1、2023年 第4期 热加工1激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic激光复合焊技术研究及应用进展耿占一1，2，胡连海1，2，霍佳磊1，2，卢立祥1，2，王松涛1，2，陈永福1，21.石家庄铁道大学材料科学与工程学院 河北石家庄 0500432.河北省交通工程与环境协同发展新材料重点实验室 河北石家庄 050043摘要：激光复合焊通过激光与各种热源间的协同效应实现了不同热源的优势互补，应用前景广阔。总结了激光-激光、激光-电弧、激光-电阻热、激光-感应热源、激光-搅拌摩擦热等常见复合焊方法的机理，重点从工艺参数优化、匙孔稳定性、缺陷控制等方面介绍了近年来激光复合
2、焊的工艺研究现状，并重点介绍了激光复合焊技术在航空航天、汽车制造、轨道交通、船舶工程及工程机械等领域的应用情况及未来发展趋势，为今后研究及应用提供参考。关键词：激光复合焊；复合机理；激光匙孔；缺陷控制；应用基金项目：河北省自然科学基金资助项目（E2022210030）。通信作者：胡连海，副教授，博士，主要研究方向为高性能金属材料制备及异种金属连接，E-mail：lianhai_。1 序言纯激光焊具有能量密度高、焊接效率高、焊后变形小、热影响区窄及不与工件接触等特点，因而引起国内外学者的广泛关注和研究1，2。但研究发现，纯激光焊也有如下不足：激光光斑直径小，对装配要求（间隙、错边、不等厚度等）高
3、。母材受激光加热部分熔化或气化后迅速凝固形成匙孔，孔中的气体因较难逸出而产生气孔、缩孔等缺陷。激光光致等离子体会吸收、反射及折射激光能量，从而降低激光的吸收率、利用率及能量转化率。低熔点合金元素易烧损。设备及维护成本较高等3。因此，这使纯激光焊的应用受到一定限制。为解决上述问题，学者们通过将激光热源与激光、电弧、电阻热等热源有机组合，实现了激光复合焊。由于激光与其他热源的协同作用改变了激光的小孔特征、热源分布状况等，优化了焊缝宏观形貌，改善了微观组织和力学性能，既有效弥补了纯激光焊的缺点，又实现了“112”的焊接效果4，5，因此激光复合焊在航空航天、汽车、船舶及石油化工等领域的应用日益广泛。本
4、文介绍了激光-激光、激光-电弧、激光-电阻热、激光-感应热源及激光-搅拌摩擦复合焊机理等研究情况，简述了激光复合工艺及缺陷控制研究进展及应用。2 激光复合焊机理研究2.1 激光-激光复合焊激光-激光复合焊既可以采用光学方法将同种激光分离成多个光束进行焊接，也可以将几束不同类型的激光（CO2激光、YAG激光、半导体激光等）组合后进行焊接，有效解决了装配要求高、激光功率有限、熔深不足等问题，常用于厚板及异种材料的焊接，而光束的排布方式、间距、夹角、聚焦位置与能量比等都是重要的工艺参数4。将两束激光沿焊缝串列或在焊缝两侧并列（见图1）的双光束激光复合焊最为常见，串列排布可以降低熔池冷却速度，减少焊缝
5、的淬硬倾向和气孔；并列排布能提高对间隙的适应性。激光-激光复合焊能灵活地控制激光照射时间和位置，从而调整能量分布，提高铝、镁等难以实现深熔焊材料的焊接性，降低工件变形和残余应力，改善焊缝成形和质量。2.2 激光-电弧复合焊激光-电弧复合焊是将物理性质、能量传输机制截然不同的激光热源（CO2激光、YAG激光、半2023年 第4期 热加工2激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic导体激光等热源）与电弧热源（TIG、MIG/MAG、PAW、CMT等）通过旁轴、同轴或串联等方式结合形成一种高效的复合热源，并作用于同一位置进行焊接，如图2所示5。激光-电弧复合焊优点如下
