激光—電弧復合焊接技術研發進展綜述（下）

承接2026 年3 月刊P25

4.3.3焊接參數影響分析
焊接參數的選擇對焊接質量具有重要影響。保護氣體的引入是焊前準備的關鍵環節。保護氣體的成分與體積分數會影響焊縫的穩定性與熱量分布，進而改變熔深和焊接過程的穩定性。優化保護氣體特性可提升焊縫質量，減少氣孔等缺陷。氦氣、氬氣等惰性氣體常用于隔離熔池與外界環境。

氦氣具有高電離電位，可降低等離子體密度，從而收束電弧并增加焊接熔深。然而，其質量較輕的特性使其穩定性不如更重、更易形成保護層的氣體。與較重且更易電離的氬氣相比，氦氣的輕質特性影響了其穩定性，單獨使用時效果欠佳。Tani等人在一項結合CO₂激光與MIG的激光電弧復合焊接工藝中，采用了含30%至40%氦氣的混合氣體作為保護氣。

他們指出該工藝具有良好的可行性，但也發現氦氣比例過高可能導致焊接過程不穩定。因此，調控保護氣體的比例是一大挑戰。Ahn等人研究了氬-氦混合保護氣體對焊縫質量的影響，發現向焊縫區域添加氦氣會增加熱輸入，從而提高熔池溫度并延長冷卻凝固時間。較長的冷卻凝固時間雖有利于氣泡充分逸出以降低氣孔率，但也會對焊縫質量產生負面影響。此外，保護氣體能形成穩定環境，防止熔池及高溫金屬發生氧化或污染。

除氦氣和氬氣保護外，多項研究表明不同混合保護氣體對焊縫質量的影響存在顯著差異。Wallerstein等人發現，采用氬氣+8%CO₂與氬氣+15%CO₂作為保護氣體可獲得最大熔深和最高質量的焊接接頭。研究還指出，添加CO2能提高熔融金屬的潤濕性，減少焊縫區域的氧化膜形成，并避免凹陷與缺陷的產生。

Fang等人研究發現，采用氬氣+CO₂作為保護氣體能提升焊接過程的穩定性。此外，在保護氣體中適當添加氮氣可提高焊縫的力學強度并細化晶粒，但氮氣添加過量會導致焊縫的平均硬度下降。Bai等人發現，在保護氣體中添加5%的CO₂或氮氣可防止復合焊接縫氧化，從而提高焊縫性能。

Yang等人采用計算流體力學方法與高速攝像技術，分析了保護氣體流速對激光電弧復合焊接過程的影響。研究發現，適宜的保護氣體流速能有效防止焊縫氧化，從而獲得更優的表面形貌。由此可見，保護氣體的使用是獲得高質量焊縫的關鍵因素。為確保焊接質量與效率，對不同焊接工藝中的氣體成分進行模擬分析至關重要。

除了保護氣體類型及其成分外，激光功率等參數也會影響焊縫熔深及接頭缺陷。Ragavendran的研究表明，為獲得高質量焊縫所需的熔深，需要足夠的激光功率以形成穩定且形態良好的小孔。但功率過高則可能導致缺陷與殘余應力的產生。

Chen等人研究了激光功率對焊縫成形的影響。當激光功率為1.5 kW時雖可獲得合格焊縫，但焊縫未表現出明顯的復合焊接特征。將激光功率提升至2.5 kW后，焊縫熔深顯著改善。然而，光致等離子體與電弧等離子體之間的劇烈相互作用，會損害焊接穩定性并影響填充金屬量，導致焊縫余高減小。此外，激光焦點位置對決定焊縫熔深至關重要，當焦點略低于工件表面時能獲得最佳熔深效果。

電弧角度同樣影響焊縫熔深，因為電弧電極的尺寸會影響保護氣體對激光誘導等離子體的偏轉作用，進而干擾激光對焊縫的熔透效果。因此，要獲得高質量的激光電弧復合焊接焊縫，需要同步調整多項焊接參數以確保獲得最佳形貌。

振蕩激光電弧復合焊接具有多重優勢，包括改善焊縫形貌、抑制缺陷及細化晶粒。振蕩激光束可增強熔池內的攪拌效應，促進能量分布均勻化，并通過調控焊縫寬度來減少氣孔與塌邊等缺陷。引入振蕩激光束會改變能量輸入模式，拓寬激光能量分布范圍，從而增大焊縫寬度并減小熔深。這種調整有助于氣泡的完全逸出。

