激光-电弧复合焊接

上海工程技术大学材料科学与工程学院张培磊教授与英国华威大学、上海交通大学、江苏科技大学学者组成的国际联合研究团队在《Coatings》期刊上发表名为“Research Status of Stability in Dynamic Process of Laser-Arc Hybrid Welding based on Droplet Transfer Behavior: A Review”的综述文章。

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论文导读

激光-电弧复合焊接同时利用激光热源和电弧热源作用在同一个区域，两种热源在同一熔池中的协同效应导致焊接速度和熔深增加，同时增强间隙桥接能力和工艺稳定性。该文章介绍了激光-电弧复合焊接技术在熔滴过渡行为、熔滴过渡模式和熔滴受力分析的研究现状。通过对研究论文和工程应用的系统梳理，系统概述了激光-电弧复合焊接的工作原理、技术优势、工程应用以及焊接动态过程稳定性研究。最后，对未来激光-电弧复合焊接技术面临的问题进行总结。

Laser-arc Hybrid Welding

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全文概述

本文综述了激光-电弧复合焊接熔滴过渡行为的基本概念和特征，包括熔滴过渡模式和熔滴受力分析。重点讨论了激光和电弧之间的相互物理作用和激光-电弧组合热源对焊接稳定性的影响。熔滴过渡行为提供了焊接过程的稳定性、电弧行为特征、熔化效率、焊接烟尘、飞溅等工艺特性及焊接冶金特征等信息，具有直观性和可视性的特点，成为焊接信息技术中不可取代的信息获取来源和途径。在激光-电弧复合焊接过程中，金属熔滴向熔池过渡的模式、熔滴尺寸、过渡频率及稳定性取决于焊接材料特性、焊接参数、保护气体、激光能量、光丝间距等因素，最终受多种力如重力、电磁力、等离子流力、表面张力、金属蒸汽作用力等综合作用，如图1所示。

图1 复合焊接熔滴受力分析示意图

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图文解析

光丝间距是决定激光和电弧热源是否最佳耦合的关键因素。光丝间距对熔深、熔滴过渡模式和焊接过程稳定性有显著影响。研究学者发现当光丝间距较小时，电弧会干扰匙孔的稳定性，熔滴过渡的稳定性受到激光很大程度的影响。激光束照射在飞溅的熔滴上，阻碍了激光束的能量，导致焊缝熔深较浅，如图2所示。另外，光丝间距的增加导致了不规则的熔融金属运动，导致匙孔崩塌，以及先前凝固金属阻碍了中心熔融金属填充焊趾区域，最终形成咬边缺陷。

图2 光丝间距对热源复合效应的影响

激光和电弧热源在焊接方向上的相对位置对激光-电弧复合焊接有至关重要的影响。一些研究学者认为激光引导模式优于电弧引导模式。他们认为激光引导模式可以获得更加稳定的焊接过程，可以得到较好的焊缝成形，气孔和飞溅缺陷较少，并且具有更好的熔透性和更牢固的焊缝。然而，另一些研究学者认为电弧引导模式优于激光引导模式。他们认为与超高功率激光引导模式相比，超高功率电弧引导模式形成了稳定的电弧特性和熔池流动，熔滴半径与焊接表面之间的角度产生了更大的推动力，促进了熔滴的分离，提高了焊接过程的稳定性，焊接飞溅较少，焊缝成型较稳定，如图3所示。

图3 不同引导模式对焊接过程的影响: (a)激光引导模式; (b)电弧引导模式

无论是单一的激光焊接还是电弧焊接，都应该考虑保护气体的重要性。在激光焊接中，保护气体是消除等离子体屏蔽效应、提高焊接工艺稳定性、实现深熔焊接的有效手段。在电弧焊接中，保护气体是实现电弧稳定燃烧、决定电弧热柱分布和熔滴过渡模式的关键因素。研究学者认为添加30% He改善了激光与电弧的复合效应，熔滴过渡模式从不稳定的喷射过渡转变为稳定的喷射过渡，并且提高了旋转喷射过渡与电弧脉冲周期的匹配度，电弧波形波动较小，焊缝成形较好，焊接缺陷较少。此外，研究学者认为提高焊缝熔深和抑制气孔缺陷的He体积百分比应为50%。有效激光功率密度随着He体积百分比的增加而增加，这有助于焊缝熔深的增加。由于在使用Ar-He混合气的同时提高了小孔的稳定性，因此有效地抑制了焊接气孔缺陷，如图4所示。