6、4-9。1）激光降低了射流过渡的临界电流，通过对电弧引导减少了电弧的剧烈跳跃、飘移与断弧，提高了焊接稳定性，也增强了电弧熔化效率。图1双光束激光复合焊原理6a）旁轴复合 b）同轴复合 c）激光-电弧串联图2激光-电弧复合焊原理5图3激光-TIG复合焊原理112）焊接速度快，热输入小，熔池冷却缓慢，焊接变形小，也利于组织缓慢转变与气体逸出，尤其在厚板焊接及高速焊中，有利于消除气孔、裂纹、咬边及未熔合等缺陷。3）电弧的加入减弱了光致等离子体对激光的屏蔽，实现了低激光功率下的大熔深。4）电弧对母材的预热增加了母材对激光的吸收率，可焊接高反射率、高热导率材料。5）复合焊的光斑直径更大，电弧的预热也提高
7、了间隙桥接能力，能适应较大的装配间隙。6）可通过改变填充焊丝成分等方式来改善焊缝组织，提高综合性能。现主要介绍以下4种激光-电弧复合焊方法。（1）激光-G T A W复合焊 自1980年英国STEEN10提出激光-GTAW（钨极氩弧焊，即TIG焊）复合焊的概念后，激光复合焊就备受研究人员们关注。如图3所示11，该方法将激光焊与TIG焊结合，通过激光对电弧的诱导与压缩作用，有效地避免了电弧的漂移，激光光致等离子体有效稳定了电弧；而电弧的加入提高了搭桥能力，降低了装配要求。由于电弧被激光产生的热散射电子压缩在匙孔内，因此增强了激光与电弧的协同作用，提升了材料对激光的吸收率与能量利用率；匙孔直径大于
8、纯激光焊，也有利于气体逸出进而减少气孔。综合来看，激光-GTAW复合焊熔深大、稳定性好、热影响区小，能实现薄板的高速焊接，且由于焊缝晶粒及组织细化，因此焊接接头力学性能也更加优良12。（2）激光-GMAW复合焊 将激光焊与GMAW焊（熔化极气体保护焊，包括MIG焊、MAG焊、CO2焊等）相结合形成激光-GMAW复合焊。如图4所示11，电弧在激光的作用下可潜入匙孔深处增加熔深，而电弧对等离子体的稀释和对母材的加热提高了激光的传输效率与能量吸收率，也降低了气孔率和裂纹倾向，改善了成形和力学性能，适合高强度钢、不锈钢、铝合金等金属材料的熔透或非熔透焊接3-5。与纯激光焊相比，该方法的搭桥能力强，间隙
9、容忍度高，气孔、裂纹等缺陷少，能量利用率高，冷却速度小，以及易调整焊缝组织与性能等。与纯电弧焊相比，该方法的熔深大、变形小、热影响区2023年 第4期 热加工3激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic小、效率高，可实现射流过渡的临界电流较大、电弧更稳定等4。与其他激光-电弧复合焊相比，该工艺可通过选择不同焊丝来调整焊缝的组织与性能，且当采用旁轴复合方式时电流上限大、工艺适应性强、焊接效率高。因此，激光-GMAW复合焊仍然是目前最受业界瞩目、研究与应用最为广泛的激光复合焊工艺。德国亚琛大学焊接研究所的DILTHEY等13首次将激光与双MIG电弧复合进行焊接，发现
10、与激光-MIG复合焊相比，该技术的焊接速度更快、热输入更小、装配要求更低，越来越受到研究人员的重视。胡连海等14，15在研究激光-双MIG电弧复合焊耦合机制及熔滴过渡时发现，当光致等离子体中部的电子在双电弧的电场力和洛伦兹力下大体平衡时，电子可均匀分布在等离子体两端吸引并稳定电弧，熔滴过渡平稳，无飞溅。（3）激光-PAW复合焊 该方法将激光焊与PAW（等离子弧焊）相结合。如图5所示11，通过等离子弧的预热来降低工件的冷却速度，增加对激光的吸收率，也提高了焊接速度；激光对等离子弧的压缩与引导也有助于稳定等离子弧。等离子弧具有刚性好、方向性强、温度高、能量密度集中、能量利用率高、电弧引燃性好及稳定
11、性高等优点，且由于钨极位于喷嘴内部，有效减小了钨极的烧损与污染16。激光与PAW可同轴或旁轴排列，当旁轴排列时，工艺调节受限于焊枪结构，但熔深与焊接速度均有所增大，有效地避免了纯PAW易产生的咬边缺陷；同轴排列则与之相反13。（4）激光-CMT复合焊激光-CMT复合焊是将激光能量与CMT（冷金属过渡）电弧能量在局部空间内耦合。如图6所示18，实现了低激光功率下的大熔深，而CMT焊可数字化控制焊丝的回抽并促进熔滴过渡，既实现了平稳的短路过渡，又提高了装配适应性。该方法具有稳定性好、热输入低、气孔率低、裂纹倾向小及自动化程度高等优点，适合铝镁系、铜镍系等导电性较好的轻质金属及其异种材料连接17，1
