激光—电弧复合焊接技术研发进展综述（下）

承接2026 年3 月刊P25

4.3.3焊接参数影响分析
焊接参数的选择对焊接质量具有重要影响。保护气体的引入是焊前准备的关键环节。保护气体的成分与体积分数会影响焊缝的稳定性与热量分布，进而改变熔深和焊接过程的稳定性。优化保护气体特性可提升焊缝质量，减少气孔等缺陷。氦气、氩气等惰性气体常用于隔离熔池与外界环境。

氦气具有高电离电位，可降低等离子体密度，从而收束电弧并增加焊接熔深。然而，其质量较轻的特性使其稳定性不如更重、更易形成保护层的气体。与较重且更易电离的氩气相比，氦气的轻质特性影响了其稳定性，单独使用时效果欠佳。Tani等人在一项结合CO₂激光与MIG的激光电弧复合焊接工艺中，采用了含30%至40%氦气的混合气体作为保护气。

他们指出该工艺具有良好的可行性，但也发现氦气比例过高可能导致焊接过程不稳定。因此，调控保护气体的比例是一大挑战。Ahn等人研究了氩-氦混合保护气体对焊缝质量的影响，发现向焊缝区域添加氦气会增加热输入，从而提高熔池温度并延长冷却凝固时间。较长的冷却凝固时间虽有利于气泡充分逸出以降低气孔率，但也会对焊缝质量产生负面影响。此外，保护气体能形成稳定环境，防止熔池及高温金属发生氧化或污染。

除氦气和氩气保护外，多项研究表明不同混合保护气体对焊缝质量的影响存在显著差异。Wallerstein等人发现，采用氩气+8%CO₂与氩气+15%CO₂作为保护气体可获得最大熔深和最高质量的焊接接头。研究还指出，添加CO2能提高熔融金属的润湿性，减少焊缝区域的氧化膜形成，并避免凹陷与缺陷的产生。

Fang等人研究发现，采用氩气+CO₂作为保护气体能提升焊接过程的稳定性。此外，在保护气体中适当添加氮气可提高焊缝的力学强度并细化晶粒，但氮气添加过量会导致焊缝的平均硬度下降。Bai等人发现，在保护气体中添加5%的CO₂或氮气可防止复合焊接缝氧化，从而提高焊缝性能。

Yang等人采用计算流体力学方法与高速摄像技术，分析了保护气体流速对激光电弧复合焊接过程的影响。研究发现，适宜的保护气体流速能有效防止焊缝氧化，从而获得更优的表面形貌。由此可见，保护气体的使用是获得高质量焊缝的关键因素。为确保焊接质量与效率，对不同焊接工艺中的气体成分进行模拟分析至关重要。

除了保护气体类型及其成分外，激光功率等参数也会影响焊缝熔深及接头缺陷。Ragavendran的研究表明，为获得高质量焊缝所需的熔深，需要足够的激光功率以形成稳定且形态良好的小孔。但功率过高则可能导致缺陷与残余应力的产生。

Chen等人研究了激光功率对焊缝成形的影响。当激光功率为1.5 kW时虽可获得合格焊缝，但焊缝未表现出明显的复合焊接特征。将激光功率提升至2.5 kW后，焊缝熔深显著改善。然而，光致等离子体与电弧等离子体之间的剧烈相互作用，会损害焊接稳定性并影响填充金属量，导致焊缝余高减小。此外，激光焦点位置对决定焊缝熔深至关重要，当焦点略低于工件表面时能获得最佳熔深效果。

电弧角度同样影响焊缝熔深，因为电弧电极的尺寸会影响保护气体对激光诱导等离子体的偏转作用，进而干扰激光对焊缝的熔透效果。因此，要获得高质量的激光电弧复合焊接焊缝，需要同步调整多项焊接参数以确保获得最佳形貌。

振荡激光电弧复合焊接具有多重优势，包括改善焊缝形貌、抑制缺陷及细化晶粒。振荡激光束可增强熔池内的搅拌效应，促进能量分布均匀化，并通过调控焊缝宽度来减少气孔与塌边等缺陷。引入振荡激光束会改变能量输入模式，拓宽激光能量分布范围，从而增大焊缝宽度并减小熔深。这种调整有助于气泡的完全逸出。

