激光—電弧復合焊接技術研發進展綜述（中）

承接2025年10月刊P25
 

4.復合焊接工藝分析與質量評估
在復合焊接過程中，激光功率、電弧能量、焊接速度、焊接電流、裝配間隙以及保護氣體流量等參數會顯著影響焊接現象與最終焊縫形貌。本節通過研究激光-電弧復合焊（LAHW）中的小孔行為與熔滴過渡現象，系統闡述該技術的優勢及改進方向。通過分析多因素對焊縫形貌的影響機制，探究焊接缺陷的成因與防治措施，旨在識別相關工藝問題與不足，從而優化復合焊接工藝流程。

●4.1小孔行為
當采用高功率、高強度激光時，金屬表面熔融后發生蒸發。蒸發金屬對熔池表面產生反沖壓力，排開液態金屬并形成小孔。圖6A具體展示了縱截面上小孔與熔池的瞬態演變過程。小孔行為對復合焊接效果至關重要，它能實現能量集中并達成深熔焊。該過程促使激光能量直接傳遞至工件內部，這對激光深熔焊具有決定性意義。激光束形成的小孔可保留大量吸收的激光能量，并將其轉化為熱能，這種現象稱為“小孔效應”。因此，復合焊接中激光產生的深熔小孔能夠提升能量利用率并改善焊接效率。

 

圖6：熔池小孔動態演化分析。(A)熔池內小孔演化示意圖；(B)該過程中小孔坍塌示意圖。(a)鋁合金在0.245秒時與(c)鋼在0.264秒時，展示了不同材料小孔坍塌的初始階段，表現為小孔后壁的隆起形成；(b)鋁合金在0.250秒時與(d)鋼在0.270秒時，顯示了隆起與小孔前壁之間坍塌的后期階段；(C)激光電弧復合焊接過程中小孔動態演化示意圖。(a-e)磁場強度為0 mT；(f-j)磁場強度為15mT；(k-o)磁場強度為30mT。對比顯示，在沒有磁場影響的情況下，激光電弧復合焊接過程中的小孔穩定性非常差

當小孔表面張力與反沖壓力接近平衡時，會產生振蕩現象并影響其穩定性。這種不穩定性會導致小孔底部形成大型氣泡。若焊縫金屬凝固速率超過氣泡上浮速率，就會形成焊接氣孔，顯著降低焊縫金屬的力學性能。熔融金屬的快速流動與熔池中大量金屬蒸氣的共同作用，會加劇小孔不穩定性并促進氣泡形成，從而導致缺陷產生。圖6B展示了不穩定條件下小孔的坍塌過程：其中(a)(c)組顯示不同材料中因強烈金屬液流導致的小孔壁顯著凸起，(b)(d)組則呈現附加流場引發的坍塌現象。坍塌發生后，小孔深度的減小會導致能量吸收能力顯著下降。因此，致力于提升小孔穩定性的研究對提高焊接效率至關重要。

小孔穩定性受多種焊接參數的顯著影響。小孔與熔池之間存在復雜的相互作用，對流效應會引發小孔形態波動，在各種焊接條件下加劇小孔的不穩定性。Miyagi與Ning團隊均研究了不同激光強度對小孔的影響：Miyagi發現激光功率每降低1kW，熔深會減小而小孔深度保持相對穩定，表明激光功率對小孔影響有限；與之相反，Ning團隊則發現調節激光功率可有效形成穿透型小孔，促進過剩激光能量逸散，并降低由激光束反復反射帶來的風險（如橫向收縮加劇和小孔失穩）。過高的激光功率設置會導致反沖壓力與表面應力劇烈波動，進而阻礙小孔正常生長并引發小孔與熔池的雙重不穩定性。

除參數調節外，外部方法也能增強小孔的穩定性。研究表明磁場輔助焊接能有效提升焊接與小孔雙重穩定性。Li等學者發現在激光焊（LW）過程中施加穩定磁場可改善小孔穩定性。Tan團隊研究了激光-電弧復合焊（LAHW）過程中小孔的動態行為：無磁場作用時，熔池受液態壓力作用使熔體緊壓小孔后壁，導致小孔隆起形成并增加坍塌風險；反之在磁場作用下，小孔后壁變形程度減輕，從而降低坍塌概率（如圖6C所示）。

Zhan等學者通過磁場作用下小孔深度隨時間的變化規律，論證了磁場對熔池穩定性的影響。其研究結果表明，在更短時間內實現小孔深度的一致性是可實現的。Liu團隊研究了不同磁通密度下激光混合焊（HLM）中小孔的動態行為：發現當磁通密度足夠高時，熔滴因受磁場力作用會偏離小孔熔池區域，從而避免碰撞與干擾。在此過程中，需綜合考慮焊接條件、周邊環境及機械沖擊等多重參數，以維持小孔穩定性并防止飛濺、氣孔等缺陷的產生。

