激光-電弧復合焊接鋁合金的研究進展分析

羅震 蘇杰 王小華 肖斌斌 孫立國 楊越 畢元波 張熠軒

（1.天津大學 材料科學與工程學院，天津 300350；2.天津大族天成光電技術有限公司，天津 300405）

鋁合金以其低密度、高比強度，可回收利用等優點而著稱［1-2］，并作為重要的輕合金材料廣泛應用于各行各業，小到飲料罐和包裝食品的箔材制造，大到汽車車門和飛機蒙皮機翼的制造［3-5］。但是在實際工程應用中，鋁合金的焊接難題卻限制了鋁合金在輕量化之路的進一步發展。傳統的焊接方法在焊接鋁合金時，由于鋁合金的高熱導率、高導電率和高膨脹系數容易出現氣孔、裂紋等焊接缺陷［6-7］，并且熔化極氣體鎢極氬弧焊（GMAW）焊接中厚板鋁合金時，需要開坡口及多層多道焊，降低了焊接效率，提高了生產成本。此外，高的熱輸入導致了嚴重的焊接變形，并且降低了焊接質量［8］。

激光焊接（LBW）雖然以大熔深，低熱輸入而著稱［9-11］，但是在焊接鋁合金的過程中，存在較大的局限性。鋁合金表面具有較高反射性，傳統激光焊接時，激光束與法線之間有一定的夾角，避免損壞光學系統，從而降低了加工效率。但現有的激光頭通過設計可避免反射光對激光器的損傷［12］。高的熱導率和低的黏度使激光焊接時易出現凝固裂紋［13］，并且焊接時易出現氣孔及合金元素蒸發，造成冶金調控能力較差［14-16］。此外，由于激光束斑點較小，裝配精度要求極高，造成焊前準備時間過長，降低了焊接效率。上述困難的存在，促進了激光-電弧復合焊在鋁合金焊接領域的發展。

激光-電弧復合焊接作為一種結合激光焊接與電弧焊接兩種不同熱源的焊接方法，自20世紀70年代末被英國帝國理工學院Steen教授［17］提出，經過不斷發展，廣泛應用于航空航天、軌道交通、船舶運輸、油氣管道、汽車制造等工程機械領域［3-5，18］。該方法在原理上結合激光和電弧兩種不同熱源的物理特性，成功實現1+1＞2的作用，克服了激光焊接與電弧焊接的部分缺點［10］，具備大的焊接熔深、高焊接效率，高的焊接適應性等優點［19-20］。

激光-電弧復合焊接鋁合金既可以獲得大的焊接熔深，又可以降低裝配精度，減少制造時間，且電弧還具備清理鋁合金表面氧化層的作用［21］。該領域的研究進展雖有報道，但是時效性不強，多為定性分析，傳統的統計方法對于該領域的研究也稍顯淺薄，因此本文通過文獻計量學的方法對激光-電弧復合焊接領域進行了定量分析，通過檢索Web of Science（WoS）數據庫1995—2021年中的鋁合金激光-電弧復合焊接領域的學術論文，進行對關鍵詞的定量分析，了解鋁合金激光-電弧復合焊接領域現狀。

依據文獻計量學結果，本文從焊接接頭、微觀組織、熱影響區、力學性能、激光與電弧的相互作用、在線監測手段及新型激光技術的應用對鋁合金的激光-電弧復合焊接的研究現狀進行了全面的總結與分析，介紹了最新的發展和取得的成果，并展望了鋁合金激光-電弧復合焊接未來的發展。對了解其研究熱點、前言知識及研究差距具有重要意義。

1 文獻計量學分析

1.1 方法

通過使用VOSviewer可視化工具對Web of Science （WoS）數據庫進行計量學分析，檢索策略為：TS=（laser arc hybrid weld* or laser hybrid* or hybrid laser arc weld*） and （aluminum alloy* or Al or Al alloy*）。在去除無用詞和重復詞后，對關鍵詞進行定量分析。

1.2 年出版量

圖1顯示了1995—2021年期間激光-電弧復合焊接領域論文數量和被引頻次，1999年之前，論文數量很少，自1999—2019年，論文數量急劇增長，2020年和2021年略有下降，被引頻次逐年增長。可見該領域一直是全球研究熱點，且有很大的分析探索空間。

圖1 基于WoS數據庫的1995—2021年激光-電弧復合焊年度出版物量和被引頻次Fig.1 Annual publication volume and citation frequency of laser-arc hybrid welding during 1995—2021 based on WoS database.

