空環(huán)境的激光焊接過程，從環(huán)境壓力調(diào)節(jié)集成控制、耐高壓以及耐腐蝕 3個方面對可調(diào)壓力激光焊接模擬裝置進行設(shè)計。

裝置內(nèi)部環(huán)境氣壓的穩(wěn)定可控是地面模擬裝置成功模擬不同環(huán)境壓力的關(guān)鍵，通過對進出氣體的氣路設(shè)計，對裝置內(nèi)部環(huán)境壓力進行調(diào)節(jié)，實現(xiàn)裝置內(nèi)部壓力的動態(tài)平衡。首先設(shè)計一套從負(fù)壓到高壓的壓力調(diào)節(jié)集成控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要分為進氣區(qū)和排氣區(qū)兩大部分。進氣區(qū)的保護氣氣瓶和高壓氣瓶與模擬裝置之間分別通過兩組進氣管連接，兩組進氣管對稱分布在上端蓋一側(cè)，使進入的氣體更均勻，并在保護氣氣瓶上裝有氣體流量計和針型閥，以此來進一步有效控制模擬裝置內(nèi)的氣體流量，并通過截止閥等壓力控制閥，形成單向?qū)ǖ臍饴?，可避免水汽的逆流?/p>

排氣區(qū)包括安裝在兩組排氣管上的排氣閥、截止閥，以及內(nèi)置的具有排水功能的排水罩。排氣閥和截止閥保證了容器內(nèi)部壓力能夠得到有效控制，使容器內(nèi)部始終處于動態(tài)穩(wěn)定的壓力環(huán)境，并根據(jù)所需的壓力環(huán)境進行自主調(diào)節(jié)。另外，在截止閥一側(cè)可連接真空泵，可在關(guān)閉其他閥門的情況下形成密閉真空環(huán)境，用于進行真空激光焊接實驗。此外，焊接保護氣體可以通過進氣管進入模擬裝置內(nèi)部的排水罩中，在待焊件上方形成一個局部干燥穩(wěn)定的焊接空間，在壓力增大后也能使水面更加穩(wěn)定，避免水對激光焊接過程的影響，從而獲得質(zhì)量較高的焊縫，并通過置于高壓容器上的溫度計和鹽度計，可實時監(jiān)測模擬有水環(huán)境特點時裝置內(nèi)部的水溫變化（≤20 ℃）以及鹽度變化（≥35 psu）。整個地面模擬裝置壓力調(diào)節(jié)系統(tǒng)如圖1所示。

圖1 可調(diào)壓力物理模擬裝置結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of adjustable pressure physical simulation device

為了在地面上能夠模擬 3 MPa以上的深海高壓環(huán)境，可調(diào)壓力模擬裝置的結(jié)構(gòu)和密封方式是耐壓性能的關(guān)鍵。在模擬實驗過程中，模擬裝置有時需要盛裝不同鹽度的水以模擬不同環(huán)境下的海水環(huán)境特點。由于海水的鹽度較高，模擬裝置需要具有良好的耐腐蝕性和耐高壓性，因此，選用強度高且防腐蝕性好的304不銹鋼作為可調(diào)壓力模擬裝置的制造材料，并且對材料進行鍍鎳處理，進一步提高耐腐蝕性。為了使裝置內(nèi)部受力均勻，以進一步承受較高的環(huán)境壓力，模擬裝置的整體結(jié)構(gòu)將采用圓柱筒結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)內(nèi)壁受力均勻，可以承受較高的壓力。根據(jù) GB 150.3—2011中給出的內(nèi)壓圓筒壁厚設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，對可調(diào)壓力模擬裝置的壁厚進行計算，因此，模擬裝置筒體的壁厚δ可表示為：

式中：pc為筒體的理論設(shè)計壓力；D為筒體內(nèi)徑；[δ]為鋼板在設(shè)計溫度下的許用應(yīng)力；φ為焊接接頭系數(shù)，取0.8。

地面模擬裝置設(shè)計耐壓為 3 MPa以上，外徑為140 mm，因此壁厚約≥8.11 mm，為了保證高壓容器的安全性，設(shè)計壁厚為10 mm。高壓容器整體外觀結(jié)構(gòu)及尺寸設(shè)計如圖2所示。