●4.2熔滴過渡行為
熔滴過渡顯著影響焊接過程穩定性與焊縫質量。電弧熱量將焊絲端部熔化為金屬熔滴，使其沿焊絲中心線向熔池過渡。若熔滴未能進入熔池，會產生過量飛濺進而影響焊縫質量。在激光-電弧復合焊中，熔滴過渡行為能為電弧特性、熔覆效率及焊接過程提供關鍵判據。大量研究表明，熔滴過渡模式顯著影響焊接穩定性、飛濺程度及綜合質量。重力、表面張力與電磁力組成的復合力系共同作用，決定著熔滴的過渡模式與穩定性。

 

圖7：(A)復合焊接熔滴受力示意圖，(上)經SPRINGER NATURE授權轉載。(下)經ELSEVIER授權轉載。(B)熔滴短路過渡模式(a)、球狀過渡模式(b)及噴射過渡模式(c)的示意圖，分別對應(a-d)傳統電弧焊接與(e-h)激光電弧復合焊接中的過程

圖7A展示了激光-電弧復合焊中熔滴的受力狀態示意圖。重力作為向下作用力促進熔滴過渡，電磁力是影響熔滴傳輸的主要因素，而表面張力則通過阻止液態金屬脫離焊絲端部，形成阻礙熔滴過渡的保持力。熔滴所受作用力顯著影響焊縫成形、微觀組織與質量，其過渡模式更與熔池穩定性密切關聯，這使其成為焊接熔滴過渡的核心參數。熔滴過渡模式主要包括短路過渡、滴狀過渡與噴射過渡三種形式，不同模式對焊縫質量與穩定性具有顯著影響。圖7B中(e)(f)組展示了激光-電弧復合焊的三種熔滴過渡模式。

當電弧電流較低時，未分離的熔滴會接觸熔池形成短路液橋，這標志著短路過渡的發生。Gao等學者在激光-電弧復合焊過程中實時評估熔池狀態，發現短路過渡持續時間延長與工藝不穩定性增加相關。滴狀過渡發生在長弧長與低電流工況下，焊絲端部會產生直徑大于焊絲的熔滴，這些熔滴在重力作用下墜入熔池。

 

該模式中較大的熔滴尺寸常導致飛濺或熱影響區擴大等缺陷。與之相反，噴射過渡則在特定弧長與較高焊接電流下發生，熔滴沿焊絲軸向射入熔池。

向噴射過渡轉變可減少熔滴飛濺及其對熔池的影響，顯著提升焊接穩定性。多種因素會影響熔滴過渡模式：在平焊位時，電磁力促進熔滴過渡而重力導致熔滴墜落；在立焊位時，電磁力反而抑制熔滴過渡，從而導致短路過渡模式的形成。

 

 

圖8:不同焊接速度下的熔滴過渡樣本。(a-e)為不同時刻熔滴過渡的高速攝像圖；(f-j)為各時刻對應的示意圖。(a)3米/分鐘，熔滴過渡模式為短路過渡；(b)4米/分鐘，熔滴過渡模式為球狀過渡；(c)5米/分鐘，熔滴過渡模式為噴射過渡

 

圖9：不同激光功率下熔滴過渡過程示意圖。(a) 0千瓦；(b) 3千瓦；(c) 5千瓦

形成阻礙熔滴過渡的垂直反作用力。Liu等學者發現隨著焊接速度提升，熔滴形成的持續時間與尺寸均減小，從而實現更穩定的過渡模式（如圖8所示）。該團隊采用激光-電弧復合焊（LAHW）對8mm厚316L不銹鋼板進行實驗，發現激光的引入通過改善電弧導電性促進了熔滴過渡行為：當激光功率從0kW增至5kW時（圖9所示），熔滴過渡速度加快且焊絲沉積率提升。

 

圖10：不同磁場強度（8 mT、16 mT、24 mT）與頻率下的熔滴過渡過程。階段I：熔滴接觸熔池并形成有效液態橋的時刻，階段II：液態橋發生彎曲，階段III：液態橋斷裂形成電弧。(a)0赫茲、(b)10赫茲、(c)20赫茲

 

圖11：(A)通過不同焊接方法焊縫顯微組織測量獲得的焊接接頭縱向殘余應力分布，紅色箭頭表示組織中的奧氏體：(a)激光焊接；(b)低熱輸入復合焊接；(c)高熱輸入復合焊接；(B)(a)激光焊接；(b)低熱輸入復合焊接；(c)高熱輸入復合焊接的焊縫三維殘余應力分布，右側圖表顯示了沿厚度方向的殘余應力分布