1.3 關鍵詞分析

論文中的關鍵詞對研究型論文非常重要，往往反映文章主題。通過檢索論文關鍵詞可以在一定程度上把握研究熱點。圖2顯示了激光-電弧復合焊接領域的關鍵詞的可視化疊加，不同顏色對應關鍵詞平均發表時間，顏色越接近黃色，發表時間越晚；顏色越接近紫色，發表時間越早。其中，圓圈的大小代表關鍵詞重復的數量。圓圈大小越大，該關鍵詞出現的次數越多。曲線表示關鍵詞之間的聯系。研究熱點在不同時間段有所不同，2014年，復合焊接過程和電弧等離子體是研究熱點；2016年，研究熱點集中在焊接接頭、微觀組織，氣孔上；2018年及以后，研究熱點開始轉向力學性能、數值模擬及在線檢測等方面。

圖2 基于WoS數據庫（1995—2021）的激光-電弧復合焊接關鍵詞的重疊可視化Fig.2 Overlay visualization of the keywords on the laser-arc hybrid welding based on the WoS database （1995—2021）

表1列出了基于WoS數據庫的鋁合金激光-電弧復合焊接領域已發表論文中的前6個關鍵詞。由此可見，鋁合金激光-電弧焊接領域中，焊接接頭、微觀組織、熱影響區、力學性能是激光-電弧復合焊接的主要研究方向，鋁合金和激光與電弧相互之間的耦合作用也是重要的研究領域。

2 分析與討論

2.1 焊接接頭

依據電弧焊接的不同方式，激光-電弧復合焊接具體又分為激光-GMAW復合焊接、激光-GTAW復合焊接、激光-等離子弧（PAW）復合焊接等，本文具體討論電弧類型為射流式的GMAW。

對接接頭與T形接頭常用于鋁合金的激光-電弧復合焊中［22-24］，搭接接頭也可用于激光-電弧鉚焊中［24］。鋁合金激光-電弧復合焊接過程中常采取上述焊接接頭形式，并使用有限元模擬的手段對相應工藝進行指導和驗證。2009年，Simone等［24］成功將熱成像技術和有限元模擬結合應用到鋁合金T形接頭復合焊中，發現了模擬溫度與測量溫度的一致性和電源效率值與通用值的一致性。2014年，Atabaki等［23］通過數值模擬優化焊接參數，成功獲得了6061和5456的厚板T形接頭。2020年，Wang等［25］采取搭接接頭的方式成功焊接了鋁合金與碳纖維增強聚合物（CFRP）。

2.1.1 宏觀形貌

鋁合金復合焊接時，通常板厚較小，對接焊時常無需開坡口，特殊情況下，需要單面或雙面開坡口，且該工藝裝配間隙的適應性較高。鋁合金復合焊接頭截面形狀一般呈現為“高腳杯狀”或“錐形狀”［26］，受激光與電弧熱源復合的作用，焊縫上部為寬的“電弧區（AZ）”，焊縫下部為窄的“激光區（LZ）”。不同板厚及不同工藝的鋁合金激光-電弧復合焊接頭宏觀形貌如圖3所示，板厚較小時，激光區并不明顯；板厚較大時，二者區分顯著。

圖3 鋁合金激光-電弧復合焊接頭宏觀形貌［27-29，30-35］Fig.3 Macroscopic morphology of Al alloys LHAW joint［27-29，30-35］

如圖3所示，不同鋁合金激光-電弧復合焊接頭的宏觀形貌無明顯差異，可見合金元素對接頭形貌影響不大。薄板焊接，接頭成形良好，如圖3（b）、圖3（c）。激光-電弧復合焊可以在高速焊接保持良好的接頭宏觀形貌（圖3（b）），在焊接速度為7 m/min時，平均氣孔面積分數僅為（0.08±0.001）%，顯著強于高速激光焊接［27］。中厚板焊接時，Miao等［28］發現氣孔率與焊接電流有關，當電流足夠大時（I=190 A），可以獲得無氣孔的焊縫。但這會明顯降低焊縫韌性，并且余高明顯。如圖3（h）所示，這是因為大的焊接熱輸入造成焊縫晶粒尺寸變大，晶粒組織粗化，易產生和擴展裂紋，使得焊縫韌性降低。厚板焊接時，截面形狀多為“Y”或“V”形，Zhang等［29］認為優化工藝參數后，可以變成“V”形，如圖3（d）-3（f）所示，增加了底部的熔寬從而抑制了激光區氣孔的出現。超過10 mm厚的鋁合金板激光-電弧復合焊接由于焊接缺陷與接頭強度低應用較少，一般采用雙面焊接的方法，如圖3（g）所示，Jiang等［36］通過雙面激光-電弧復合焊成功焊接了30 mm的5083鋁合金，并發現裝配間隙與坡口角度會加劇焊縫咬邊與未填滿，需要通過蓋面的MIG焊接來消除缺陷。