Wu等人通過調控振蕩幅度，并測量電流與電壓的標準差來評估焊接過程的穩定性。他們發現當振蕩幅度控制在0至3毫米之間時，焊接穩定性得到提升。此外，研究還觀察到不同焊道之間的過渡平滑，形成的焊縫幾乎無缺陷。Shi等人指出，提高激光振蕩頻率會導致熔池小孔深度減小，使熔池變淺。這一變化有效降低了焊縫氣孔率，最終實現無氣孔焊接。此外，振蕩激光束會產生反向渦流，從而改善熔池內部的溫度場與能量分布。因此，采用振蕩激光電弧復合焊接技術可提升工藝穩定性，減少缺陷產生，并獲得更優的焊接質量。

4.4.焊接缺陷與抑制
激光電弧復合焊接中熱源的協同效應使工藝過程復雜化。例如，電弧的預熱效應雖能提升材料對激光能量的吸收能力，但也會加速材料蒸發，導致工藝不穩定性增加。熱源的組合需要對多項參數進行調整，這些參數與焊縫缺陷的形成密切相關。這一點尤為關鍵，因為兩種焊接方法本身均不存在額外的速度限制。當兩種方法結合使用時，過低的電弧焊速度會削弱激光誘導深熔焊的效果，而過高速度又可能導致電弧失穩，這些因素都會加劇焊接缺陷的產生。

氣孔作為嚴重的焊接缺陷，會減少焊縫的有效工作面積并引起應力集中，從而對其力學性能產生不利影響。裂紋、駝峰及咬邊等其他缺陷則直接損害焊縫質量。已有研究探討了預測激光電弧復合焊接缺陷的多種方法，包括高速成像和數字無損檢測技術，這些方法能有效監測小孔及其他缺陷的形成與演變過程。減少缺陷的常用策略主要包括調整工藝參數等途徑。

4.4.1氣孔缺陷
復合焊接中的氣孔主要源于激光束形成的小孔塌陷。焊縫氣孔會顯著降低焊縫金屬的抗拉強度，是焊接過程中需要重點關注的問題。小孔受力不均會導致其形狀和尺寸發生顯著變化，從而在底部產生大量氣泡。隨著小孔塌陷，這些氣泡上浮。

在焊縫凝固過程中，若熱源形成的熔池較窄，大部分氣泡將被困在焊縫內部形成氣孔。因此，降低氣孔率的可行途徑是提升小孔穩定性并形成更寬的熔池。在激光電弧復合焊接中，電弧的加入可緩解焊接時的溫度梯度，增大熔池面積并延長凝固時間。相較于單獨焊接方法，這有助于氣泡從熔池逸出，從而減少氣孔產生。

小孔的穩定性主要受焊接速度、電弧能量、激光功率及保護氣體等多重焊接參數影響。通過調控這些參數，可有效增強小孔穩定性，從而最大程度減少氣孔形成。如圖14A所示，激光功率升高會導致氣孔率增加，而提高電弧電流則能降低氣孔率。值得注意的是，焊接速度的加快（從1米/分鐘提升至1.5米/分鐘）會顯著增加氣孔率。

Cai等人在研究鋁合金高功率激光焊接過程中，采用純氬氣及不同氦氣體積分數的保護氣體對氣孔缺陷進行了分析。結果顯示，體積分數為50%的氦氣保護氣能提高閉鎖氣孔的穩定性，并最大程度降低氣孔率。

Panwisawas等人采用計算流體力學模擬研究了小孔與氣孔的形成機制，發現較高的焊接速度會產生窄熔合區并提升小孔穩定性，從而降低氣孔生成概率。他們還指出，較薄的板材厚度能有效減少焊接過程中的氣孔。Vorontsov等人在對AA5083合金進行激光電弧復合焊接后觀察到，低速焊接條件下氣孔率顯著上升。

在高速焊接條件下，所得焊縫的氣孔率可低至0.07%；但研究也發現，當焊接速度過高（特別是在6.5米/分鐘至7米/分鐘范圍內）時，焊接缺陷會愈發顯著，對焊縫質量和微觀組織產生不利影響。苗等人報道稱，焊接速度的提升會導致熔池高度降低、氣泡逸出路徑縮短，從而使氣孔率下降。他們發現隨著焊接速度增加，氣孔率被顯著抑制，從13%降至5%。