圖10展示了不同磁場強度與頻率對熔滴過渡的影響。該圖表明施加磁場可抑制熔滴飛濺與不穩定性，且隨著頻率增加（如(c)組所示），熔滴過渡呈現改善的電弧穩定性。若這些參數配置不當，電弧熔滴可能沖擊熔池，引發小孔坍塌、飛濺及凹坑等缺陷。因此，焊接參數與外部變量共同顯著影響熔滴過渡模式與穩定性，必須同步考量多重因素以確保熔滴過渡平穩進行。

●4.3焊縫質量與性能
焊縫力學性能是焊接工程中的關鍵指標，顯著影響焊接質量。優化的焊縫形貌可提升焊接效率、穩定性及連接強度，直觀反映焊接工藝的優劣性。因此當前焊接工藝研究的首要重點在于探索能產生優異力學性能且缺陷最少的焊接策略。改善焊縫力學性能的核心途徑是通過調整合金中的填充金屬成分，從而顯著提升焊縫性能以滿足使用需求。最終焊縫質量與形態受多重因素影響，本節通過分析殘余應力、微觀組織、成分組成及各類焊接參數，綜合評估復合焊接的工藝效益與特性。

4.3.1殘余應力分析
成功焊接需解決殘余拉應力問題，該應力可能源于厚度變化、復雜幾何形狀及不穩定熱輸入。殘余應力會降低焊縫力學強度，導致質量性能下降并增加開裂風險。抑制殘余應力具有挑戰性，因為焊接過程涉及頻繁的熱循環——高溫下的塑性變形會使熔合區與母材產生膨脹與收縮，從而引發顯著殘余應力與焊接變形。Sun等學者發現增加熱輸入會顯著提升焊件中的殘余拉應力。殘余應力幅值通常由最終焊道的熱輸入能量決定，這使得熱影響區與焊縫根部的殘余應力通常最高。

殘余應力還源于局部尺度上不同區域間的相互約束作用。在激光-電弧復合焊中，焊焰頂部受電弧熱源影響，而底部則受穿透性更強的激光作用。這些區域的熱輸入、冷卻速率與焊縫金屬存在差異，殘余應力的幅值與分布也因此不同。Ragavendran等學者通過三種方法分析了熱源效應導致的微觀組織形貌及對應殘余應力分布（圖11A所示）：與激光焊相比，激光-混合焊與激光-鎢極氬弧焊均產生獨特的殘余應力分布，且具有更小的熱影響區與更低的焊縫區域殘余應力。

殘余應力對焊縫的影響與熱輸入和微觀組織約束直接相關，導致不同區域產生差異化的殘余應力水平。這種應力分布差異會顯著影響焊縫的最終形態。圖11B從三維視角分析了熱影響區內沿板厚方向的殘余應力縱向分布，以及不同焊縫區域的應力分布狀況。

4.3.2顯微組織分析
顯微組織在決定焊接區域力學性能方面起著關鍵作用，包括焊縫金屬的組織結構和相組成。根據具體合金和焊接條件的不同，焊縫金屬的組織可分為等軸枝晶、樹枝晶或柱狀枝晶。等軸枝晶的晶粒尺寸小于柱狀枝晶，有助于提高焊縫的強度和力學性能。通過不同處理得到的顯微組織組成，顯著影響著焊接接頭的強度。

 

圖12：(a)復合焊縫熔合區，(b)熔合區局部，(c)熱影響區；(d)固溶時效處理后的熔合區，附(e)熔合區局部與(f)熱影響區。右圖顯示了不同處理條件下接頭的硬度分布

圖12展示了復合焊接及固溶處理后，不同區域經過時效處理的顯微組織圖像與硬度分布。結果表明，固溶時效處理后，強化相與位錯的分布更為均勻，從而提升了接頭的力學性能。Schempp的研究發現，高焊接速度會促使凝固組織向等軸枝晶模式轉變，而添加晶粒細化劑可以進一步促進這一轉變。

Wang等人提出，激光擺動是促使柱狀枝晶向等軸枝晶轉化的有效技術，因為脈沖激光束可以增強熔池的流動與流體動力特性。位錯密度的增加導致等軸枝晶濃度升高，從而提升了焊縫的機械強度。

相組成顯著影響焊接接頭的力學強度。焊縫中不同相的形成會對其強度、硬度和韌性產生影響，無論相組成過多或過少都會削弱焊縫的強度。因此，預先預測并控制相組成有助于提升焊縫的力學性能。

在對復合焊接試樣進行的拉伸實驗中，Du等人發現馬氏體相的形成能強化熔合區、提高抗拉強度并增強細晶強化效果。他們還發現試樣未出現斷裂等缺陷。Chen等人研究了冷卻速率對接頭熱影響區顯微組織與力學行為的影響。研究結果表明，奧氏體-馬氏體混合組織對焊接接頭的質量和韌性均有顯著影響。若對該混合組織的控制不當，可能導致馬氏體生成過量，這雖能大幅提升強度，但也會同時增加焊縫的脆性。