圖2 壓力容器外觀結(jié)構(gòu)及尺寸的設(shè)計示意圖Fig.2 Design diagram of the appearance structure and size of the pressure vessel

良好的密封性可以保證容器內(nèi)部高壓環(huán)境的穩(wěn)定性。法蘭結(jié)構(gòu)受力均勻，并且可以通過螺栓進行預(yù)緊，是壓力容器中常用的結(jié)構(gòu)。根據(jù)《壓力容器法蘭》的設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)，法蘭結(jié)構(gòu)設(shè)計公稱直徑≤800 mm，為了便于法蘭結(jié)構(gòu)的人工開啟和操作，取法蘭結(jié)構(gòu)外徑為340 mm，并與圓柱筒結(jié)構(gòu)通過焊接方式進行連接。整個壓力集成可調(diào)的模擬裝置能夠模擬不同高壓力、低真空等非常壓環(huán)境，也能模擬水、鹽度以及其他生物特點的焊接實驗環(huán)境，為深海高壓激光焊接過程以及空間負(fù)壓激光制造過程提供了強有力的實驗基礎(chǔ)。

1.2 激光入射孔設(shè)計

在模擬水下環(huán)境激光焊接過程中，由于水的存在，激光會與母材等發(fā)生劇烈的相互作用，過程中所產(chǎn)生的金屬蒸氣以及水蒸氣等高溫氣體極易進入到激光頭內(nèi)部造成污染，會嚴(yán)重影響激光器的使用，且焊接過程中的金屬飛濺等極易對激光頭內(nèi)的光學(xué)器件造成損毀，并且激光頭在焊接移動過程中容易與其他結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉，因此，激光頭與模擬裝置之間的相對位置關(guān)系是整體裝置設(shè)計的關(guān)鍵，同時應(yīng)盡可能保證激光頭在極端非常壓環(huán)境中能夠靈活、便捷的操作，文中采用光纖激光焊接系統(tǒng)置于可調(diào)壓力容器外的方式進行焊接實驗。

激光焊接系統(tǒng)置于模擬裝置上方，需要在模擬裝置的上方設(shè)計激光入射孔，使得光纖激光能夠通過可調(diào)壓力容器上方開設(shè)的入射孔進入到裝置內(nèi)部，并且入射激光與入射孔的中心應(yīng)該始終保持在同一中軸線上。同時在裝置內(nèi)部放置可移動平臺，實現(xiàn)激光與成形基板之間的相對運動。此外，可調(diào)壓力容器需要保持良好的密封性，入射孔采用錐形環(huán)和 O型圈相配合的密封方式，并通過螺栓將上蓋板與下端蓋進行連接。激光外置焊接方式如圖3所示。

圖3 激光外置焊接方式示意圖Fig.3 Schematic diagram of laser external welding

在實驗過程中，激光需要經(jīng)過可調(diào)壓力容器上方的入射孔進入裝置內(nèi)部，入射孔中透射玻璃的選擇對激光焊接過程有著很大的影響。激光波長為1060 nm，透光性不良的玻璃容易導(dǎo)致激光束無法進入到裝置內(nèi)部，并且在焊接過程中容易出現(xiàn)激光燒蝕玻璃的現(xiàn)象，因此，激光所透射的玻璃應(yīng)滿足透明、耐高溫、強透光等條件。石英玻璃對激光的透射率可達99%以上，可透激光波長為 1030~1080 nm，能夠滿足激光焊接透射要求。此外，石英玻璃密度高（22.21 g/cm2），可承受50 MPa以上的壓力，具有較強的耐壓強度，并且石英玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性好，高溫高壓下水侵蝕小，具有良好的耐腐蝕性，因此，選用石英材質(zhì)的玻璃作為激光焊接過程中的透射玻璃（厚度為10 mm，直徑為60 mm）。

1.3 運動平臺設(shè)計

在焊接實驗過程中，內(nèi)置的光纖激光器在移動過程中極易與可調(diào)壓力容器結(jié)構(gòu)發(fā)生干涉。為了避免干涉的產(chǎn)生，文中采用光纖激光器固定，工作臺移動的方式進行焊接實驗。該種方式有效提高了焊接效率，降低了實驗成本，對于不同材料、不同結(jié)構(gòu)的焊接實驗具有較好的通用性，并且可移動運動平臺在水環(huán)境下進行激光焊接的過程中，工作臺的運動會帶動裝置內(nèi)部的水，使水發(fā)生波動，進一步真實模擬水下環(huán)境水流流動特點。