Yan等人在研究復合焊接接頭氣孔率與微觀結構時發現，增加電弧電流或降低激光功率可減小小孔深寬比、提升穩定性并抑制氣泡形成。Leo等人證實，電弧功率能有效抑制焊件中的氣孔擴散。此外，隨著電弧功率與激光功率比值的增大，焊縫性能得到改善。他們觀察到，激光功率過高會引起金屬蒸發，導致氣孔率顯著上升。鑒于復合焊接的復雜性，必須綜合考慮多重因素。因此，降低氣孔率的最佳策略是通過控制焊接參數來提升小孔穩定性。

4.4.2裂紋缺陷
裂紋是激光電弧復合焊接中常見的缺陷。焊縫區域裂紋的形成會顯著影響焊接結構的穩定性和質量。這類裂紋的產生與凝固過程中因溫度差異引起的流體對流有關。金屬凝固過程中粘度的變化會導致固體金屬內部產生變形和拉伸應變。隨著溫差增大，不均勻的熱收縮會引起顯著的局部形變。當這種變形超過焊件的延展性且缺乏填充金屬補償時，裂紋便隨之形成。

 

圖14：(A)不同參數對孔隙率（上圖）和穩定性（下圖）的影響：(a)激光功率，(b)電弧電流，(c)焊接速度；(B)焊接接頭裂紋示意圖，(a,b)代表裂紋萌生區；(c,d)代表裂紋穩定擴展區。最終裂紋形貌：(e)最終的等軸韌窩和(f)形韌窩

圖14B中，(a)和(b)展示了裂紋萌生區域的形貌特征，(c)和(d)則呈現了后續的穩定裂紋擴展區域。此外，焊接過程產生的殘余應力會進一步促進裂紋擴展，如圖14B中(e)和(f)所示。裂紋的形成與過快的冷卻速率相關，部分焊接缺陷也可能與裂紋同時出現。

裂紋的形態受焊接方向溫度分布的影響——冷卻階段焊縫內部產生的橫向應力可能引發橫向裂紋。Hagenlocher發現橫向斷裂會作為縱向裂紋的起裂點，從而顯著擴大焊縫的裂紋范圍。

裂紋會顯著削弱焊縫的整體性能。Zhang等人采用激光電弧復合焊接處理銅鋁合金時發現，拉伸試樣中存在明顯的微裂紋，導致整體抗拉強度下降。由此他們得出結論：焊縫質量同時受微裂紋和宏觀裂紋的影響。Chen等人通過研究分析了激光電弧復合焊接中冷卻速率對熱影響區組織的影響，發現更高比例的馬氏體和貝氏體會增加該區域的應力集中敏感性，從而引發裂紋形成。

隨著這些組織含量的增加，斷裂發生率也相應上升，包括微裂紋的形成，最終導致材料韌性下降。已有研究表明，通過采用優化的焊接參數或添加高硅含量焊絲可減少裂紋產生。但復合焊縫本身較寬的熱影響區相比激光焊接能降低應力集中，從而在一定程度上抑制裂紋缺陷。

除了控制焊接參數外，大量研究表明采用高硅含量的填充材料可在提升焊縫延展性的同時，有效降低裂紋形成風險。因此，選擇合適的填充材料并實施適當的熱處理，能夠顯著減少殘余應力并抑制裂紋的產生。

4.4.3駝峰缺陷
高焊接速度、高激光功率及強橋接能力是激光電弧復合焊接的優勢，但這些特性也會加劇駝峰缺陷的形成。在表面張力作用下，流動的熔融金屬被提前凝固的熔池阻礙，導致材料堆積。這種堆積經過反復循環最終形成駝峰。唐等人通過熔池示意圖研究了駝峰形成過程，指出駝峰產生的主要原因是表面張力與熔池重力作用，而增加熔池重量可抑制駝峰形成。

Xue及其團隊通過數學模型研究了表面張力對駝峰形成的影響。他們在激光焊接后施加TIG電弧，發現電弧作用可使熔池展寬并趨于平整。此外，TIG電弧能抑制熔融金屬在整個焊接過程中的高速流動，從而降低不穩定性并有效遏制駝峰形成。Bunaziv等人還發現，在12至15毫米厚材料的激光電弧單道焊接中，較低的焊接速度和激光功率也能有效抑制駝峰產生。