反之，若奧氏體含量不足，則難以實現強度與韌性的最佳平衡。此外，鐵素體相的存在與焊縫硬度提升相關。鐵素體是一種高強度相，其特征是顯微硬度高于奧氏體且熱影響區較小，通常分布于熔合區邊界附近。Munro采用激光電弧復合焊接技術制備了HSLA-65鋼對接接頭，通過對各焊接區域的顯微組織進行檢測，發現針狀鐵素體是焊縫金屬的主要組成相，其存在有助于提升強度與韌性。針狀鐵素體作為關鍵的微觀組織組成，對改善低碳鋼焊接接頭的性能具有重要作用。

 

 

圖13：(A)根部焊層顯微組織(a)及填充層與層間疊合顯微組織(b)；(c-f)焊縫內不同區域的能譜分析相組成；(B)焊縫表面形貌與橫截面形貌，(a,b)為激光焊接，(c,d)為復合焊接。左側為不同焊接方法的焊縫表面形態與橫截面形貌；右側為光學顯微鏡下的焊縫材料顯微組織圖像

Zhang等人采用復合焊接技術熔接40毫米厚低碳鋼，形成了平滑過渡的焊層。研究結果表明，焊縫區域呈現出根部焊層、填充層及層間疊合的特征，如圖13A中(a)、(b)所示。隨后對焊縫內不同位置的抗拉強度進行了評估，并對焊縫成分進行了能譜分析，結果如圖13A中(c)-(f)所示。分析發現，根部激光區的底部試樣因冷卻速度過快，其針狀鐵素體含量較低且力學強度最弱。

因此，針狀鐵素體對提升低碳鋼焊接接頭的性能起著關鍵作用。總體而言，晶粒尺寸、相組成等關鍵微觀結構特征顯著影響焊接接頭的力學性能。細晶粒通過阻礙位錯運動來增強強度與韌性。馬氏體、鐵素體等相組成則影響著焊縫的強度與硬度。例如，針狀鐵素體能顯著提升低碳鋼的強度與韌性。此外，第二相顆粒也有助于提高疲勞強度。由此可見，通過精確控制焊接參數來調控這些微觀組織特征，可有效優化焊接接頭的力學性能。

顯微組織與相組成具有溫度依賴性，具體體現在晶粒尺寸和相結構的差異上。熱輸入會促進晶粒長大并改變焊縫區域的組織形態，同時影響熔深、焊接性能及整體微觀結構。建立熱輸入與局部顯微組織之間的關聯，有助于進一步研究焊縫區域。焊接接頭存在熱影響區、熔合區等不同區域。焊縫材料的力學強度隨晶粒尺寸減小而提高，而晶粒尺寸直接受焊接過程中的熱輸入影響。

溫度過高會導致熱輸入增加，從而引起晶粒快速粗化。Shen等人發現，降低熱輸入有助于形成更細小的晶粒結構，從而提升成形層的力學強度。因此，隨著熱輸入的增加，焊件的晶粒尺寸也會增大，進而導致焊接質量下降并加劇焊接變形。Ragavendran和Vasudevan等人通過熱力學分析，制備了采用高低熱輸入參數的316L型焊接接頭。

研究發現，熱輸入的增加會導致焊縫金屬體積膨脹。熱輸入量及焊縫金屬的形態對焊接殘余拉應力的最大值及其分布具有顯著影響。為抑制焊接過程中的晶粒長大并減少由熱量引起的變形，建議在降低熱輸入的同時，提高激光能量與電弧能量的比例。

激光電弧復合焊接技術具備固有優勢，可通過調控熱輸入、優化焊縫顯微組織來提升焊接質量。Jiang等人對高功率激光復合MIG焊接進行了研究，發現激光復合焊接引起的變形顯著小于常規MIG焊接。這是因為激光電弧復合焊接速度較快，能最大限度減少過度的熱輸入，從而降低焊接變形風險。Xie等人對比分析了激光焊接與激光電弧復合焊接，發現在相同焊接參數下，由于電弧的影響，激光電弧復合焊接的能量輸入集中度較低。

這使得焊接接頭晶粒更細小，力學性能得到提升。如圖13B中(c)和(d)所示，激光電弧復合焊接形成的焊縫表面明顯比激光焊接更光滑，展現出更優異的焊縫形貌。總而言之，焊接接頭的質量與力學強度取決于所用填充材料的類型以及由此產生的微觀組織結構。在激光電弧復合焊接中，由于多種參數的相互作用，焊縫結構比傳統焊接方法更為復雜。因此，必須通過控制焊接參數和熱輸入來調控焊縫微觀組織的影響，才能獲得最優的焊縫形貌。（未完待續，下篇請看3月電子刊）

 

來源：榮格-《國際工業激光商情》

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