運動平臺由可移動工作臺、移動導(dǎo)軌和動力驅(qū)動裝置組成，如圖4所示，其中焊接工作臺位于可調(diào)壓力容器內(nèi)部的移動導(dǎo)軌上，伺服電機動力裝置位于可調(diào)壓力容器外部。伺服電機與可移動工作臺通過直線推桿進行連接。當(dāng)動力裝置驅(qū)動連接推桿時，可調(diào)壓力容器內(nèi)部的可移動工作臺在導(dǎo)軌上做直線運動。為了在焊接過程中精確控制可移動工作臺的移動速度，從而得到所需的焊接速度，利用編碼器脈沖控制伺服電機進行精準(zhǔn)的運轉(zhuǎn)。電動驅(qū)動絲桿滑臺的方式需在絲桿與電機之間配置聯(lián)軸器，采用滾珠絲桿傳動的方式可以很好地減少密封處的移動，避免出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象。

圖4 激光焊接可移動運動工作臺Fig.4 Movable motion table of laser welding

2 結(jié)果與分析

2.1 可調(diào)壓力激光焊接裝置的耐壓性能測試

根據(jù)上述設(shè)計，對可調(diào)壓力激光焊接裝置進行實物加工、安裝，如圖5所示，并對裝置的耐壓性能和壓力調(diào)節(jié)性能進行驗證，進一步證明壓力容器的安全性、可靠性。壓力是深海高壓環(huán)境激光焊接和空間真空環(huán)境激光制造最主要的影響因素，為了驗證模擬裝置的設(shè)計可靠性，在江蘇派斯特壓力容器有限公司通過負(fù)壓測試以及水壓耐高壓測試對自主研制的實驗裝置進行第三方驗證。

耐壓測試測試結(jié)果如圖5a和5b所示，其中，圖5a為設(shè)計耐壓實驗曲線，圖5b為實際壓力實驗曲線。從圖5a可以看出，設(shè)計要求在10.5 MPa的高壓環(huán)境時需滿足無泄漏狀態(tài)，并在13.13 MPa時應(yīng)能夠維持該壓力30 min以上，最后降壓時能夠在10.5 MPa的壓力下繼續(xù)保持足夠時長，以驗證整個裝置在升壓和降壓壓力調(diào)節(jié)過程中的密封性以及穩(wěn)定性。從圖5b實際壓力測試結(jié)果可以看出，實際測試升壓和降壓過程的時長均能滿足所需要求，因此，所研制的可調(diào)壓力激光焊接模擬裝置可實現(xiàn)壓力變化調(diào)節(jié)功能，并且最大能夠承受13.13 MPa，即可實現(xiàn)深水環(huán)境1000 m的水下激光焊接，具有良好的耐壓性能。另外，在進行負(fù)壓測試時，將真空泵與排氣閥進行連接，并關(guān)閉其他所有氣壓閥的閥門，通過電阻規(guī)對裝置內(nèi)部壓力值進行實時觀測。結(jié)果表明，模擬裝置的極限壓力值為5.2 Pa，滿足空間制造所需的負(fù)壓焊接條件。

圖5 水下激光焊接地面模擬裝置系統(tǒng)示意圖Fig.5 Schematic diagram of underwater laser welding ground simulation device system

裝置性能測試結(jié)果表明，文中自主研發(fā)設(shè)計的可調(diào)壓力激光焊接工藝地面模擬裝置可實現(xiàn)從負(fù)壓到高壓范圍內(nèi)的環(huán)境壓力調(diào)節(jié)，滿足深海高壓環(huán)境激光焊接和空間真空環(huán)境激光制造所需壓力條件。