工藝參數對接頭宏觀形貌起到決定性作用，2015年，Ola等［37］報道，氣孔率、氣孔尺寸和焊縫深寬比隨激光功率增大而增大，不同熱源引導方式對氣孔率的影響不同，焊接電流的增大有助于消除氣孔，但是增加到300 A時，焊縫變得崎嶇不平，且有咬邊存在［28，30］。在純氬保護氣中，He的加入，可以增加焊縫表面的光亮度，使激光區更加明顯；與之相反，CO2的加入，會降低焊縫表面光潔度，使電弧區更明顯。這是由于CO2高溫下分解生成O原子，進入熔池后，使表面張力系數小于0，將傳統的熔池向四周流動的方向變成熔池向內部流動［17］，加上增加了熔池的流動，從而形成深而窄的電弧區。激光-GMAW復合焊中，焊絲干伸長的增加，導致焊縫熔寬增加，焊接熔深減小，尤其是焊絲干伸長超過12 mm［38］之后，熔深急劇減小，飛濺增加，電弧穩定性降低。

此外，實際工程應用中外部因素的干擾也會對接頭造成極大的影響，合理地選擇接頭的裝配間隙是要考慮的重要方向。張國瑜［39］復合焊接AA6082鋁合金時，發現隨裝配間隙的增加，焊縫熔寬開始減小。裝配間隙小于0.1 mm時，熔融金屬下滲到焊縫底部，接頭成形良好，裝配間隙繼續增大到0.5 mm，激光能量從間隙處散射，導致焊接熱輸入量減小，接頭成形較差。

2.1.2 接頭缺陷

焊接缺陷是制約接頭性能的重要因素，依據GB/T 6417—1986《金屬熔化焊焊縫缺陷分類及說明》，本文將鋁合金激光-電弧復合焊中常見的焊接缺陷、危害及對應的解決措施列入表2，其中接頭的組織成分不均勻性，即偏析也歸入了缺陷中。

表2 鋁合金激光-電弧復合焊接頭常見缺陷Table 2 Common defects in LHAW joints of Al alloys

復合焊中的氣孔與其余焊接方法有所不同，該氣孔分為冶金氣孔和工藝氣孔，前者由鋁的強吸氫能力導致，后者由于激光小孔易塌陷導致，且材料越厚，小孔越不穩定。但是激光-電弧復合焊的焊縫中氣孔的數量及尺寸都要遠小于激光焊接的焊縫中的氣孔［44］，總結后發現減少氣孔的機理如下：

（1）電弧壓力的存在，使熔池內部渦流速度加快，攪拌熔池，從而加快氣體的逸出速度；

（2）復合焊接形成的熔池較激光焊的熔池下凹，從而縮短氣體逸出距離；

（3）復合焊熔池上部的電弧區增大了氣體逸出范圍；

（4）熱輸入的增大延長了氣體逸出的時間。

此外，熔融金屬的凝固速率和填充速率、氫或水分的存在［13，30，37］也會影響焊接接頭中氣孔的形成。

復合焊接過程中也極易出現熱裂紋，有明顯的沿晶斷裂的特征。這是因為鋁合金晶粒在結晶后期，柱狀晶體相互交遇，將低熔點共晶擠壓到中心部位，形成了割裂晶粒聯系的液態薄膜，在外部條件產生的拉應力作用下，造成了熱裂紋的形成。

熱裂紋的出現，會影響焊接接頭的塑性，嚴重時會導致焊縫開裂，解決措施除了優化工藝參數外，還可以采用以下兩種方法。

（1）向焊縫或母材中加入細化晶粒的元素，如Mo、V、RE等。不同系鋁合金在凝固過程中裂紋敏感性差異較大，Liu等［54］通過數值模擬的方法，對比研究了多種二元鋁合金在凝固過程中合金相圖、T-fs曲線及裂紋敏感性曲線，發現Al-Sn合金的裂紋敏感性高，這是因為該合金凝固過程中延遲了抵抗開裂的晶粒橋接。加入細化晶粒的元素，既可以增大晶界的面積，又能改變柱狀晶的生長方向，減少雜質的偏析傾向，使液態共晶薄膜難以連接，可以抵抗開裂。

