《Journal of Materials Research and Technology》：Effect of Laser Assistance on Arc Stability and Droplet Transfer in Hybrid Welding with C276 Hastelloy Filler Wire
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随着大型、高精度及工业化液化天然气（LNG）储罐需求的增长，C276哈氏合金（Hastelloy C276）作为关键填充金属在焊接效率和工艺稳定性方面面临重大挑战。本研究通过差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry,
随着大型、高精度及工业化液化天然气（LNG）储罐需求的增长，C276哈氏合金（Hastelloy C276）作为关键填充金属在焊接效率和工艺稳定性方面面临重大挑战。本研究通过差示扫描量热法（Differential Scanning Calorimetry, DSC）、电信号分析及熔滴过渡高速成像，研究了C276合金熔化极气体保护焊（Gas Metal Arc Welding, GMAW）过程中熔滴过渡的不稳定性机理。为提升工艺稳定性和焊缝成形质量，研究人员引入了不同功率水平的辅助激光进行协同调控。结果表明，激光辐照的引入显著改善了电弧稳定性，但其影响机制随功率水平而异。在0.5 kW时，电弧行为受激光等离子体导向与熔池几何形态之间的动态相互作用支配；在1.0 kW时，熔滴尺寸减小且电弧扰动趋于稳定，从而改善焊缝一致性。在1.5–3.0 kW范围内，激光等离子体吸引力的增强进一步提升了电弧方向性并降低了不稳定性。然而，当激光功率超过3.5 kW时，增大的熔滴和匙孔（Keyhole）振荡引入了飞溅和气孔的风险。该工作旨在阐明激光辅助对工艺稳定性的调控效果，并为工艺优化提供指导，同时为激光辅助电弧焊接在大型LNG内罐制造中的工程应用提供有价值的指导。
该论文发表于《Journal of Materials Research and Technology》，系统研究了激光辅助对C276哈氏合金焊丝GMAW复合焊接过程稳定性的调控作用及其机理，并评估了该工艺策略在LNG低温服役条件下的适用性。
研究背景与问题：随着全球能源消费结构转型，天然气因其清洁、高效及经济性成为推动低碳发展的重要能源。液化天然气（LNG）通常在低温低压条件（?161.5 °C和0.1 MPa）下储存和运输，这对储罐特别是其焊接接头的服役安全性和可靠性提出了严苛要求。9 wt% Ni钢因优异的低温韧性和经济优势成为大型LNG储罐内罐制造最广泛使用的材料。对于9Ni钢焊接，Ni基填充金属因其与母材匹配的热膨胀系数及优异的低温韧性而被普遍采用。研究表明，Ni-Cr-Mo-Nb系焊丝在9%Ni钢药芯焊丝电弧焊（Flux-Cored Arc Welding, FCAW）中易促进Laves相和NbC等脆性相析出，恶化焊接接头断裂韧性；而C276哈氏合金焊丝因不含Nb，可减轻Nb偏析及相关脆性相析出对韧性的不利影响，且其高Ni含量赋予焊缝金属良好的低温冲击韧性和稳定的热膨胀行为，较常规Ni基焊丝（如ERNiCrMo-3）更具低温焊接潜力。然而，9Ni钢采用Ni基填充金属焊接仍面临工艺稳定性和制造效率的显著挑战。9Ni钢在电弧焊接中易强磁化，高电流GMAW条件下磁偏吹尤为严重。目前中厚板9Ni钢主要采用埋弧焊（Submerged Arc Welding, SAW）、窄间隙钨极惰性气体保护焊（Gas Tungsten Arc Welding, GTAW）和焊条电弧焊（Shielded Metal Arc Welding, SMAW），但分别存在效率低、热输入及稀释率高、效率受限等问题。激光-电弧复合焊接（Laser-Arc Hybrid Welding）结合了激光热源精确热控和电弧热源稳定填充的优势，可显著降低焊缝稀释率、优化热输入分布，被视为解决上述问题的有效途径。但C276焊丝因高黏度导致其GMAW熔滴过渡行为与常规Fe基焊丝显著不同，其不稳定性机理及激光辅助的调控效应尚缺乏系统阐明。
