高效混合激光-电弧焊接中的复合抑制机制

《Journal of Manufacturing Processes》：Humping suppressing mechanism in high-efficient hybrid laser-arc welding

　　

摘要

采用高速摄影、红外热成像和金属蒸汽光谱检测系统研究了高速气体金属弧焊（GMAW）中隆起现象的形成机制以及在相似线能量条件下混合激光-弧焊中抑制该现象的机制。结果表明，在相似的线能量条件下，高速摄影记录中并未捕捉到GMAW电弧的向后偏转。然而，熔池内部强烈的向后动量流导致了熔池 trailing 区域的温度相对较高，从而产生了大量金属蒸汽并发生电离，使得导电通道沿焊接方向发生偏转。在混合激光-弧焊中，熔池内部的向后动量流显著减弱。最高温度出现在激光作用区域，该区域产生了大量金属蒸汽并发生电离。在焊接丝和激光照射区域之间形成了向前偏转的导电通道，从而有利于抑制隆起现象。

引言

气体金属弧焊（GMAW）由于其低成本、高适应性、操作简便性和易于自动化而在金属加工中得到广泛应用[1]、[2]。随着制造业的快速发展，对提高生产效率的需求日益迫切，这要求在不降低焊接质量的前提下显著提高焊接速度[3]、[4]。然而，当焊接速度超过某一临界阈值时，焊缝中容易出现隆起现象[5]。这种现象表现为沿焊接方向的周期性峰值和低谷[6]，会严重影响焊缝的均匀性，在低谷处引起应力集中，从而严重削弱焊接结构的承载能力和服务可靠性[7]、[8]。

自Bradstreet等人首次报道隆起现象以来[9]，人们对其形成机制进行了广泛研究，提出了多种理论，包括电弧诱导效应、表面张力梯度驱动的对流以及熔池内部的向后流动等。根据Paton等人提出的电弧诱导模型，当电弧压力超过熔池的静水压力时，熔池下方的液态金属会被推向熔池后方并积聚，最终导致隆起缺陷[10]。Wu[11]和Xu[12]指出Marangoni对流在熔池流动中起着重要作用。基于Marangoni对流理论，Mills等人认为液态金属在表面张力梯度的作用下会向熔池中心聚集，这可能会引发隆起。然而，该模型无法合理解释隆起的周期性特征[13]。Nguyen和Weckman提出了熔池壁流动机制，该理论描述了在高速焊接条件下，液态金属在强烈向后流动的作用下被输送并积聚在熔池后方的物理过程。流动通道的过早固化形成了低谷，而熔池后方的金属积聚形成了隆起，成功解释了隆起的周期性特征[14]。随着可视化技术的进步，Hu[15]、Wu[16]等人的实验观察证实，熔池内部的高速向后动量流是引发隆起的主要因素。Chen[17]和Xu[18]的数值模拟进一步证实，熔池内部强烈的金属向后流动是导致隆起产生的主导因素。Meng[19]利用三维数值模拟建立了双椭圆电弧剪切应力模型，该模型表明在高速焊接过程中电弧剪切应力沿焊接方向强烈集中，为液态金属的向后流动提供了主要驱动力。然而，在我们的初步探索性实验中并未观察到明显的电弧偏转。现有研究大多忽略了金属蒸汽对隆起缺陷的影响。然而，正如Jiang[20]所报道的，金属蒸汽改变了电弧等离子体行为，并显著影响了熔池流动。因此，我们的目标是揭示金属蒸汽对隆起形成机制的影响。