Wu等人通过调控振荡幅度，并测量电流与电压的标准差来评估焊接过程的稳定性。他们发现当振荡幅度控制在0至3毫米之间时，焊接稳定性得到提升。此外，研究还观察到不同焊道之间的过渡平滑，形成的焊缝几乎无缺陷。Shi等人指出，提高激光振荡频率会导致熔池小孔深度减小，使熔池变浅。这一变化有效降低了焊缝气孔率，最终实现无气孔焊接。此外，振荡激光束会产生反向涡流，从而改善熔池内部的温度场与能量分布。因此，采用振荡激光电弧复合焊接技术可提升工艺稳定性，减少缺陷产生，并获得更优的焊接质量。

4.4.焊接缺陷与抑制
激光电弧复合焊接中热源的协同效应使工艺过程复杂化。例如，电弧的预热效应虽能提升材料对激光能量的吸收能力，但也会加速材料蒸发，导致工艺不稳定性增加。热源的组合需要对多项参数进行调整，这些参数与焊缝缺陷的形成密切相关。这一点尤为关键，因为两种焊接方法本身均不存在额外的速度限制。当两种方法结合使用时，过低的电弧焊速度会削弱激光诱导深熔焊的效果，而过高速度又可能导致电弧失稳，这些因素都会加剧焊接缺陷的产生。

气孔作为严重的焊接缺陷，会减少焊缝的有效工作面积并引起应力集中，从而对其力学性能产生不利影响。裂纹、驼峰及咬边等其他缺陷则直接损害焊缝质量。已有研究探讨了预测激光电弧复合焊接缺陷的多种方法，包括高速成像和数字无损检测技术，这些方法能有效监测小孔及其他缺陷的形成与演变过程。减少缺陷的常用策略主要包括调整工艺参数等途径。

4.4.1气孔缺陷
复合焊接中的气孔主要源于激光束形成的小孔塌陷。焊缝气孔会显著降低焊缝金属的抗拉强度，是焊接过程中需要重点关注的问题。小孔受力不均会导致其形状和尺寸发生显著变化，从而在底部产生大量气泡。随着小孔塌陷，这些气泡上浮。

在焊缝凝固过程中，若热源形成的熔池较窄，大部分气泡将被困在焊缝内部形成气孔。因此，降低气孔率的可行途径是提升小孔稳定性并形成更宽的熔池。在激光电弧复合焊接中，电弧的加入可缓解焊接时的温度梯度，增大熔池面积并延长凝固时间。相较于单独焊接方法，这有助于气泡从熔池逸出，从而减少气孔产生。

小孔的稳定性主要受焊接速度、电弧能量、激光功率及保护气体等多重焊接参数影响。通过调控这些参数，可有效增强小孔稳定性，从而最大程度减少气孔形成。如图14A所示，激光功率升高会导致气孔率增加，而提高电弧电流则能降低气孔率。值得注意的是，焊接速度的加快（从1米/分钟提升至1.5米/分钟）会显著增加气孔率。

Cai等人在研究铝合金高功率激光焊接过程中，采用纯氩气及不同氦气体积分数的保护气体对气孔缺陷进行了分析。结果显示，体积分数为50%的氦气保护气能提高闭锁气孔的稳定性，并最大程度降低气孔率。

Panwisawas等人采用计算流体力学模拟研究了小孔与气孔的形成机制，发现较高的焊接速度会产生窄熔合区并提升小孔稳定性，从而降低气孔生成概率。他们还指出，较薄的板材厚度能有效减少焊接过程中的气孔。Vorontsov等人在对AA5083合金进行激光电弧复合焊接后观察到，低速焊接条件下气孔率显著上升。

在高速焊接条件下，所得焊缝的气孔率可低至0.07%；但研究也发现，当焊接速度过高（特别是在6.5米/分钟至7米/分钟范围内）时，焊接缺陷会愈发显著，对焊缝质量和微观组织产生不利影响。苗等人报道称，焊接速度的提升会导致熔池高度降低、气泡逸出路径缩短，从而使气孔率下降。他们发现随着焊接速度增加，气孔率被显著抑制，从13%降至5%。