（2）使用鋁硅焊絲進行焊接。Kou［55］考慮到發生裂紋的晶界，認為在拉伸應變下晶粒彼此分離導致開裂；晶粒彼此相互生長以橋接在一起以抵抗開裂；晶界之間流入液體可以抵抗開裂。鋁硅焊絲焊接中，形成較多的Al-Si共晶組織可在已經凝固的晶粒間自由流動，填充了拉引力造成的晶粒間的縫隙，防止熱裂紋的出現。

目前，對鋁合金激光-電弧復合焊接頭的宏觀形貌和焊接缺陷研究較多，且集中于接頭軟化和氣孔問題，大多采用優化工藝來解決缺陷。未來應加入有限元數值模擬手段來擴大工藝窗口，從而提高焊接效率。

2.1.3 接頭連接效率

圖4總結了激光功率對鋁合金激光-電弧復合焊接頭連接效率的影響，這里連接效率是接頭極限抗拉強度與母材區極限抗拉強度之比。依據參考結果，隨激光功率的增加，接頭的連接效率增加，但六、七系鋁合金受限于合金元素的差異，略有所不同。大多數鋁合金復合焊后接頭連接效率可達70%以上，但經過焊后熱處理（PWHT），顯著提高連接效率，可達85%～98%［56-58］，強化機理見2.4.1節。拉伸斷裂的位置往往代表接頭塑性最差的區域，需要引起重視，焊縫區（WZ）和熔合區（FZ）是接頭的薄弱區域，是裂紋源萌生的區域，而母材（BM）幾乎未出現斷裂，在未來實驗中需要進一步探討如何提升復合焊接頭的連接效率與避免WZ與FZ的斷裂。

圖4 激光功率對鋁合金激光-電弧復合焊連接效率的影響［27， 32-35， 56-73］Fig.4 Effect of laser power on the joint efficiency of LAHW joints of Al alloys［27，32-35，56-73］

2.2 微觀組織

鋁合金復合焊接頭一般由WZ、FZ、熱影響區（HAZ）和BM組成，接頭的IPF圖像如圖5所示，其中焊縫中心處多為等軸晶，這是基于該處高的凝固速率R和低的溫度梯度G；與之相反，母材處多為外延生長的柱狀晶和胞狀晶；靠近熔合線附近出現柱狀晶［34，59-60］。鋁鋰合金略有不同，其接頭處可以形成等軸晶區（EQZ），靠近熔合區的一側也會形成等軸晶粒，這與Zr、Li有關［61，76］，焊接過程中形成Al3Zr、Al3Li可以促進異質形核，從而形成這種特殊現象。鋁合金由于生產方法、熱處理及合金元素的不同，晶粒尺寸有所不同，大約在10～50 μm之間［77］，其中LZ由于熱輸入較低，晶粒尺寸低于AZ，如圖5所示，前者平均晶粒尺寸為14.4 μm，后者為20.2 μm［78］，熔合區發生晶粒粗大現象，晶粒尺寸為（66±57） μm，母材為（10±9） μm［75］。

圖5 合金接頭IPF圖［74-76］Fig.5 IPF images in joints of Al alloys［74-76］

鋁合金在激光-電弧復合焊后，微觀組織變得非常復雜，合金元素和加工路線的不同也造成焊接后析出相不同，具體如表3所示，從而導致面臨的焊接問題不同。依據表3可知，不同鋁合金復合焊后熱裂紋、接頭軟化和氣孔問題最為嚴重，其解決措施具體參照表2。

表3 不同鋁合金激光-電弧復合焊析出相及焊接問題Table 3 Precipitated phase and problems of different Al alloys LAHW

復合焊中工藝參數對微觀組織有顯著的影響。其中，激光功率是非常重要的一個參數，它制約著激光在工件的能量傳輸模式，功率密度較低（≤106W/cm2）為熱導焊模式，激光能量只被工件表面吸收；功率密度較大（≥106W/cm2）為深熔焊模式，會產生激光小孔［38］。2014年，Casalino等［31］報道隨著激光功率的增加，出現樹枝狀晶粒，枝晶的生長會受到偏析的影響。2020年，Yang等［61］發現當激光功率增大，晶粒變粗大，析出相減少。綜上所述，激光功率的增大導致熱輸入增加，熔池在高溫停留時間和凝固時間增加，液態金屬流動性增加，從而造成了微觀組織發生較大變化。

