激光—电弧复合焊接技术研发进展综述（中）

承接2025年10月刊P25
 

4.复合焊接工艺分析与质量评估
在复合焊接过程中，激光功率、电弧能量、焊接速度、焊接电流、装配间隙以及保护气体流量等参数会显著影响焊接现象与最终焊缝形貌。本节通过研究激光-电弧复合焊（LAHW）中的小孔行为与熔滴过渡现象，系统阐述该技术的优势及改进方向。通过分析多因素对焊缝形貌的影响机制，探究焊接缺陷的成因与防治措施，旨在识别相关工艺问题与不足，从而优化复合焊接工艺流程。

●4.1小孔行为
当采用高功率、高强度激光时，金属表面熔融后发生蒸发。蒸发金属对熔池表面产生反冲压力，排开液态金属并形成小孔。图6A具体展示了纵截面上小孔与熔池的瞬态演变过程。小孔行为对复合焊接效果至关重要，它能实现能量集中并达成深熔焊。该过程促使激光能量直接传递至工件内部，这对激光深熔焊具有决定性意义。激光束形成的小孔可保留大量吸收的激光能量，并将其转化为热能，这种现象称为“小孔效应”。因此，复合焊接中激光产生的深熔小孔能够提升能量利用率并改善焊接效率。

 

图6：熔池小孔动态演化分析。(A)熔池内小孔演化示意图；(B)该过程中小孔坍塌示意图。(a)铝合金在0.245秒时与(c)钢在0.264秒时，展示了不同材料小孔坍塌的初始阶段，表现为小孔后壁的隆起形成；(b)铝合金在0.250秒时与(d)钢在0.270秒时，显示了隆起与小孔前壁之间坍塌的后期阶段；(C)激光电弧复合焊接过程中小孔动态演化示意图。(a-e)磁场强度为0 mT；(f-j)磁场强度为15mT；(k-o)磁场强度为30mT。对比显示，在没有磁场影响的情况下，激光电弧复合焊接过程中的小孔稳定性非常差

当小孔表面张力与反冲压力接近平衡时，会产生振荡现象并影响其稳定性。这种不稳定性会导致小孔底部形成大型气泡。若焊缝金属凝固速率超过气泡上浮速率，就会形成焊接气孔，显著降低焊缝金属的力学性能。熔融金属的快速流动与熔池中大量金属蒸气的共同作用，会加剧小孔不稳定性并促进气泡形成，从而导致缺陷产生。图6B展示了不稳定条件下小孔的坍塌过程：其中(a)(c)组显示不同材料中因强烈金属液流导致的小孔壁显著凸起，(b)(d)组则呈现附加流场引发的坍塌现象。坍塌发生后，小孔深度的减小会导致能量吸收能力显著下降。因此，致力于提升小孔稳定性的研究对提高焊接效率至关重要。

小孔稳定性受多种焊接参数的显著影响。小孔与熔池之间存在复杂的相互作用，对流效应会引发小孔形态波动，在各种焊接条件下加剧小孔的不稳定性。Miyagi与Ning团队均研究了不同激光强度对小孔的影响：Miyagi发现激光功率每降低1kW，熔深会减小而小孔深度保持相对稳定，表明激光功率对小孔影响有限；与之相反，Ning团队则发现调节激光功率可有效形成穿透型小孔，促进过剩激光能量逸散，并降低由激光束反复反射带来的风险（如横向收缩加剧和小孔失稳）。过高的激光功率设置会导致反冲压力与表面应力剧烈波动，进而阻碍小孔正常生长并引发小孔与熔池的双重不稳定性。

除参数调节外，外部方法也能增强小孔的稳定性。研究表明磁场辅助焊接能有效提升焊接与小孔双重稳定性。Li等学者发现在激光焊（LW）过程中施加稳定磁场可改善小孔稳定性。Tan团队研究了激光-电弧复合焊（LAHW）过程中小孔的动态行为：无磁场作用时，熔池受液态压力作用使熔体紧压小孔后壁，导致小孔隆起形成并增加坍塌风险；反之在磁场作用下，小孔后壁变形程度减轻，从而降低坍塌概率（如图6C所示）。

Zhan等学者通过磁场作用下小孔深度随时间的变化规律，论证了磁场对熔池稳定性的影响。其研究结果表明，在更短时间内实现小孔深度的一致性是可实现的。Liu团队研究了不同磁通密度下激光混合焊（HLM）中小孔的动态行为：发现当磁通密度足够高时，熔滴因受磁场力作用会偏离小孔熔池区域，从而避免碰撞与干扰。在此过程中，需综合考虑焊接条件、周边环境及机械冲击等多重参数，以维持小孔稳定性并防止飞溅、气孔等缺陷的产生。