12、8。图4激光-MIG复合焊接原理11图5激光-PAW复合焊原理11图6激光-CMT复合焊原理172.3 激光-电阻热复合焊激光-电阻热复合焊是将激光焊与常见电阻焊（电阻点焊、电阻缝焊等）组合，通过调整工艺参数实现两种焊接技术的优势互补，最终实现有效连接。其中，电阻缝焊的加热过程提高了工件对激光的吸收率，而电阻焊的加热、加压和缓冷过程有效地减少了气孔、裂纹、焊瘤等缺陷，有效解决了激光焊中工件装配、跟踪等难题，降低了装配要求和接头残余应力，常用于焊接钢材等电阻率大的材料19。2023年 第4期 热加工4激光复合焊专题 Laser Composite Welding Topic2.4 激光-感应热源
13、复合焊该技术用高频感应热源预热工件达到一定温度后，再进行激光焊接。与纯激光焊接相比，该技术降低了熔池冷却速度，更有助于焊缝中气体逸出，进而降低了气孔、变形与裂纹倾向，且焊接效率与激光吸收率更高、组织性能更优良，也具有非接触、环保型加热等特点19，20。该工艺只能焊接可被感应热源加热的材料，而受限于感应线圈的形状，工件的形状一般为棒状或管状；焊接高碳钢、高合金钢等易开裂材料时，常用于汽车行业中封闭要求较高的部位。2.5 激光-搅拌摩擦复合焊激光-搅拌摩擦复合焊先利用激光预热工件，再通过搅拌摩擦热形成焊缝，实现了激光热源与搅拌摩擦焊（FSW）的原位耦合，具有热输入精准可控、设备简单、磨损小、效率高
14、及能耗低等优点，同时有效解决了搅拌头磨损的问题20，常用于航空航天结构中铝镁合金等高热导率材料，也适用于大型构件对接与异种材料连接，既能有效降低气孔率，又保证了优良的力学性能。2.6 小结常见激光复合焊技术的对比见表1。由表1可知，由于不同激光复合焊的机理不同，其能量密度、焊接速度、热输入等特征也存在差异，因此适用材料与应用范围也不尽相同。表1常见激光复合焊技术对比3，19名称能量密度焊接速度热输入适用材料应用范围LB-LB高快较大反射率低、激光吸收率高的材料较厚及异种材料LB-GTAW低低小铝镁合金等热导率高的材料薄板焊接，小规模操作LB-GMAW中 较快高铝镁合金、双相钢等难熔金属中厚板，
15、搭接接头等LB-PAW高高较小镀锌钢、钛、铝合金等高反射率、高导热系数材料薄板对焊、高速焊，切割、表面合金化等LB-CMT低高小铝镁系、铜镍系等导电性较好的轻质金属超薄板、异种金属等LB-RSW低中中电阻率大的材料焊接、沉积、熔覆LB-HRFW低中中能被感应热源加热；高碳钢、高合金钢等易开裂材料管状、棒状等LB-FSW低快小铝镁合金等高热导率材料大型构件对接3 激光复合焊工艺及缺陷控制研究现状由于激光复合焊涉及电弧、光致等离子体、熔滴过渡等多种物理现象和相互作用，其熔池与匙孔的形成与演变过程十分复杂。因此，近年来主要通过调整激光复合焊工艺，控制熔滴过渡、匙孔形成、熔池流动等过程，有效抑制了缺陷
16、，提高了焊接接头质量和性能。3.1 焊接参数优化在激光-电弧复合焊中，熔滴在重力、电磁力、等离子流力、表面张力及金属蒸气反作用力等作用下过渡到熔池，而激光复合焊需要精确控制热源间距与夹角、保护气体、激光功率等参数，且熔滴过渡的方式和稳定性对焊接过程稳定性、焊缝成形、飞溅控制、焊接质量与效率等有着重要影响21。因此，研究焊接参数对焊接质量的影响具有重要的价值。（1）热源间距与夹角 激光与电弧的间距和夹角是激光光致等离子体和电弧的耦合参数，也是电弧有效地填补匙孔底部、不受金属蒸气反作用力影响的重要参数。若激光与电弧间距过小，电弧将降低匙孔稳定性，而匙孔喷出金属蒸气产生的反作用力也将阻碍熔滴过渡；若激光与电弧间距过大，激光光致等离子体和电弧的相互作用将使电弧沿焊丝轴向弯曲，导致电磁力和等离子流力沿焊丝轴向的分力减小，熔滴过度长大，短路后形成较大的飞溅，难以实现稳定的焊接过程22。于露23发现在双丝-脉冲MIG焊中，焊丝串列排布时，焊接速度增加，短路频率下降；双丝间距增加，短路频率先下降后上升再下降；焊枪倾角增加，短路频率先下降后上升。随着双丝间距与焊枪倾角的增加，焊丝并列排布时均无短路出现。
