激光-电弧复合焊接近期进展与未来展望：工艺参数、微观组织演变、力学性能及数值模拟

《Journal of Materials Research and Technology》：Recent advances and future prospects of laser-arc hybrid welding: process parameters, microstructural evolution, mechanical performance, and numerical simulation

　　

激光-电弧复合焊接（LAHW）通过集成激光焊的高能量密度与深熔透能力以及电弧焊优良的间隙桥接能力与冶金适应性，已成为一种极具前景的连接技术。尽管针对LAHW已开展大量研究，但工艺不稳定性、缺陷形成、微观组织非均匀性以及数值模型预测能力不足等问题仍制约其广泛应用。研究人员系统综述了LAHW中的激光-电弧相互作用机制、工艺参数优化、熔池动力学、微观组织演变、力学性能及数值模拟方法，特别构建了关联加工参数、热源耦合行为、小孔（keyhole）稳定性、缺陷演变、显微组织形成与接头性能的集成框架；进而分析了热源模型选取、有限元与热流模型对比、小孔演变及缺陷预测。未来展望涵盖人工智能辅助参数优化、实时监测与物理信息驱动 predictive modeling。

研究背景方面，传统电弧焊虽具备优良间隙桥接与较低成本，但能量密度低、热输入大，易致热变形、大热影响区（HAZ）与晶粒粗化；激光焊虽能量集中、焊速高，却间隙适应性差且对高反射材料（如铝、铜）吸收率低。LAHW自1970年代末由Steen等提出，融合两者优势，却在工艺稳定性、缺陷控制、组织均匀性及模型预测力上仍存挑战。该文发表于《Journal of Materials Research and Technology》，研究人员据此系统梳理LAHW从热源分类、相互作用机制到参数优化、组织性能及数值模拟的全链条进展，具有重要学术整合意义。

关键技术方法上，研究人员依托Web of Science、Scopus、ScienceDirect与IEEE Xplore数据库，检索2000至2026年文献，以“laser arc hybrid welding”“keyhole dynamics”“weld pool simulation”等为关键词，按材料体系、厚度、激光/电弧类型、构型分类筛选实验与数值研究；热源系统覆盖CO₂、Nd:YAG、光纤与二极管激光，电弧系统含GMAW（MIG/MAG）、GTAW（TIG）及PAW；数值手段兼用有限元（FE）热-冶金-力学耦合与热流（thermo-fluid）瞬态模型，并引入机器学习与数字孪生展望。

研究结果部分，1.引言中厘清LAHW发展史：从早期CO₂激光受限到光纤激光工业化，分类出laser-GMAW、laser-GTAW、laser-PAW三类主流构型，并阐释激光引导电弧压缩、激光诱导等离子体（laser-induced plasma）增设导电通路、熔滴受力（重力F_g、表面张力F_σ、电磁力F_em、等离子流力F_p、金属蒸气反作用力F_RL）及小孔-熔池耦合机制。2.工艺参数优化中指出激光功率主导小孔穿透（如9–24 kW下穿透由8.65增至16.44 mm），电弧电流非单调影响飞溅（380–470 A区间表面质量先降后升），焊速过高致气泡逃逸不足增孔隙，热源排布分同轴（coaxial）与旁轴（paraxial）及弧导/激光导模式，激光-电弧间距（D_LA）过小诱发射流挡光、过大削弱协同。3.微观组织与力学性能表明，接头横截面呈上宽下窄熔合区（FZ），HAZ可细分为CGHAZ、FGHAZ、ICHAZ；电弧区多为粗柱状枝晶，激光区因温度梯度低生细等轴枝晶，冷却快、晶粒细；316L/EH36异种钢中激光侧HAZ窄于电弧侧，弧区残留奥氏体（A_R）高于激光区，Cr/Ni再分配经EDS佐证；硬度曲线显示LAHW较单激光/单电弧焊更均衡。4.数值模拟综述对比FE与热流模型，FE擅热循环-相变-变形，热流擅小孔动态-熔滴-对流，指出物理信息神经网络（PINN）与AI辅助是缺陷预测方向。

讨论与结论翻译：研究人员强调LAHW参数非独立作用，而经热输入—等离子耦合—熔滴转移—小孔稳定—熔池流动链式调控焊缝成形与缺陷；构建的集成框架将工艺窗口、物理行为、组织与性能闭环关联。未来需推进人工智能辅助参数寻优、多传感实时监测及物理信息驱动预测模型，以突破工艺不稳定与模型泛化不足瓶颈，推动LAHW在船舶、轨道、重载钢构中的高可靠应用。