研究人员开展了C276哈氏合金焊丝复合焊接中不同功率水平激光辅助对电弧行为、熔滴过渡及焊缝成形稳定性影响的系统研究，旨在阐明激光辅助对C276焊丝焊接稳定性的调控效果，为9Ni钢复合焊接工艺优化提供指导。主要结论包括：C276焊丝在低于临界旋转射流电流下发生软化的根本原因在于其极窄的熔化温度区间；激光辅助的引入显著改善电弧稳定性和焊缝成形质量，但不同功率水平调控机制各异；激光功率超过3.5 kW时匙孔深度和熔滴尺寸增大，飞溅和匙孔振荡显著加剧，导致气孔缺陷增加，严重损害焊接过程稳定性和焊缝质量。
研究采用的主要关键技术方法包括：基于光纤激光器（IPG YLS-6000，波长1.06 μm，最大输出功率4 kW）与Fronius A-4600 GMAW电源的近同轴复合焊接平台；通过Phantom VEO 340L高速相机（3000 fps）进行熔滴过渡过程的高速成像；采用NI 6211数据采集卡配合霍尔效应传感器采集焊接电信号，基于LabVIEW程序进行电流-电压（U-I）点密度分布分析；利用Hexagon三维激光扫描仪进行焊缝形貌三维重建，配合Geomagic Studio软件及Python脚本提取焊缝宽度和余高数据；通过差示扫描量热法（DSC）表征C276焊丝的熔化特性；采用仪器化冲击试验机进行?196 °C夏比（Charpy）冲击试验，并通过扫描电子显微镜（SEM）分析冲击断口形貌。样本为淬火回火（QT）处理的X7Ni9钢板（200 mm × 100 mm × 20 mm），填充材料为直径1.2 mm的C276焊丝，纯氩保护气。
研究结果：
焊缝特征 引入不同功率水平的辅助激光对C276的GMAW产生双重效应：一方面改变电弧等离子体形态，激光诱导等离子体与电弧等离子体的相互作用影响焊接过程稳定性；另一方面通过协同热输入和互补能量耦合有效增加焊缝熔深并实现更高焊接速度。无激光辅助时，焊缝表面较粗糙，焊道轮廓模糊，存在明显熔池波纹和不均匀性，熔深较浅且热影响区（Heat-Affected Zone, HAZ）较大。辅助激光辐照下焊缝表面质量显著改善；激光功率1500–3500 W时焊缝表面平滑，截面呈典型深熔V形。但超过3500 W时表面扰动、气孔甚至孔洞开始出现，截面过深过尖，4000 W时尤为明显；深匙孔内金属蒸气压剧烈波动导致匙孔振荡，当匙孔坍塌速率超过气体逸出速率时气体被截留于熔池液态金属中，快速凝固过程中形成气孔。辅助激光可有效控制焊缝熔深和宽度，提升焊缝搭桥能力和坡口适应性。随激光功率增加熔深增加而宽高比减小，激光逐渐主导焊接过程；0.5–3.5 kW范围内焊缝表面质量显著改善，最大熔深从3.5 mm增至7.5 mm。
焊缝成形稳定性 为评估不同激光功率下焊缝沿长度方向的连续性和一致性，研究人员对焊缝稳定区（50 mm × 20 mm）进行三维形貌重建。结果表明，激光辅助下整体焊缝形貌改善，但随功率增加表面从光滑向粗糙转变，3.5 kW时焊道侧边出现更明显凸出。通过提取截面轮廓计算变异系数（Coefficient of Variation, Cv）进行定量分析：激光辅助引入降低了焊缝尺寸波动，但稳定性随功率呈非线性变化。低于1.5 kW时Cv随功率增加而降低，1 kW时焊缝宽度Cv达最小值0.016，为所有测试功率中焊道尺寸波动最小；1.5 kW时质量有所波动，3.0 kW时Cv再次改善；3.5 kW时宽度及余高Cv均再次增大，表明过高功率导致熔池扰动加剧。综上，低功率范围（0–1.5 kW）成形质量随功率增加逐步改善，高功率范围稳定性呈先下降后部分恢复趋势。
熔滴过渡 为阐明激光辅助影响C276焊接稳定性的具体机制，研究人员采用高速成像和电信号采集系统对熔滴过渡行为和电弧动态进行深入分析。
无激光辅助时，U-I分布宽泛且存在明显散点，电压和电流标准差分别达4.28 V和46.20 A，电弧波动严重。主导熔滴过渡模式为不规则摆动的射流过渡，焊丝端部呈锥形，沿伸出长度发生软化；接触熔池时突然断裂，反冲力加剧软化端部的不规则摆动，阻碍稳定熔滴脱离和过渡，大部分熔融金属以飞溅形式喷出。研究人员认为这是由C276材料本身特性导致：DSC结果显示其相变起始温度1356.3 °C、结束温度1379.8 °C，熔化区间仅约30.5 °C；窄熔化区间使材料在有限温度范围内快速由固态转变为液态，导致电弧和电阻热共同作用下伸出长度区域易发生局部液化，引发焊丝端部过早软化。此外，Ni、Mo、W、Ti等高功函数元素难以产生足够密度电子流和离子云，局部等离子体密度不足，不利于电弧稳定维持；相关氧化物高温下热稳定性差，难以持续形成稳定氧化膜，削弱了对阴极斑点的约束作用，导致电弧位置更易漂移。软化发生后弧根不再包覆整个熔滴而集中于熔滴下方局部区域，阳极斑点集中于熔滴端部，局部电流密度和热输入显著增加，促进大量金属蒸气从熔滴表面沿运动方向喷出，反冲力抑制熔滴颈缩和颗粒形成，同时加剧焊丝摆动和液柱不稳定性。高黏度和差流动性进一步放大上述问题。
