激光-電弧複合焊接

上海工程技術大學材料科學與(yu) 工程學院張培磊教授與(yu) 英國華威大學、上海交通大學、江蘇科技大學學者組成的國際聯合研究團隊在《Coatings》期刊上發表名為(wei) “Research Status of Stability in Dynamic Process of Laser-Arc Hybrid Welding based on Droplet Transfer Behavior: A Review”的綜述文章。

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論文導讀

激光-電弧複合焊接同時利用激光熱源和電弧熱源作用在同一個(ge) 區域，兩(liang) 種熱源在同一熔池中的協同效應導致焊接速度和熔深增加，同時增強間隙橋接能力和工藝穩定性。該文章介紹了激光-電弧複合焊接技術在熔滴過渡行為(wei) 、熔滴過渡模式和熔滴受力分析的研究現狀。通過對研究論文和工程應用的係統梳理，係統概述了激光-電弧複合焊接的工作原理、技術優(you) 勢、工程應用以及焊接動態過程穩定性研究。最後，對未來激光-電弧複合焊接技術麵臨(lin) 的問題進行總結。

Laser-arc Hybrid Welding

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全文概述

本文綜述了激光-電弧複合焊接熔滴過渡行為(wei) 的基本概念和特征，包括熔滴過渡模式和熔滴受力分析。重點討論了激光和電弧之間的相互物理作用和激光-電弧組合熱源對焊接穩定性的影響。熔滴過渡行為(wei) 提供了焊接過程的穩定性、電弧行為(wei) 特征、熔化效率、焊接煙塵、飛濺等工藝特性及焊接冶金特征等信息，具有直觀性和可視性的特點，成為(wei) 焊接信息技術中不可取代的信息獲取來源和途徑。在激光-電弧複合焊接過程中，金屬熔滴向熔池過渡的模式、熔滴尺寸、過渡頻率及穩定性取決(jue) 於(yu) 焊接材料特性、焊接參數、保護氣體(ti) 、激光能量、光絲(si) 間距等因素，最終受多種力如重力、電磁力、等離子流力、表麵張力、金屬蒸汽作用力等綜合作用，如圖1所示。

圖1 複合焊接熔滴受力分析示意圖

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圖文解析

光絲(si) 間距是決(jue) 定激光和電弧熱源是否最佳耦合的關(guan) 鍵因素。光絲(si) 間距對熔深、熔滴過渡模式和焊接過程穩定性有顯著影響。研究學者發現當光絲(si) 間距較小時，電弧會(hui) 幹擾匙孔的穩定性，熔滴過渡的穩定性受到激光很大程度的影響。激光束照射在飛濺的熔滴上，阻礙了激光束的能量，導致焊縫熔深較淺，如圖2所示。另外，光絲(si) 間距的增加導致了不規則的熔融金屬運動，導致匙孔崩塌，以及先前凝固金屬阻礙了中心熔融金屬填充焊趾區域，最終形成咬邊缺陷。

圖2 光絲(si) 間距對熱源複合效應的影響

激光和電弧熱源在焊接方向上的相對位置對激光-電弧複合焊接有至關(guan) 重要的影響。一些研究學者認為(wei) 激光引導模式優(you) 於(yu) 電弧引導模式。他們(men) 認為(wei) 激光引導模式可以獲得更加穩定的焊接過程，可以得到較好的焊縫成形，氣孔和飛濺缺陷較少，並且具有更好的熔透性和更牢固的焊縫。然而，另一些研究學者認為(wei) 電弧引導模式優(you) 於(yu) 激光引導模式。他們(men) 認為(wei) 與(yu) 超高功率激光引導模式相比，超高功率電弧引導模式形成了穩定的電弧特性和熔池流動，熔滴半徑與(yu) 焊接表麵之間的角度產(chan) 生了更大的推動力，促進了熔滴的分離，提高了焊接過程的穩定性，焊接飛濺較少，焊縫成型較穩定，如圖3所示。

圖3 不同引導模式對焊接過程的影響: (a)激光引導模式; (b)電弧引導模式

無論是單一的激光焊接還是電弧焊接，都應該考慮保護氣體(ti) 的重要性。在激光焊接中，保護氣體(ti) 是消除等離子體(ti) 屏蔽效應、提高焊接工藝穩定性、實現深熔焊接的有效手段。在電弧焊接中，保護氣體(ti) 是實現電弧穩定燃燒、決(jue) 定電弧熱柱分布和熔滴過渡模式的關(guan) 鍵因素。研究學者認為(wei) 添加30% He改善了激光與(yu) 電弧的複合效應，熔滴過渡模式從(cong) 不穩定的噴射過渡轉變為(wei) 穩定的噴射過渡，並且提高了旋轉噴射過渡與(yu) 電弧脈衝(chong) 周期的匹配度，電弧波形波動較小，焊縫成形較好，焊接缺陷較少。此外，研究學者認為(wei) 提高焊縫熔深和抑製氣孔缺陷的He體(ti) 積百分比應為(wei) 50%。有效激光功率密度隨著He體(ti) 積百分比的增加而增加，這有助於(yu) 焊縫熔深的增加。由於(yu) 在使用Ar-He混合氣的同時提高了小孔的穩定性，因此有效地抑製了焊接氣孔缺陷，如圖4所示。