任何能够减少熔池内部强烈向后动量流的方法都可以抑制隆起缺陷；例如改进保护气体[21]、施加外部磁场[22]和采用混合热源[23]。作为一种典型的混合焊接方法，混合激光-弧焊结合了激光和电弧热源的优点，具有高效焊接、低热量输入、低残余应力、优异的电弧稳定性和良好的适应间隙能力[24]，从而有效减少了裂纹[25]、变形[26]和气孔[27]等常见焊接缺陷。Choi[28]证明，在固定的GMAW工艺参数下，使用足够功率密度的激光热源进行预热可以推动熔池前沿向前移动，使熔池变宽变浅，促进沉积金属的横向扩散，从而有效避免了熔池金属的积聚并成功抑制了隆起缺陷的产生。Xu[29]开发了混合激光-弧焊熔池流动场的三维瞬态数值模型。模拟结果显示，在高速条件下传统GMAW容易产生严重的隆起缺陷；然而，当激光功率增加到500 W时，这些缺陷完全消失。此外，当激光功率提高到2000 W时，熔池内部形成了keyhole，keyhole产生的强烈搅拌效应进一步增强了隆起缺陷的抑制效果。Cho[30]通过数值模拟确认，适当优化激光热输入可以提高熔池的毛细稳定性并延缓其过早固化，从而抑制隆起缺陷的起始。目前，大多数现有研究主要从熔池流动的角度阐明了隆起缺陷的形成和抑制机制，而等离子体行为对隆起形成的影响却鲜有研究。

在本研究中，使用GMAW和混合激光-弧焊对10CrNi5MoV高强度钢进行了对比实验，实验条件下的热输入相同。通过高速成像、红外热成像和金属蒸汽光谱检测系统，系统地揭示了高速GMAW中隆起缺陷的形成机制，并明确了混合激光-弧焊如何抑制这些缺陷。此外，还建立了金属蒸汽偏移行为与隆起起始之间的关联。

章节摘要

实验方法和材料

图1展示了对混合激光-弧焊的实验装置。使用了Fronius AHJ H400焊接机，并选择了冷金属转移（CMT）模式。采用的激光功率为6000 W，光束聚焦到0.3 mm的斑点直径。激光束与电弧之间的水平角度分别为80°和60°，激光-焊丝距离固定为2.5 mm。作为保护气体使用了纯氩气，流量为18 L/min。使用的JS80焊丝直径为1.2 mm。

隆起形成过程和焊缝外观

图4展示了通过高速成像捕捉到的隆起缺陷的周期性动态变化。如图4(a)所示，在电弧加热下，大量填充焊丝熔化并转移到熔池中。如图4(b)所示，液态金属在熔池后方不断积聚。图4(c)显示，熔池后方的液态金属高度在达到临界水平后停止增加。

激光-弧相互作用机制

普遍认为高速GMAW存在电弧强度不足的问题，导致电弧向后偏转[34]、[35]。然而，本研究的高速摄影结果显示，在电弧电流峰值和基值阶段，电弧强度中心沿焊接方向向前偏转（而非向后）。图12展示了GMAW过程中隆起和低谷形成阶段中性铁原子（Fe I）和铁离子（Fe II）的空间分布特征。

结论

在本研究中，对10CrNi5MoV钢进行了高速GMAW和混合激光-弧焊的比较实验，实验条件下的线能量相同。通过结合高速摄影、红外热成像和金属蒸汽光谱检测系统，分析了隆起缺陷的形成机制及其在混合激光-弧焊中的抑制原理。主要结论如下：

• 1.
  在高速GMAW中形成隆起时，通过高速摄影未观察到电弧向后偏转

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肖晓：撰写——审阅与编辑，监督，筹措资金。程家伟：撰写——初稿编写，软件开发，数据管理。吴东生：撰写——审阅与编辑，监督，筹措资金。张萌：数据管理。林超辉：验证，资源协调。孙俊豪：资源支持。张毅：形式分析。李慧军：监督。

利益冲突声明

我们声明与所提交的工作没有任何可能导致利益冲突的商业或关联利益。

致谢

本文得到了中国国家自然科学基金（项目编号：U2441276）、中国国家自然科学基金（项目编号：52305454）、河南省重点研发计划（项目编号：261111232200）、河南省青年骨干教师项目（项目编号：2023GGJS044）、河南省引进外智资源专项（项目编号：GZS2023009）、四川省自然科学基金（项目编号：2025ZNSFSC0431）的支持。

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