總而言之，現有研究已從表面張力、熔池重力、電弧效應及熱輸入等多個角度提出了不同的駝峰形成機理。然而，這些理論均未完全整合影響熔池的所有參數。因此，為全面理解駝峰形成的主要原因，有必要建立一個綜合所有因素的模型，從而更準確地預測此類缺陷并提供有效的抑制方法。

 

5.工業應用

由于復合焊接技術具備顯著優勢，其工業需求正日益增長。該焊接技術可通過縮短焊接時間和減少材料用量實現成本節約。在實際應用中，采用3kW激光器替代4kW激光器可進一步降低成本投入，從而減少投資費用。德國弗勞恩霍夫激光技術研究所率先推出的高功率激光復合焊接系統在石油管道制造企業成功實現了激光電弧復合焊接技術的首次工業化應用。

這項創新技術已徹底改變焊接行業。其顯著的成本優勢與工業效益使得汽車制造、船舶建造、管道輸送及航空航天等主要工業領域得以在其生產環節中采用該技術。然而，該技術仍面臨投資成本高昂、不同熱源集成復雜等重大挑戰，這些因素限制了其廣泛應用。激光輔助復合焊接技術因其對先進焊接工藝的需求以及長期成本節約的可行性，已成功應用于汽車制造和船舶建造等行業。

傳統焊接技術（如鎢極惰性氣體保護焊和熔化極惰性氣體保護焊），通常具有較低的初始投資成本和更簡單的集成要求，使得中小型企業更容易采用。然而，這些傳統方法往往導致更長的焊接時間和更高的材料消耗，長期來看會增加運營成本。相比之下，激光電弧復合焊接憑借先進技術能力，能實現更快的焊接速度和更高的材料利用率，通過長期成本節約可抵消其初始的高額投入。

此外，熱源集成的復雜性需要專門的技術培訓和維護支持，這增加了運營成本并限制了激光電弧復合焊接在非關鍵行業的應用。盡管面臨這些挑戰，該技術仍是一項具有變革性的創新，未來對成本效益優化方案的深入研究有望加速其推廣應用，并提升其工業適用性。

5.1在汽車工業中的應用
汽車制造中相當大比例的焊接工藝，采用激光電弧復合焊接技術進行零部件加工。鑒于汽車生產中不同焊縫對結構和形態的多樣化要求，復合焊接接頭能更有效地連接不同板型和厚度。這類接頭具有提高焊接速度、降低能量輸入及減少變形等優勢。

大眾和奧迪是此類應用的典型代表，兩家公司均在汽車生產線中采用激光-MIG復合焊接技術進行整車制造。Staufer指出，即使在較高的焊接速度下，復合焊縫在汽車制造中（特別是車軸領域）仍能保持令人滿意的熔深。

5.2在船舶制造工業中的應用
為顯著提升生產效率和產能，造船企業已在多條生產線中日益廣泛地采用激光-電弧復合焊接技術。這一轉變的驅動因素在于造船甲板需大量使用8至20毫米厚鋼板。由于高熱輸入和熱切割易導致金屬工件產生顯著焊接變形，進而需要通過矯正調整工作來應對，這會對生產效率造成不利影響。相比之下，激光-電弧復合焊接技術可直接緩解熱變形帶來的危害。

德國Meyer-Werft船廠率先在生產線中應用了激光-電弧復合焊接技術。他們采用CO₂激光與MIG電弧相結合的方式焊接船用鋼板，在顯著縮短造船周期的同時有效減少了焊接變形。該焊接方法在商用船塢領域獲得日益廣泛的關注。Hiroshi指出，復合焊接技術適用于原油運輸船、集裝箱船及低溫運輸船等常規商船。激光電弧復合焊接技術已應用于船體上層建筑及艙室較薄鋼板的焊接中。

Uemura利用機械手驗證了激光電弧復合焊接在平焊與立焊位置的適用性，結論表明該技術也適用于船廠的大型鋼結構焊接。隨后，芬蘭的Kvaerner集團與意大利的Fincantieri集團相繼采用了這項技術。

Kristensen指出，造船業中至少20%的工時被用于焊接變形返修。激光-電弧復合焊接通過優化焊縫形態，在消除塌邊缺陷并降低裂紋傾向的同時，有效解決了這一難題。

5.3在航空航天工業中的應用
鈦合金與鋁合金是航空結構制造的主要材料。在飛機制造中，激光電弧復合焊接技術常用于薄壁鈦合金與鋁合金板的連接。增強型鋁合金AA7075是飛機制造的常用材料。Ola對AA7075-T651進行復合焊接后發現焊縫無斷裂現象，熔合區未出現凝固裂紋。與激光焊接的同步對比表明，復合焊接展現出顯著優勢。