圖4 不同保護氣體(ti) 下熔滴過渡行為(wei) ：(a)100%Ar; (b)75%Ar+25%He; (c)50%Ar+50%He; (d) 25%Ar+75%He; (e)100%He

由於(yu) 在電弧焊接中加入激光會(hui) 引起電弧形態和熔池形態的變化，導致電弧力、電磁場和熔池表麵張力的變化，因此這些因素的變化將直接導致熔滴過渡特性的變化。結合激光焊接的深熔優(you) 勢和電弧焊接的橋接性能優(you) 勢，許多研究學者對激光-電弧複合焊接熔滴過渡行為(wei) 給予了關(guan) 注。他們(men) 認為(wei) 激光的加入對熔滴過渡既有促進作用也有抑製作用。在短路和滴狀過渡模式下，激光促進熔滴過渡，而激光在射流過渡模式下阻礙了熔滴過渡。作用在熔滴上的電磁力和等離子體(ti) 力的大小和方向是影響熔滴過渡行為(wei) 的關(guan) 鍵。電磁力和等離子體(ti) 力的大小和方向是由於(yu) 熔滴中電流分布的變化而轉變的，這是由低電離電位的激光感應等離子體(ti) 引起的，如圖5所示。

圖5 不同熔滴過渡模式下電弧焊接與(yu) 複合焊接高速攝影對比

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結論與(yu) 展望

激光-電弧複合焊接是一種新型的焊接加工方法，它將兩(liang) 種能量傳(chuan) 遞機理與(yu) 物理性質完全不同的熱源結合在一起，同時作用在加工位置，不同熱源間相互作用及熱源與(yu) 工件的相互作用產(chan) 生足夠的熱量完成焊接的過程。作為(wei) 一種新型高效的焊接熱源它既能充分發揮兩(liang) 種熱源各自的優(you) 勢，又可以彌補各自的缺點。激光和熔化極惰性氣體(ti) /活性氣體(ti) 電弧焊（MIG/MAG）是最有前途的複合焊接模式，是迫切需要進一步研究複合熱源的物理機製。同時，在複合焊接過程中，熔滴過渡行為(wei) 也非常重要。熔滴過渡行為(wei) 可以為(wei) 焊接過程提供準確的信息，並且有效地判斷焊接過程的穩定性。

隨著工程機械的不斷發展，板材的厚度也在不斷增加。為(wei) 了滿足厚板焊接的穩定性，厚板的坡口加工是必不可少的。由於(yu) 厚板坡口的複雜性，焊接過程中電弧的穩定性也受到一定程度的影響，導致焊接缺陷的產(chan) 生。同時，缺陷的產(chan) 生與(yu) 熔滴過渡行為(wei) 有著密切的聯係。在大功率激光-電弧複合焊接中，焊接缺陷的產(chan) 生是不可避免的。數值模擬技術的優(you) 化和進步，突破了缺陷分析的局限，為(wei) 創新工藝的進一步發展提供了堅實的理論基礎。由於(yu) 激光-電弧複合焊接有大量的工藝參數，為(wei) 了獲得最佳的焊縫成形，工藝參數窗口不斷縮小，工藝參數的變化也對熔滴過渡特性產(chan) 生了巨大影響。因此，工藝參數的不斷探索對激光-電弧複合焊接熔滴過渡模式具有重要意義(yi) 。

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論文鏈接

https://doi.org/10.3390/coatings13010205

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作者介紹

張培磊 教授

2010年畢業(ye) 於(yu) 上海交通大學，獲博士學位。曾赴中南大學和德國弗朗霍夫ILT激光技術研究所從(cong) 事訪學研究。一直致力於(yu) 激光與(yu) 材料相互作用、激光智能製造係統的研究。目前已在激光智能製造領域的國際知名期刊發表 SCI、EI 收錄論文100餘(yu) 篇，獲得國家發明專(zhuan) 利授權12項、實用新型專(zhuan) 利授權5項。擔任SVOA Materials Science & Technology期刊編委、Coatings期刊特刊編輯、Frontiers in metals and Alloys期刊評論編輯、焊接雜誌社青年編委、《金屬加工（熱加工）》編委，受邀為(wei) Materials Today、ACS Applied Nano Materials、Materials Science and Engineering A, Applied Surface Science, Journal of Alloys and Compounds 等多家國際著名期刊審稿人。

吳頔 副教授

2018年博士畢業(ye) 於(yu) 上海交通大學材料加工專(zhuan) 業(ye) ，主要從(cong) 事激光焊接過程在線監測及質量智能控製研究。榮獲2019年上海市青年科技英才揚帆計劃省部級人才，先後主持國家自然科學基金、中國博士後科學基金特別資助和麵上資助、中國機械工程學會(hui) 焊接創新項目等國家/省部級項目，在激光智能化焊接製造方向具有豐(feng) 富的研發經驗，擁有多項創新研究成果。發表國際學術期刊30餘(yu) 篇，授權發明專(zhuan) 利5項。先後擔任中國機械工程學會(hui) 焊接分會(hui) 青年委員，核心期刊《焊接》和《電焊機》等編委。

劉慶永

上海工程技術大學碩士研究生，主要研究激光焊接、激光-電弧複合焊接。

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