2.2 變壓環(huán)境激光焊接實驗

采用IPG公司的YLR-4000光纖激光器，對尺寸為100 mm×150 mm×10 mm的ANSI 304不銹鋼進行可調(diào)壓力環(huán)境下的激光焊接實驗。在離焦量為0 mm，激光焊接功率為3 kW，焊接速度為1.5 m/min的焊接條件不變下，通過改變模擬裝置的內(nèi)部壓力參數(shù)，以獲得不同壓力環(huán)境下的激光焊接過程?；诖?，文中進行了4組在不同環(huán)境壓力參數(shù)下的激光焊接實驗，環(huán)境壓力分別為40 000，4000，400，40 Pa。焊接結(jié)束后，將試件制備成金相試樣，采用Kroll試劑進行腐蝕，其配比為3~9 mL HCl+1~3 mL HNO3，腐蝕時間為6~10 s，然后進行清洗、烘干，并在金相顯微鏡下測量焊縫的尺寸。

不同壓力環(huán)境下的激光焊接實驗焊縫形貌如圖6所示。由圖6可知，當(dāng)環(huán)境壓力較大時，此時焊縫的熔深相對較淺，焊縫整體形狀呈 V形。隨著環(huán)境壓力降低至40 Pa時，焊縫表面逐漸變得均勻，焊縫形狀由V形向I形過渡，熔區(qū)逐漸變窄。不同壓力環(huán)境下 304不銹鋼激光焊接的焊縫熔寬和熔深變化曲線如圖7所示。結(jié)果表明，激光焊接會隨著環(huán)境壓力的降低，焊縫深度逐漸增大，當(dāng)壓力從40 000 Pa降至40 Pa時，焊縫熔深從3.15 mm增大到5.1 mm，最高增幅可達 37%。相比之下，熔寬則呈下降趨勢，從1.8 mm下降到1.5 mm，減幅為16.7%。

圖6 不同壓力環(huán)境下激光焊接焊縫形貌Fig.6 Welding seam morphology of laser welding under different pressures

圖7 不同壓力環(huán)境下焊縫熔深和熔寬對比Fig.7 Comparison chart of weld penetration and width under different pressures

從實驗結(jié)果可以看出，當(dāng)環(huán)境壓力發(fā)生變化時，焊縫熔深也會隨之發(fā)生顯著變化。小孔熔深的變化是由于環(huán)境壓力的改變導(dǎo)致小孔壁面溫度發(fā)生改變而引起的。當(dāng)小孔內(nèi)溫度逐漸上升，反沖壓力逐漸增大，會使得小孔深度有所增加，因此，由于所處壓力環(huán)境的不同，焊縫形貌也會有所不同。在Himi等[28]研究中也發(fā)現(xiàn)過類似報道。

2.3 水下環(huán)境激光焊接實驗

采用IPG公司的YLR-4000光纖激光器，對尺寸為100 mm×150 mm×10 mm的“海洋金屬”TC4鈦合金進行局部干法水下環(huán)境激光焊接實驗。保持離焦量為 0 mm，激光焊接功率為 3 kW，環(huán)境壓力為 0.1 MPa，環(huán)境水溫為20 ℃，保護氣體（N2）流量為80 L/min不變，文中設(shè)計了水環(huán)境中5組不同焊接速度的激光焊接實驗，焊接速度分別為1，1.5，2，2.5，3 m/min，通過改變激光焊接過程中的焊接速度，以探究不同水下環(huán)境中激光焊接速度對鈦合金焊縫成形的影響規(guī)律，并與地面環(huán)境焊接速度為1 m/min的激光焊接過程進行對比，探究水的存在對激光焊接過程的影響。焊接結(jié)束后，將試件制備成金相試樣，腐蝕試劑的配比為90 mL H2O+6 mL HNO3+2 mL HF，腐蝕時間為15~20 s，然后進行清洗、烘干，并在金相顯微鏡下測量焊縫尺寸。