Yan等人在研究复合焊接接头气孔率与微观结构时发现，增加电弧电流或降低激光功率可减小小孔深宽比、提升稳定性并抑制气泡形成。Leo等人证实，电弧功率能有效抑制焊件中的气孔扩散。此外，随着电弧功率与激光功率比值的增大，焊缝性能得到改善。他们观察到，激光功率过高会引起金属蒸发，导致气孔率显著上升。鉴于复合焊接的复杂性，必须综合考虑多重因素。因此，降低气孔率的最佳策略是通过控制焊接参数来提升小孔稳定性。

4.4.2裂纹缺陷
裂纹是激光电弧复合焊接中常见的缺陷。焊缝区域裂纹的形成会显著影响焊接结构的稳定性和质量。这类裂纹的产生与凝固过程中因温度差异引起的流体对流有关。金属凝固过程中粘度的变化会导致固体金属内部产生变形和拉伸应变。随着温差增大，不均匀的热收缩会引起显著的局部形变。当这种变形超过焊件的延展性且缺乏填充金属补偿时，裂纹便随之形成。

 

图14：(A)不同参数对孔隙率（上图）和稳定性（下图）的影响：(a)激光功率，(b)电弧电流，(c)焊接速度；(B)焊接接头裂纹示意图，(a,b)代表裂纹萌生区；(c,d)代表裂纹稳定扩展区。最终裂纹形貌：(e)最终的等轴韧窝和(f)形韧窝

图14B中，(a)和(b)展示了裂纹萌生区域的形貌特征，(c)和(d)则呈现了后续的稳定裂纹扩展区域。此外，焊接过程产生的残余应力会进一步促进裂纹扩展，如图14B中(e)和(f)所示。裂纹的形成与过快的冷却速率相关，部分焊接缺陷也可能与裂纹同时出现。

裂纹的形态受焊接方向温度分布的影响——冷却阶段焊缝内部产生的横向应力可能引发横向裂纹。Hagenlocher发现横向断裂会作为纵向裂纹的起裂点，从而显著扩大焊缝的裂纹范围。

裂纹会显著削弱焊缝的整体性能。Zhang等人采用激光电弧复合焊接处理铜铝合金时发现，拉伸试样中存在明显的微裂纹，导致整体抗拉强度下降。由此他们得出结论：焊缝质量同时受微裂纹和宏观裂纹的影响。Chen等人通过研究分析了激光电弧复合焊接中冷却速率对热影响区组织的影响，发现更高比例的马氏体和贝氏体会增加该区域的应力集中敏感性，从而引发裂纹形成。

随着这些组织含量的增加，断裂发生率也相应上升，包括微裂纹的形成，最终导致材料韧性下降。已有研究表明，通过采用优化的焊接参数或添加高硅含量焊丝可减少裂纹产生。但复合焊缝本身较宽的热影响区相比激光焊接能降低应力集中，从而在一定程度上抑制裂纹缺陷。

除了控制焊接参数外，大量研究表明采用高硅含量的填充材料可在提升焊缝延展性的同时，有效降低裂纹形成风险。因此，选择合适的填充材料并实施适当的热处理，能够显著减少残余应力并抑制裂纹的产生。

4.4.3驼峰缺陷
高焊接速度、高激光功率及强桥接能力是激光电弧复合焊接的优势，但这些特性也会加剧驼峰缺陷的形成。在表面张力作用下，流动的熔融金属被提前凝固的熔池阻碍，导致材料堆积。这种堆积经过反复循环最终形成驼峰。唐等人通过熔池示意图研究了驼峰形成过程，指出驼峰产生的主要原因是表面张力与熔池重力作用，而增加熔池重量可抑制驼峰形成。

Xue及其团队通过数学模型研究了表面张力对驼峰形成的影响。他们在激光焊接后施加TIG电弧，发现电弧作用可使熔池展宽并趋于平整。此外，TIG电弧能抑制熔融金属在整个焊接过程中的高速流动，从而降低不稳定性并有效遏制驼峰形成。Bunaziv等人还发现，在12至15毫米厚材料的激光电弧单道焊接中，较低的焊接速度和激光功率也能有效抑制驼峰产生。