焊接電流對微觀組織的影響規律與激光功率相似，但Leo等［83］研究了能量分布對激光-電弧復合焊AA5754的影響，認為當電弧功率占主導地位時，平均晶粒尺寸變化高于以激光功率占主導地位的接頭，焊接電流增大時，電弧區寬度也增大。其余工藝參數對微觀組織的影響并不明顯。

微觀組織一般決定力學性能，鋁合金激光-電弧復合焊接頭的微觀組織研究較為成熟，但在組織演變方面尚有進一步探索的空間，還有如何抑制異種鋁合金和鋁合金與異種金屬連接接頭的脆性金屬間化合物（IMC）的形成與生長，需進一步深入系統研究探討。

2.3 熱影響區

熱影響區（HAZ）受到母材金屬化學成分與焊接熱循環的作用，組織與性能極其不均勻，一般寬度為0.5～20 mm，本文單獨進行研究。大多數研究發現，鋁合金復合焊接頭多數在HAZ或焊縫區斷裂，這是因為焊接過程中，HAZ在高溫下，容易出現液化晶界，拉應力作用下，容易開裂。HAZ會發生軟化現象，各系鋁合金在復合焊后，HAZ硬度都有所降低，如表4所示，這與HAZ的微觀組織有關，其一般為等軸枝晶、等軸晶與柱狀晶，如圖5所示，HAZ的平均晶粒尺寸為（12±10） μm［75］，此外，鋁合金高的反射率和高導熱性迫使焊接熱輸入增加，從而可能導致HAZ軟化［13］。

表4 鋁合金激光-電弧復合焊HAZ的微觀組織及顯微硬度Table 4 Microstructure and microhardness in LAHW HAZ of Al alloys

如何解決HAZ軟化問題在激光-電弧復合焊接領域一直是一個極大的挑戰，常用的方法是通過成分控制和工藝參數的調整來緩解HAZ的軟化。前者可以通過在焊絲成分中增加Mg的含量，或使用ER5356等焊絲來緩解HAZ軟化［31，62］，由于鋁鎂合金通常在加工硬化條件下連接，因此通過選擇在退火條件下具有良好強度的合金來抵消硬度損失。后者適當增加R值（PL/PMIG）［57］和進行焊后熱處理［13，35］來緩解HAZ軟化。前者通過增加HAZ的凝固速率細化晶粒，但R值過大，使凝固速率過大，會出現凝固裂紋。后者作用較為復雜，對鋁鎂合金，PWHT既可以促進Mg固溶體的強化和細化晶粒，溶解含鐵金屬件化合物及可溶性顆粒（Mg2Si、Mg2Al3）來提高硬度，還可以降低鎂元素的偏析，從而緩解HAZ軟化。對其余鋁合金，PWHT可以促進加工硬化組織的恢復，促進第二相強化作用，從而平衡甚至抵消接頭區域硬度的損失。

2.4 力學性能

2.4.1 顯微硬度

表4總結了不同鋁合金接頭HAZ和BM的顯微硬度，其中HAZ不僅會發生硬度損失，而且硬度分布極不均勻，波動較大。復合焊接頭硬度曲線大多呈現“M”形，BM硬度最高，HAZ次之，WZ最低。諸多研究表明，HAZ與WZ軟化有以下原因：一是合金元素（Mg、Zn）的蒸發［67］；二是焊接熱循環導致部分強化相溶解和聚集粗化，導致強化相減少，降低了強化效果［45］；三是晶粒尺寸的粗大，降低了細晶強化效果。Yan等［46］分別從固溶強化、第二相強化、細晶強化等方面解釋了鋁鎂合金接頭強度與硬度損失的原因，并討論了Pelerls應力對鋁合金這種FCC結構金屬的影響，更好地論證了上述的3個原因。他認為Pelerls應力對FCC結構的金屬影響極小，可以忽略；鎂元素（沸點為650 ℃）的蒸發降低了固溶強化的效果；溫度超過480 ℃，AlMn和Cr2Mg3Al18的溶解降低了第二相強化的效果；依據Hall-Petch公式，晶粒尺寸的增大會降低細晶強化的效果。

2.4.2 拉伸性能

不同功率分布的復合焊接頭的抗拉強度與伸長率如圖6所示，對比于母材，接頭的抗拉強度與伸長率都有所下降，優化參數（試樣4）可大幅提升接頭力學性能，但工藝窗口過窄，還需進一步深化研究。Casalino等［31］還通過增量鉆孔法測量了靠近HAZ的殘余應力，發現降低焊接熱輸入有利于減小殘余應力。

圖6 AA5754鋁合金激光-電弧復合焊接頭的力學性能［31］Fig.6 Mechanical properties of the LAHW joints of AA5754 Al alloys［31］