图4 不同保护气体下熔滴过渡行为：(a)100%Ar; (b)75%Ar+25%He; (c)50%Ar+50%He; (d) 25%Ar+75%He; (e)100%He

由于在电弧焊接中加入激光会引起电弧形态和熔池形态的变化，导致电弧力、电磁场和熔池表面张力的变化，因此这些因素的变化将直接导致熔滴过渡特性的变化。结合激光焊接的深熔优势和电弧焊接的桥接性能优势，许多研究学者对激光-电弧复合焊接熔滴过渡行为给予了关注。他们认为激光的加入对熔滴过渡既有促进作用也有抑制作用。在短路和滴状过渡模式下，激光促进熔滴过渡，而激光在射流过渡模式下阻碍了熔滴过渡。作用在熔滴上的电磁力和等离子体力的大小和方向是影响熔滴过渡行为的关键。电磁力和等离子体力的大小和方向是由于熔滴中电流分布的变化而转变的，这是由低电离电位的激光感应等离子体引起的，如图5所示。

图5 不同熔滴过渡模式下电弧焊接与复合焊接高速摄影对比

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结论与展望

激光-电弧复合焊接是一种新型的焊接加工方法，它将两种能量传递机理与物理性质完全不同的热源结合在一起，同时作用在加工位置，不同热源间相互作用及热源与工件的相互作用产生足够的热量完成焊接的过程。作为一种新型高效的焊接热源它既能充分发挥两种热源各自的优势，又可以弥补各自的缺点。激光和熔化极惰性气体/活性气体电弧焊（MIG/MAG）是最有前途的复合焊接模式，是迫切需要进一步研究复合热源的物理机制。同时，在复合焊接过程中，熔滴过渡行为也非常重要。熔滴过渡行为可以为焊接过程提供准确的信息，并且有效地判断焊接过程的稳定性。

随着工程机械的不断发展，板材的厚度也在不断增加。为了满足厚板焊接的稳定性，厚板的坡口加工是必不可少的。由于厚板坡口的复杂性，焊接过程中电弧的稳定性也受到一定程度的影响，导致焊接缺陷的产生。同时，缺陷的产生与熔滴过渡行为有着密切的联系。在大功率激光-电弧复合焊接中，焊接缺陷的产生是不可避免的。数值模拟技术的优化和进步，突破了缺陷分析的局限，为创新工艺的进一步发展提供了坚实的理论基础。由于激光-电弧复合焊接有大量的工艺参数，为了获得最佳的焊缝成形，工艺参数窗口不断缩小，工艺参数的变化也对熔滴过渡特性产生了巨大影响。因此，工艺参数的不断探索对激光-电弧复合焊接熔滴过渡模式具有重要意义。

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论文链接

https://doi.org/10.3390/coatings13010205

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作者介绍

张培磊 教授

2010年毕业于上海交通大学，获博士学位。曾赴中南大学和德国弗朗霍夫ILT激光技术研究所从事访学研究。一直致力于激光与材料相互作用、激光智能制造系统的研究。目前已在激光智能制造领域的国际知名期刊发表 SCI、EI 收录论文100余篇，获得国家发明专利授权12项、实用新型专利授权5项。担任SVOA Materials Science & Technology期刊编委、Coatings期刊特刊编辑、Frontiers in metals and Alloys期刊评论编辑、焊接杂志社青年编委、《金属加工（热加工）》编委，受邀为Materials Today、ACS Applied Nano Materials、Materials Science and Engineering A, Applied Surface Science, Journal of Alloys and Compounds 等多家国际著名期刊审稿人。

吴頔 副教授

2018年博士毕业于上海交通大学材料加工专业，主要从事激光焊接过程在线监测及质量智能控制研究。荣获2019年上海市青年科技英才扬帆计划省部级人才，先后主持国家自然科学基金、中国博士后科学基金特别资助和面上资助、中国机械工程学会焊接创新项目等国家/省部级项目，在激光智能化焊接制造方向具有丰富的研发经验，拥有多项创新研究成果。发表国际学术期刊30余篇，授权发明专利5项。先后担任中国机械工程学会焊接分会青年委员，核心期刊《焊接》和《电焊机》等编委。

刘庆永

上海工程技术大学硕士研究生，主要研究激光焊接、激光-电弧复合焊接。

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