总而言之，现有研究已从表面张力、熔池重力、电弧效应及热输入等多个角度提出了不同的驼峰形成机理。然而，这些理论均未完全整合影响熔池的所有参数。因此，为全面理解驼峰形成的主要原因，有必要建立一个综合所有因素的模型，从而更准确地预测此类缺陷并提供有效的抑制方法。

 

5.工业应用

由于复合焊接技术具备显著优势，其工业需求正日益增长。该焊接技术可通过缩短焊接时间和减少材料用量实现成本节约。在实际应用中，采用3kW激光器替代4kW激光器可进一步降低成本投入，从而减少投资费用。德国弗劳恩霍夫激光技术研究所率先推出的高功率激光复合焊接系统在石油管道制造企业成功实现了激光电弧复合焊接技术的首次工业化应用。

这项创新技术已彻底改变焊接行业。其显著的成本优势与工业效益使得汽车制造、船舶建造、管道输送及航空航天等主要工业领域得以在其生产环节中采用该技术。然而，该技术仍面临投资成本高昂、不同热源集成复杂等重大挑战，这些因素限制了其广泛应用。激光辅助复合焊接技术因其对先进焊接工艺的需求以及长期成本节约的可行性，已成功应用于汽车制造和船舶建造等行业。

传统焊接技术（如钨极惰性气体保护焊和熔化极惰性气体保护焊），通常具有较低的初始投资成本和更简单的集成要求，使得中小型企业更容易采用。然而，这些传统方法往往导致更长的焊接时间和更高的材料消耗，长期来看会增加运营成本。相比之下，激光电弧复合焊接凭借先进技术能力，能实现更快的焊接速度和更高的材料利用率，通过长期成本节约可抵消其初始的高额投入。

此外，热源集成的复杂性需要专门的技术培训和维护支持，这增加了运营成本并限制了激光电弧复合焊接在非关键行业的应用。尽管面临这些挑战，该技术仍是一项具有变革性的创新，未来对成本效益优化方案的深入研究有望加速其推广应用，并提升其工业适用性。

5.1在汽车工业中的应用
汽车制造中相当大比例的焊接工艺，采用激光电弧复合焊接技术进行零部件加工。鉴于汽车生产中不同焊缝对结构和形态的多样化要求，复合焊接接头能更有效地连接不同板型和厚度。这类接头具有提高焊接速度、降低能量输入及减少变形等优势。

大众和奥迪是此类应用的典型代表，两家公司均在汽车生产线中采用激光-MIG复合焊接技术进行整车制造。Staufer指出，即使在较高的焊接速度下，复合焊缝在汽车制造中（特别是车轴领域）仍能保持令人满意的熔深。

5.2在船舶制造工业中的应用
为显著提升生产效率和产能，造船企业已在多条生产线中日益广泛地采用激光-电弧复合焊接技术。这一转变的驱动因素在于造船甲板需大量使用8至20毫米厚钢板。由于高热输入和热切割易导致金属工件产生显著焊接变形，进而需要通过矫正调整工作来应对，这会对生产效率造成不利影响。相比之下，激光-电弧复合焊接技术可直接缓解热变形带来的危害。

德国Meyer-Werft船厂率先在生产线中应用了激光-电弧复合焊接技术。他们采用CO₂激光与MIG电弧相结合的方式焊接船用钢板，在显著缩短造船周期的同时有效减少了焊接变形。该焊接方法在商用船坞领域获得日益广泛的关注。Hiroshi指出，复合焊接技术适用于原油运输船、集装箱船及低温运输船等常规商船。激光电弧复合焊接技术已应用于船体上层建筑及舱室较薄钢板的焊接中。

Uemura利用机械手验证了激光电弧复合焊接在平焊与立焊位置的适用性，结论表明该技术也适用于船厂的大型钢结构焊接。随后，芬兰的Kvaerner集团与意大利的Fincantieri集团相继采用了这项技术。

Kristensen指出，造船业中至少20%的工时被用于焊接变形返修。激光-电弧复合焊接通过优化焊缝形态，在消除塌边缺陷并降低裂纹倾向的同时，有效解决了这一难题。

5.3在航空航天工业中的应用
钛合金与铝合金是航空结构制造的主要材料。在飞机制造中，激光电弧复合焊接技术常用于薄壁钛合金与铝合金板的连接。增强型铝合金AA7075是飞机制造的常用材料。Ola对AA7075-T651进行复合焊接后发现焊缝无断裂现象，熔合区未出现凝固裂纹。与激光焊接的同步对比表明，复合焊接展现出显著优势。