圖7提供了激光-電弧復合焊接不同鋁合金的極限抗拉強度與延伸率的關系，其中，五系鋁合金的拉伸性能變化也很大，說明加工路線對其影響較大。如前文所述，PWHT也可以進行固溶強化。2006年，Hu等［56］則對AA7075的焊后接頭放入480 ℃鹽浴中浸泡2～60 min，然后淬火至室溫，獲得了提高54%抗拉強度的接頭，可以實現顯著的強度恢復。2015年，Leo等［57］對復合焊后的AA5754鋁合金加熱到350 ℃，保溫20 min，然后空冷，發現抗拉強度相較未處理前提高了19%。

圖7 不同鋁合金激光-電弧復合焊的極限抗拉強度與延伸率的關系［27，30，35，44，47-54］Fig.7 Ultimate tensile strength vs fracture elongation of LAHW joints of different Al alloys［27，30，35，44，47-54］

另一個提高抗拉強度的新策略是使用振蕩掃描激光-電弧復合焊（OLAHW），激光束振蕩可以通過抑制焊縫的氣孔來提高強度。2022年，Hu等［87］通過將磁場加入OLAHW后的AA7050鋁合金焊縫中，獲得470 MPa的抗拉強度，較普通LHAW提高了20%，也略大于攪拌摩擦焊（FSW）的抗拉強度（450 MPa），該方法可以破壞細等軸晶區的分布，通過彌散強化的方式達到目的。

2.4.3 疲勞性能

疲勞性能對復合焊接接頭至關重要，尤其是在循環加載焊接結構的工業領域，如高速車體、船舶海上結構及航空航天領域［64，69］，疲勞強度可以來衡量該方法在工業應用上的可行性，大多數鋁合金的疲勞強度在110～120 MPa［32，60，62，64，69］。鋁合金接頭氣孔、裂紋等缺陷會降低高周疲勞壽命和加速疲勞裂紋擴展，為解決該問題，2015年，Wu等［67］提出激光沖擊復合接頭與打磨接頭兩種措施，如圖8（b）所示，大幅度提升了接頭的疲勞壽命，前者通過抑制表面的殘余應力，后者通過消除焊趾間的表面裂紋來提高疲勞壽命。疲勞斷裂方面，如圖8（a）所示，顯示有大量疲勞條紋，研究表明，疲勞條紋間的距離等于一個周期疲勞裂紋的增長率，該距離通常隨施加載荷的減小而減小，其物理意義即疲勞裂紋擴展速率的減小［62］。

圖8 鋁合金激光-電弧復合焊接頭疲勞性能［32，66］Fig.8 Fatigue properties of LAHW joints of Al alloys［32，66］

2.5 激光與電弧的相互作用

激光與電弧的相互作用對焊接質量具有顯著的影響。LBW的焊接速度（＞1.0 m/min）遠遠高于傳統弧焊的焊接速度（0.4～0.5 m/min），高的焊接速度下，傳統弧焊由于陰陽極斑點的漂移，造成焊接質量較差［88］。而電弧與激光結合后，在相同焊速下焊接質量與焊縫形貌都較好［61］。

激光與電弧的相互作用主要有以下幾點［89-93］：

（1）激光將電弧引入激光小孔，為電弧提供穩定的陰、陽極斑點，限制電弧；

（2）激光深熔焊中，存在多重菲涅爾反射吸收和韌致輻射逆過程吸收的能量傳輸機制，復合焊中，激光可以更好地吸引和壓縮電弧，如式（1）所示；

（3）電弧等離子體同樣會吸收激光，大幅度衰減激光能量，其“負透鏡效應”會偏析及散焦激光；

（4）激光誘導等離子體的電阻低于電弧誘導等離子體的電阻，二者相互作用時，由于激光等離子體的大量電離粒子進入電弧，降低了電弧的電阻，依據最小電壓原理，這可以提高電弧電流，從而壓縮電弧體積，降低對電弧周圍環境的熱輻射；

（5）激光誘導等離子體相比電弧等離子體，有更高的溫度及粒子密度，二者相遇時，激光誘導等離子體的粒子進入電弧等離子體中，因此激光誘導等離子體被稀釋，降低了激光誘導等離子體對激光的聚焦效應。