●4.2熔滴过渡行为
熔滴过渡显著影响焊接过程稳定性与焊缝质量。电弧热量将焊丝端部熔化为金属熔滴，使其沿焊丝中心线向熔池过渡。若熔滴未能进入熔池，会产生过量飞溅进而影响焊缝质量。在激光-电弧复合焊中，熔滴过渡行为能为电弧特性、熔覆效率及焊接过程提供关键判据。大量研究表明，熔滴过渡模式显著影响焊接稳定性、飞溅程度及综合质量。重力、表面张力与电磁力组成的复合力系共同作用，决定着熔滴的过渡模式与稳定性。

 

图7：(A)复合焊接熔滴受力示意图，(上)经SPRINGER NATURE授权转载。(下)经ELSEVIER授权转载。(B)熔滴短路过渡模式(a)、球状过渡模式(b)及喷射过渡模式(c)的示意图，分别对应(a-d)传统电弧焊接与(e-h)激光电弧复合焊接中的过程

图7A展示了激光-电弧复合焊中熔滴的受力状态示意图。重力作为向下作用力促进熔滴过渡，电磁力是影响熔滴传输的主要因素，而表面张力则通过阻止液态金属脱离焊丝端部，形成阻碍熔滴过渡的保持力。熔滴所受作用力显著影响焊缝成形、微观组织与质量，其过渡模式更与熔池稳定性密切关联，这使其成为焊接熔滴过渡的核心参数。熔滴过渡模式主要包括短路过渡、滴状过渡与喷射过渡三种形式，不同模式对焊缝质量与稳定性具有显著影响。图7B中(e)(f)组展示了激光-电弧复合焊的三种熔滴过渡模式。

当电弧电流较低时，未分离的熔滴会接触熔池形成短路液桥，这标志着短路过渡的发生。Gao等学者在激光-电弧复合焊过程中实时评估熔池状态，发现短路过渡持续时间延长与工艺不稳定性增加相关。滴状过渡发生在长弧长与低电流工况下，焊丝端部会产生直径大于焊丝的熔滴，这些熔滴在重力作用下坠入熔池。

 

该模式中较大的熔滴尺寸常导致飞溅或热影响区扩大等缺陷。与之相反，喷射过渡则在特定弧长与较高焊接电流下发生，熔滴沿焊丝轴向射入熔池。

向喷射过渡转变可减少熔滴飞溅及其对熔池的影响，显著提升焊接稳定性。多种因素会影响熔滴过渡模式：在平焊位时，电磁力促进熔滴过渡而重力导致熔滴坠落；在立焊位时，电磁力反而抑制熔滴过渡，从而导致短路过渡模式的形成。

 

 

图8:不同焊接速度下的熔滴过渡样本。(a-e)为不同时刻熔滴过渡的高速摄像图；(f-j)为各时刻对应的示意图。(a)3米/分钟，熔滴过渡模式为短路过渡；(b)4米/分钟，熔滴过渡模式为球状过渡；(c)5米/分钟，熔滴过渡模式为喷射过渡

 

图9：不同激光功率下熔滴过渡过程示意图。(a) 0千瓦；(b) 3千瓦；(c) 5千瓦

形成阻碍熔滴过渡的垂直反作用力。Liu等学者发现随着焊接速度提升，熔滴形成的持续时间与尺寸均减小，从而实现更稳定的过渡模式（如图8所示）。该团队采用激光-电弧复合焊（LAHW）对8mm厚316L不锈钢板进行实验，发现激光的引入通过改善电弧导电性促进了熔滴过渡行为：当激光功率从0kW增至5kW时（图9所示），熔滴过渡速度加快且焊丝沉积率提升。

 

图10：不同磁场强度（8 mT、16 mT、24 mT）与频率下的熔滴过渡过程。阶段I：熔滴接触熔池并形成有效液态桥的时刻，阶段II：液态桥发生弯曲，阶段III：液态桥断裂形成电弧。(a)0赫兹、(b)10赫兹、(c)20赫兹

 

图11：(A)通过不同焊接方法焊缝显微组织测量获得的焊接接头纵向残余应力分布，红色箭头表示组织中的奥氏体：(a)激光焊接；(b)低热输入复合焊接；(c)高热输入复合焊接；(B)(a)激光焊接；(b)低热输入复合焊接；(c)高热输入复合焊接的焊缝三维残余应力分布，右侧图表显示了沿厚度方向的残余应力分布