AA6013合金因极高的损伤容限成为飞机框架应用的理想选择。研究观察到，当采用CO₂激光器与Nd:YAG激光器结合MIG电弧进行激光电弧复合焊接时，所得焊缝保持完整、无气孔且表面缺陷极少。5083铝合金以其卓越的耐腐蚀性能著称。黄采用激光-电弧复合焊接技术对5083铝合金进行加工，发现该工艺稳定性极高，所得焊缝气孔率极低。

5.4复合焊接技术在增材制造中的应用
激光-电弧复合增材制造技术相较于电弧增材制造技术，具有更高的功率密度与更精准的电弧控制能力。该技术能有效调控增材过程中的局部高温热影响区，稳定熔池形状与尺寸，从而提升表面精度、成形质量与沉积效率。在铝合金薄壁构件制备中，激光-电弧复合增材制造相比电弧增材制造展现出更优异的抗拉强度与显微硬度，满足薄壁构件的强度需求。

在铜合金增材制造中，激光-电弧复合焊接技术能有效克服激光增材制造面临的高反射率难题，显著提升铜合金沉积的质量与效率。对于稀有金属增材制造，振荡激光-电弧复合增材制造技术大幅提高了电弧沉积材料的抗拉强度。对激光-电弧复合增材制造的研究表明，该技术在提升电弧增材制造精度与效率局限性的同时，显著增强了高性能材料的制备能力。

因此，激光-电弧复合增材制造技术在航空航天、汽车制造、能源及医疗等工业领域具有广阔的应用前景。然而，要实现更广泛的工业化应用，该技术仍需解决高性能合金加工中因热源组合可能带来的复杂工艺控制问题，这需要通过精确预测来确保最佳沉积质量。

 

6.结论与展望

本文对激光电弧复合焊接技术进行了全面评述。现有技术与研究证明了该方法具有独特优势与性能——热源间的协同效应能有效解决单一焊接工艺中的常见难题。与传统电弧焊相比，复合焊接可在保证焊缝质量的前提下提升焊接速度，并能精确控制热输入以降低焊件中的残余应力，从而减少因热变形导致的返修时间。相较于激光焊接，复合焊接具备更优异的间隙桥接能力，同时能实现激光焊特有的高焊速与深熔透性能。

激光电弧复合焊接技术正日益受到工业界青睐，已广泛应用于汽车制造、船舶建造，以及航空航天、管道运输、发电企业、重型道路车辆制造等诸多领域。这些实际应用已充分展现其商业化潜力。在汽车行业，该技术能实现不同厚度板材的无缝连接并最大限度减少变形。但随着轻量化车辆的日益普及，对薄板焊接（尤其是电弧功率控制）的要求将更加严苛。当前复合焊接技术在此领域尚未取得重大突破，亟待技术升级。

针对造船业常用的中厚板加工，该技术可有效缩短返修时间并提升焊缝质量。未来随着高强度低合金钢、新型合金钢及其他中厚板材料的应用，需要确立更多参数以满足新需求。在航空航天领域，复合焊接有助于减少铝、钛合金等航空板材的缺陷，显著提升飞机机身的结构稳定性。因此，增强复合焊接技术对多样化材料的适应性是未来面临的重要挑战。无论是异种钢焊接，还是耐腐蚀、高疲劳强度所需的高温耐受性，都需要对技术进行针对性调整与优化。

当前，机械工程领域在中厚板焊接技术上的快速发展对该领域提出了更高的要求。厚板坡口加工尤为复杂，处理不当将直接影响焊接稳定性并引发缺陷。激光电弧复合焊接技术恰好契合行业需求。未来研究应聚焦具体技术创新，例如复合焊接过程的实时监测技术开发，以及高功率低成本激光器的研制。

实时监控与智能系统的进步对提升焊接精度与效率至关重要，这些技术能根据各类参数与环境条件实现焊接过程的自动调节。尽管数值模拟已用于预测焊接缺陷，但现有模型可能与实际情况存在偏差。因此，开发更具适应性与简化的模型对提升复合焊接质量具有重要意义。

 

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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