式中，η為電阻率，e為電子電荷，m為電子質量，kB為玻爾茲曼常數，庫侖對數lnΛ取10，Te為電子溫度。激光照在熔池處，溫度可達20 000 K，依據式（1）其電阻率約為室溫（300 K）的1/544，此時電弧發生明顯偏轉，電弧中心溫度陡升，當該處溫度與周圍環境溫差較大時，電弧收縮強烈，從而集中了電弧的能量，增大了焊縫熔深。此外，電弧等離子體伸入激光小孔，對激光小孔內壁施加壓力，從而增加了熔池表面液態金屬的表面張力，電弧壓力和增加的表面壓力都可以阻止激光小孔塌陷［90］。

光絲間距（DLA）對激光與MIG電弧復合的相互作用也有重要影響，它制約著兩種熱源的耦合作用。高明［38］研究了DLA對熔化能量的影響，當DLA小于或近似等于電弧等離子體半徑時（一般DLA＜4 mm），激光等離子體與電弧等離子體相互作用，稱之為復合焊接，如圖9（a）所示，當DLA大于電弧等離子體半徑時（一般DLA＞4 mm），二者通過預熱機制來影響，稱之為組合焊接，如圖9（b）所示。復合焊接具備獨有的協同效應，擁有共同的熔池，因而更加常用。激光-電弧復合焊常用工藝參數見表5。張國瑜［39］報道激光-MIG復合焊接2 mm厚的AA6082鋁合金，光絲間距為1.5 mm時，焊縫成形質量最高。

表5 激光-電弧復合焊常用工藝參數Table 5 Common process parameters for LAHW

圖9 激光與MIG電弧相對位置示意圖Fig.9 Schematic diagram of relative position of laser and MIG

電弧與激光的相對位置也對熱源的相互作用有顯著影響，如圖9所示。本文規定激光引導復合焊的方法稱為LAHW，電弧引導復合焊的方法為ALHW。5083鋁合金LAHW和ALHW的宏觀形貌、等離子體行為及熔體流動如圖10所示，兩種工藝下氣孔敏感性、微觀組織和力學性能的對比見表6。

表6 不同的引導方式激光-電弧復合焊接5083鋁合金對比［35］Table 6 Comparison of LAHW of 5083 Al alloys with different welding direction［35］

圖10 GMAW-激光復合焊與激光-GMAW復合焊對比［34］Fig.10 Comparison of ALHW and LAHW［34］

LAHW相較于ALHW，穩定的熔滴過渡及電弧穩定性，以及電弧在后的陰極霧化作用，使得焊縫光潔明亮，飛濺很少，氣孔敏感性低。而且熔池的內流動模式可以更好地傳遞熔融金屬到熔池后面，較強的攪拌作用使得形核更加均勻、得到更大尺寸的等軸晶及第二相顆粒。更少的氣孔及Mg的損失、更多的分布均勻的第二相顆粒以及高密度位錯的形成提高了接頭的力學性能［34］。

2.6 激光-電弧復合焊接過程在線監測

基于應用行業對高質量產品及提高生產效率的需求，以光、電、熱、聲、視覺信號的在線監測手段得到了廣泛的研究，尤其是單激光焊接相關的質量檢驗技術發展非常成熟［95］，但現階段基于光電信號的激光-電弧復合焊接監測手段研究較少，發展較慢，特別是在鋁合金領域。這是因為復合焊接中，受弧光、熔滴、飛濺及金屬蒸氣的干擾，難以提取到合適視覺信號及特征［96-97］。

特征與焊接缺陷緊密相關，通過對特征的提取，可以有效地進行缺陷的判定及質量評估。例如，通過焊接中的條紋圖像，結合熔池邊界變化，可有效分析復合焊咬邊的產生［98］，同時可以分析熔滴過渡的變化［99］；通過提取分析電流、電壓等參數，對電弧感興趣區域（ROI區域）、金屬蒸氣變化曲線進行頻譜分析，可有效監測復合焊接過程中的穩定性［100-102］。

在線監測系統搭建的過程中常使用紅外熱成像儀及工業高速相機等儀器，其設備裝置如圖11所示。紅外熱成像技術［103］利用福祿克RAYPi20HTRC紅外熱成像儀獲取熔池圖像，利用軟件處理，依據溫度梯度分布來識別判定焊接缺陷，通過算法來進行質量評估，最后生成記錄。軟件方面，主要以Labview軟件為編程平臺，使用圖形化的G語言進行編程。其中，楊翰文［95］使用CMOS相機采集電弧、熔池及焊縫圖像，提取電弧幾何參數，使用Labview軟件，依據電壓穩定性為判據，以熔寬為依據實現復合焊下塌缺陷及焊偏現象的判斷。馬堯睿等［104］對鋁合金激光-電弧復合焊接進行在線監測，基于Labview軟件，采集光信號和電信號，進行濾波細化，用算法去除分叉后，將計算值與實測值進行對比，準確度可達96.5%。