水下環(huán)境不同焊接速度的激光焊接焊縫形貌如圖8所示。在相同的焊接速度參數(shù)下，陸上環(huán)境焊縫形貌（見圖8a）與水下環(huán)境焊縫形貌（見圖8b）幾近相似。水下環(huán)境焊縫形貌成“T”字形狀，上半部分較寬，下半部分狹長而筆直，并且可以觀察到隨著焊接速度的增大，水下環(huán)境整個焊縫形貌橫截面積在逐漸減小。水下環(huán)境不同焊接速度 TC4鈦合金激光焊接的焊縫熔寬和熔深變化曲線如圖9所示。結(jié)果表明，水下環(huán)境激光焊接的焊縫熔深和熔寬均隨著焊接速度的增大而逐漸減小。當(dāng)焊接速度從1.0 m/min增加到3.0 m/min時，熔深從4.1 mm減小到2.8 mm。熔寬從3.6 mm減小到2.8 mm，最大減幅分別達31.7%和22.22%。

圖8 大氣及水下環(huán)境激光焊接焊縫形貌Fig.8 Morphology of laser welding seam in atmospheric and underwater environment

圖9 水下環(huán)境不同焊接速度的焊縫熔深和熔寬對比Fig.9 Comparison of weld penetration and width at different welding speeds in underwater environment

從實驗結(jié)果可以看出，TC4鈦合金激光焊接水下焊縫與陸上焊縫的焊縫形貌差別不大，證明自主研發(fā)設(shè)計的模擬裝置能夠在地面上模擬水下環(huán)境，并且能夠成功地進行水下激光焊接過程。隨著焊接速度的增加，焊接小孔的橫截面面積不斷減小。這是因為較快的焊接速度使激光能量的傳遞和吸收位置由熔池下部逐漸轉(zhuǎn)移到了熔池上部，導(dǎo)致激光能量吸收率減小，金屬熔化量和熔池金屬蒸發(fā)量也在逐漸減少。此外，隨著焊接速度的增大，焊縫熔深和熔寬均呈下降趨勢。這是因為水下環(huán)境激光焊接過程中激光束在母材上的移動速度加快，導(dǎo)致激光焊接線能量減小，激光與母材的作用時間減少，熔池小孔中壁面的蒸發(fā)溫度有所降低，反沖壓力逐漸變小，使得熔深和熔寬進一步減小。在姚杞等[29]研究中也發(fā)現(xiàn)過類似報道。

3 結(jié)語

1）設(shè)計研發(fā)了一套從真空負(fù)壓到深海高壓壓力范圍可調(diào)的激光焊接地面模擬裝置，該模擬裝置包括壓力調(diào)節(jié)控制系統(tǒng)、激光光路系統(tǒng)和可移動運動平臺，能夠模擬不同高壓力、低真空等非常壓環(huán)境，以及模擬水、鹽度以及其他生物特點的激光焊接實驗環(huán)境，為未來深海高壓和外太空負(fù)壓激光焊接實驗提供了強有力的設(shè)備支撐。

2）驗證了研發(fā)設(shè)計的模擬裝置可實現(xiàn)負(fù)壓到高壓的可自主調(diào)節(jié)功能，可以在陸上模擬深海高壓環(huán)境激光焊接和空間真空環(huán)境激光制造過程。結(jié)果表明，模擬裝置能夠承受13.13 MPa的壓力，可以在地面模擬水深1000 m（10 MPa）以上的高壓環(huán)境，負(fù)壓極限壓力值可達5.2 Pa，滿足空間負(fù)壓激光焊接條件。證明了可調(diào)壓力激光焊接地面模擬裝置在陸上模擬非常壓環(huán)境的可行性和有效性。

3）利用自主研發(fā)設(shè)計的模擬裝置進行了不同環(huán)境壓力條件下的激光焊接實驗。在激光焊接功率為3 W，焊接速度為 1.5 m/min的焊接條件不變下，隨環(huán)境壓力從40 000 Pa減小到40 Pa，焊縫熔深從3.15 mm增大到5.1 mm，而熔寬則呈減小趨勢，從1.8 mm減小到1.5 mm。

4）利用研發(fā)設(shè)計的模擬裝置在水下環(huán)境進行不同焊接速度的激光焊接實驗。在激光焊接功率為 3 W，環(huán)境壓力為0.1 MPa，環(huán)境水溫為20 ℃，保護氣體（N2）流量為80 L/min的條件不變下，水下環(huán)境激光焊接隨著焊接速度從1.0 m/min增加到3.0 /min時，熔深和熔寬均成下降趨勢。熔深從4.1 mm減小到2.8 mm，熔寬從3.6 mm減小到2.8 mm。