图10展示了不同磁场强度与频率对熔滴过渡的影响。该图表明施加磁场可抑制熔滴飞溅与不稳定性，且随着频率增加（如(c)组所示），熔滴过渡呈现改善的电弧稳定性。若这些参数配置不当，电弧熔滴可能冲击熔池，引发小孔坍塌、飞溅及凹坑等缺陷。因此，焊接参数与外部变量共同显著影响熔滴过渡模式与稳定性，必须同步考量多重因素以确保熔滴过渡平稳进行。

●4.3焊缝质量与性能
焊缝力学性能是焊接工程中的关键指标，显著影响焊接质量。优化的焊缝形貌可提升焊接效率、稳定性及连接强度，直观反映焊接工艺的优劣性。因此当前焊接工艺研究的首要重点在于探索能产生优异力学性能且缺陷最少的焊接策略。改善焊缝力学性能的核心途径是通过调整合金中的填充金属成分，从而显著提升焊缝性能以满足使用需求。最终焊缝质量与形态受多重因素影响，本节通过分析残余应力、微观组织、成分组成及各类焊接参数，综合评估复合焊接的工艺效益与特性。

4.3.1残余应力分析
成功焊接需解决残余拉应力问题，该应力可能源于厚度变化、复杂几何形状及不稳定热输入。残余应力会降低焊缝力学强度，导致质量性能下降并增加开裂风险。抑制残余应力具有挑战性，因为焊接过程涉及频繁的热循环——高温下的塑性变形会使熔合区与母材产生膨胀与收缩，从而引发显著残余应力与焊接变形。Sun等学者发现增加热输入会显著提升焊件中的残余拉应力。残余应力幅值通常由最终焊道的热输入能量决定，这使得热影响区与焊缝根部的残余应力通常最高。

残余应力还源于局部尺度上不同区域间的相互约束作用。在激光-电弧复合焊中，焊焰顶部受电弧热源影响，而底部则受穿透性更强的激光作用。这些区域的热输入、冷却速率与焊缝金属存在差异，残余应力的幅值与分布也因此不同。Ragavendran等学者通过三种方法分析了热源效应导致的微观组织形貌及对应残余应力分布（图11A所示）：与激光焊相比，激光-混合焊与激光-钨极氩弧焊均产生独特的残余应力分布，且具有更小的热影响区与更低的焊缝区域残余应力。

残余应力对焊缝的影响与热输入和微观组织约束直接相关，导致不同区域产生差异化的残余应力水平。这种应力分布差异会显著影响焊缝的最终形态。图11B从三维视角分析了热影响区内沿板厚方向的残余应力纵向分布，以及不同焊缝区域的应力分布状况。

4.3.2显微组织分析
显微组织在决定焊接区域力学性能方面起着关键作用，包括焊缝金属的组织结构和相组成。根据具体合金和焊接条件的不同，焊缝金属的组织可分为等轴枝晶、树枝晶或柱状枝晶。等轴枝晶的晶粒尺寸小于柱状枝晶，有助于提高焊缝的强度和力学性能。通过不同处理得到的显微组织组成，显著影响着焊接接头的强度。

 

图12：(a)复合焊缝熔合区，(b)熔合区局部，(c)热影响区；(d)固溶时效处理后的熔合区，附(e)熔合区局部与(f)热影响区。右图显示了不同处理条件下接头的硬度分布

图12展示了复合焊接及固溶处理后，不同区域经过时效处理的显微组织图像与硬度分布。结果表明，固溶时效处理后，强化相与位错的分布更为均匀，从而提升了接头的力学性能。Schempp的研究发现，高焊接速度会促使凝固组织向等轴枝晶模式转变，而添加晶粒细化剂可以进一步促进这一转变。

Wang等人提出，激光摆动是促使柱状枝晶向等轴枝晶转化的有效技术，因为脉冲激光束可以增强熔池的流动与流体动力特性。位错密度的增加导致等轴枝晶浓度升高，从而提升了焊缝的机械强度。

相组成显著影响焊接接头的力学强度。焊缝中不同相的形成会对其强度、硬度和韧性产生影响，无论相组成过多或过少都会削弱焊缝的强度。因此，预先预测并控制相组成有助于提升焊缝的力学性能。

在对复合焊接试样进行的拉伸实验中，Du等人发现马氏体相的形成能强化熔合区、提高抗拉强度并增强细晶强化效果。他们还发现试样未出现断裂等缺陷。Chen等人研究了冷却速率对接头热影响区显微组织与力学行为的影响。研究结果表明，奥氏体-马氏体混合组织对焊接接头的质量和韧性均有显著影响。若对该混合组织的控制不当，可能导致马氏体生成过量，这虽能大幅提升强度，但也会同时增加焊缝的脆性。