AA6013合金因極高的損傷容限成為飛機框架應用的理想選擇。研究觀察到，當采用CO₂激光器與Nd:YAG激光器結合MIG電弧進行激光電弧復合焊接時，所得焊縫保持完整、無氣孔且表面缺陷極少。5083鋁合金以其卓越的耐腐蝕性能著稱。黃采用激光-電弧復合焊接技術對5083鋁合金進行加工，發現該工藝穩定性極高，所得焊縫氣孔率極低。

5.4復合焊接技術在增材制造中的應用
激光-電弧復合增材制造技術相較于電弧增材制造技術，具有更高的功率密度與更精準的電弧控制能力。該技術能有效調控增材過程中的局部高溫熱影響區，穩定熔池形狀與尺寸，從而提升表面精度、成形質量與沉積效率。在鋁合金薄壁構件制備中，激光-電弧復合增材制造相比電弧增材制造展現出更優異的抗拉強度與顯微硬度，滿足薄壁構件的強度需求。

在銅合金增材制造中，激光-電弧復合焊接技術能有效克服激光增材制造面臨的高反射率難題，顯著提升銅合金沉積的質量與效率。對于稀有金屬增材制造，振蕩激光-電弧復合增材制造技術大幅提高了電弧沉積材料的抗拉強度。對激光-電弧復合增材制造的研究表明，該技術在提升電弧增材制造精度與效率局限性的同時，顯著增強了高性能材料的制備能力。

因此，激光-電弧復合增材制造技術在航空航天、汽車制造、能源及醫療等工業領域具有廣闊的應用前景。然而，要實現更廣泛的工業化應用，該技術仍需解決高性能合金加工中因熱源組合可能帶來的復雜工藝控制問題，這需要通過精確預測來確保最佳沉積質量。

 

6.結論與展望

本文對激光電弧復合焊接技術進行了全面評述。現有技術與研究證明了該方法具有獨特優勢與性能——熱源間的協同效應能有效解決單一焊接工藝中的常見難題。與傳統電弧焊相比，復合焊接可在保證焊縫質量的前提下提升焊接速度，并能精確控制熱輸入以降低焊件中的殘余應力，從而減少因熱變形導致的返修時間。相較于激光焊接，復合焊接具備更優異的間隙橋接能力，同時能實現激光焊特有的高焊速與深熔透性能。

激光電弧復合焊接技術正日益受到工業界青睞，已廣泛應用于汽車制造、船舶建造，以及航空航天、管道運輸、發電企業、重型道路車輛制造等諸多領域。這些實際應用已充分展現其商業化潛力。在汽車行業，該技術能實現不同厚度板材的無縫連接并最大限度減少變形。但隨著輕量化車輛的日益普及，對薄板焊接（尤其是電弧功率控制）的要求將更加嚴苛。當前復合焊接技術在此領域尚未取得重大突破，亟待技術升級。

針對造船業常用的中厚板加工，該技術可有效縮短返修時間并提升焊縫質量。未來隨著高強度低合金鋼、新型合金鋼及其他中厚板材料的應用，需要確立更多參數以滿足新需求。在航空航天領域，復合焊接有助于減少鋁、鈦合金等航空板材的缺陷，顯著提升飛機機身的結構穩定性。因此，增強復合焊接技術對多樣化材料的適應性是未來面臨的重要挑戰。無論是異種鋼焊接，還是耐腐蝕、高疲勞強度所需的高溫耐受性，都需要對技術進行針對性調整與優化。

當前，機械工程領域在中厚板焊接技術上的快速發展對該領域提出了更高的要求。厚板坡口加工尤為復雜，處理不當將直接影響焊接穩定性并引發缺陷。激光電弧復合焊接技術恰好契合行業需求。未來研究應聚焦具體技術創新，例如復合焊接過程的實時監測技術開發，以及高功率低成本激光器的研制。

實時監控與智能系統的進步對提升焊接精度與效率至關重要，這些技術能根據各類參數與環境條件實現焊接過程的自動調節。盡管數值模擬已用于預測焊接缺陷，但現有模型可能與實際情況存在偏差。因此，開發更具適應性與簡化的模型對提升復合焊接質量具有重要意義。

 

來源：榮格-《國際工業激光商情》

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