500 W激光辅助时，软化焊丝端部的电弧不再随机漂移，而表现出向激光辐照区域偏转的趋势，源于激光作用于熔池表面引发的等离子体诱导效应。局部激光诱导等离子体形成使电弧放电路径向激光中心弯曲，实现部分激光引导电弧效应。但此时激光诱导等离子体密度有限，激光引导与熔池几何形态驱动的电弧重定向之间处于动态竞争平衡，过程可控性仍有限。
1 kW激光辅助时，激光诱导等离子体显著增加，对电弧等离子体吸引力增强。即使发生扰动，电弧始终被吸引向激光诱导等离子体，不再表现出向熔池几何突出区域重新建立放电路径的趋势。电弧行为从动态竞争关系转变为完全由激光诱导等离子体引导主导的单向控制模式。焊丝端部熔化区虽仍存在一定扰动，但因电弧被限制在激光引导区内，这些扰动表现为小幅度、规则、局部化扰动而非大规模不规则偏离，对应较小熔滴尺寸和显著降低的熔池瞬态扰动，焊道形貌和一致性改善。
1.5–3.0 kW范围内，熔滴过渡行为与1.5 kW类似但规则扰动频率显著降低，稳定的熔滴形成和过渡过程在周期性行为中占主导，熔滴形成机制趋于稳定。U-I点云密度逐渐向特定区域收敛，呈高度集中分布，证实随功率增加电弧行为稳步向更稳定有序状态演化，空间分布更趋统一，呈现典型激光引导主导机制。
3.5 kW时，激光诱导等离子体显著增加，对电弧导向和吸引作用更强，电弧紧密附着于激光辐照区域。但强强制吸引下熔滴在焊丝端部停留时间显著增加，熔融金属持续累积导致熔滴尺寸明显增大；大熔滴接触熔池转移时惯性表面张力剧烈竞争导致熔融金属爆脱，形成大量飞溅颗粒。同时匙孔显著加深，大熔滴冲击和熔池扰动加剧诱发匙孔形态周期性振荡，影响激光诱导等离子体生成和分布，形成电弧吸引路径短期波动的反馈效应。功率继续增至4.0 kW时，匙孔加深和振荡加剧阻碍金属蒸气和保护气体及时逸出，气体被截留于熔融金属中并在快速凝固时密封于焊缝根部，形成典型气孔缺陷。
低温冲击韧性及焊缝金属断口形貌分析 为评估工艺策略在LNG低温服役条件下的适用性，研究人员采用分段工艺制备代表性焊接接头并进行低温冲击试验：根焊阶段激光功率3 kW以确保坡口钝边有效熔化和良好根部成形，填充和盖面阶段降至1 kW以通过改善激光-电弧耦合条件稳定电弧。?196 °C仪器化冲击试验结果表明，总吸收冲击能量达161 J，显著高于文献报道的深熔K-TIG焊（97.3 J）、常规激光焊（137 J）和Super-TIG焊（136 J），证明分段激光功率调控策略可有效协调9Ni钢母材与C276填充金属的冶金行为，显著提升接头低温可靠性。裂纹萌生能和扩展能分别为82.2 J和78.8 J，较高裂纹萌生能表明需吸收大量变形能才发生不稳定裂纹扩展；峰值后载荷逐渐下降而非脆性断裂的骤降，表明断裂过程伴随明显塑性能耗散，为典型韧性断裂模式。冲击断口宏观呈粗糙起伏的纤维状形貌，局部放大可见大量深韧窝和撕裂棱，无大面解理、河流花样或沿晶断裂特征，断裂机制主要为微孔形核、生长和聚合主导的韧性断裂。
研究结论：
（1）C276哈氏合金焊丝在低于临界旋转射流阈值电弧电流下发生软化的根本原因在于其极窄的熔化温度区间。电弧和电阻热联合作用下，焊丝干伸长区域发生局部液化；同时合金中高功函数元素的存在抑制电子发射和等离子体稳定性，导致电弧频繁漂移、稳定性下降。软化后弧根转移、增强的蒸气反压及液柱结构形成共同触发不规则焊丝振荡和飞溅行为。
（2）辅助激光辐照的引入显著改善电弧稳定性和焊缝成形质量。不同激光功率下调控机制各异：0.5 kW辅助激光辐照下，电弧行为维持激光等离子体导向与熔池几何形态影响之间的动态平衡；1.0 kW时，软化焊丝端部扰动更规则且熔滴尺寸减小，有助于降低熔池波动并增强成形一致性；1.5–3 kW范围内，随功率增加等离子体导向效应增强，软化端部方向稳定性改善且扰动逐渐减弱。
（3）激光功率进一步增至3.5 kW以上时，匙孔深度和熔滴尺寸增大，同时飞溅和匙孔振荡显著加剧，导致气孔缺陷增加，严重损害焊接过程稳定性和焊缝质量。