反之，若奥氏体含量不足，则难以实现强度与韧性的最佳平衡。此外，铁素体相的存在与焊缝硬度提升相关。铁素体是一种高强度相，其特征是显微硬度高于奥氏体且热影响区较小，通常分布于熔合区边界附近。Munro采用激光电弧复合焊接技术制备了HSLA-65钢对接接头，通过对各焊接区域的显微组织进行检测，发现针状铁素体是焊缝金属的主要组成相，其存在有助于提升强度与韧性。针状铁素体作为关键的微观组织组成，对改善低碳钢焊接接头的性能具有重要作用。

 

 

图13：(A)根部焊层显微组织(a)及填充层与层间叠合显微组织(b)；(c-f)焊缝内不同区域的能谱分析相组成；(B)焊缝表面形貌与横截面形貌，(a,b)为激光焊接，(c,d)为复合焊接。左侧为不同焊接方法的焊缝表面形态与横截面形貌；右侧为光学显微镜下的焊缝材料显微组织图像

Zhang等人采用复合焊接技术熔接40毫米厚低碳钢，形成了平滑过渡的焊层。研究结果表明，焊缝区域呈现出根部焊层、填充层及层间叠合的特征，如图13A中(a)、(b)所示。随后对焊缝内不同位置的抗拉强度进行了评估，并对焊缝成分进行了能谱分析，结果如图13A中(c)-(f)所示。分析发现，根部激光区的底部试样因冷却速度过快，其针状铁素体含量较低且力学强度最弱。

因此，针状铁素体对提升低碳钢焊接接头的性能起着关键作用。总体而言，晶粒尺寸、相组成等关键微观结构特征显著影响焊接接头的力学性能。细晶粒通过阻碍位错运动来增强强度与韧性。马氏体、铁素体等相组成则影响着焊缝的强度与硬度。例如，针状铁素体能显著提升低碳钢的强度与韧性。此外，第二相颗粒也有助于提高疲劳强度。由此可见，通过精确控制焊接参数来调控这些微观组织特征，可有效优化焊接接头的力学性能。

显微组织与相组成具有温度依赖性，具体体现在晶粒尺寸和相结构的差异上。热输入会促进晶粒长大并改变焊缝区域的组织形态，同时影响熔深、焊接性能及整体微观结构。建立热输入与局部显微组织之间的关联，有助于进一步研究焊缝区域。焊接接头存在热影响区、熔合区等不同区域。焊缝材料的力学强度随晶粒尺寸减小而提高，而晶粒尺寸直接受焊接过程中的热输入影响。

温度过高会导致热输入增加，从而引起晶粒快速粗化。Shen等人发现，降低热输入有助于形成更细小的晶粒结构，从而提升成形层的力学强度。因此，随着热输入的增加，焊件的晶粒尺寸也会增大，进而导致焊接质量下降并加剧焊接变形。Ragavendran和Vasudevan等人通过热力学分析，制备了采用高低热输入参数的316L型焊接接头。

研究发现，热输入的增加会导致焊缝金属体积膨胀。热输入量及焊缝金属的形态对焊接残余拉应力的最大值及其分布具有显著影响。为抑制焊接过程中的晶粒长大并减少由热量引起的变形，建议在降低热输入的同时，提高激光能量与电弧能量的比例。

激光电弧复合焊接技术具备固有优势，可通过调控热输入、优化焊缝显微组织来提升焊接质量。Jiang等人对高功率激光复合MIG焊接进行了研究，发现激光复合焊接引起的变形显著小于常规MIG焊接。这是因为激光电弧复合焊接速度较快，能最大限度减少过度的热输入，从而降低焊接变形风险。Xie等人对比分析了激光焊接与激光电弧复合焊接，发现在相同焊接参数下，由于电弧的影响，激光电弧复合焊接的能量输入集中度较低。

这使得焊接接头晶粒更细小，力学性能得到提升。如图13B中(c)和(d)所示，激光电弧复合焊接形成的焊缝表面明显比激光焊接更光滑，展现出更优异的焊缝形貌。总而言之，焊接接头的质量与力学强度取决于所用填充材料的类型以及由此产生的微观组织结构。在激光电弧复合焊接中，由于多种参数的相互作用，焊缝结构比传统焊接方法更为复杂。因此，必须通过控制焊接参数和热输入来调控焊缝微观组织的影响，才能获得最优的焊缝形貌。（未完待续，下篇请看3月电子刊）

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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