圖11 激光-電弧復合焊接在線監測平臺示意圖［97］Fig.11 Schematic diagram of online monitoring platform for LAHW［97］

復合焊過程中，熔寬與其他特征相結合可對焊接質量進行有效監測，熔寬檢測逐漸成為研究熱點［105-106］，因而，BP神經網絡及深度學習算法開始廣泛應用于復合焊過程監測中。劉秀航等［96］研究了基于BP神經網絡的卡爾曼濾波算法的新型熔寬檢測方法，并使用該方法降低了4.4%的熔寬誤差。Ye等［107］構建了ATT-LSTM（Attention-Long Short Term Memory）預測模型來預測焊后熔寬，精確度相較于傳統方法得到了極大的提升。

2.7 新型激光及激光頭在復合焊的應用

激光-電弧復合焊接在鋁合金的焊接上具備獨特的優勢，但工藝參數復雜繁瑣，工藝優化過程中極其耗時耗力。基于大量的該類復合焊接的研究，發現激光小孔的穩定性是高質量焊接的最重要因素［13］，但關于激光小孔的流體動力學復雜。為此，眾多新型的激光、激光頭及復合技術應用到激光-電弧復合焊中。

2.7.1 藍光激光

不同金屬對激光的吸收有較大區別，其中藍光激光（波長為450 nm）以其更短的波長相比Nd：YAG激光（1 064 nm）、光纖激光（1 070 nm）更具優勢。Hummel等［108］就報道了鋁合金對藍色激光的吸收較高。有色金屬對光的吸收隨波長的增加而減小，尤其是高反射材料（銅、鋁等）。因使用近紅外激光時需要較大的入射光強度，從而在高功率的近紅外激光下熔池中金屬蒸汽噴發，導致飛濺和氣孔，降低接頭的力學性能［109］。此外藍光激光主要應用于銅的焊接及增材制造，鋁合金方面報道較少。肖燕等［110］采用藍光激光對銅雷達電機進行了激光沉積修復，發現Cu-15Sn的修復層硬度和耐磨性都較銅基體有了較大提高。楊永強等［111］通過藍光激光定向能量沉積，打印出了最高相對密度99.10%的零件和薄壁圓筒，其中拉伸強度可達196.55 MPa，斷后伸長率可達26.72%。

2.7.2 同軸雙光斑激光

單光斑激光焊接實際應用中存在部分不足，一方面是激光束斑點較小，裝配精度要求極高，焊接適應性差；另一方面是激光光斑小，能量密度大，深熔焊中小孔易塌陷及熔池波動大，影響焊縫質量。同軸雙光斑激光可有效避免上述問題［112］，實現雙光斑激光一般有兩種方法，一是組合兩束獨立的激光；二是通過透鏡分光，將一束光分成兩束。前者可以組合不同的光束，后者得到的光束質量基本相同。Deutsch等［113］通過組合兩臺Nd：YAG激光器成功焊接了5182鋁合金，發現前置光能量較后置光能量大時，激光小孔更穩定，且使Mg蒸氣充分逸出，降低了焊縫氣孔。Punkari等［114］使用同軸雙光斑激光焊接5754鋁合金時，得到相同規律。綜合大量研究發現，同軸雙光斑激光可以提高焊縫成形質量，降低焊縫氣孔以及提高接頭力學性能。

光斑間距也對激光小孔的穩定性有較大影響。孟圣昊等［115］研究發現，光斑間距小于0.9 mm雙光束之間有較強的耦合作用，與單光束類似，形成深的激光小孔；光斑間距大于1.5 mm時，雙光束之間耦合作用極弱，分開的能量與能量密度均為一半，各自形成的激光小孔寬度及深度較小，熔池形狀寬而淺；光斑間距在此之間時，耦合作用有所減弱，但也與母材相互作用，呈現出垂直方向拉長的激光小孔。

2.7.3 振蕩掃描激光-電弧復合焊接

盡管激光-電弧復合焊接可以通過兩種不同熱源相互作用得到高焊接質量的鋁合金焊縫，但也存在較多難以避免的問題，如氣孔、焊接工藝窗口過窄等。為此，眾多科研人員開始研究一種新型的鋁合金焊接工藝（振蕩掃描激光-電弧復合焊接）。振蕩掃描主要通過兩種形式實現，一是物鏡前振鏡掃描，即激光束先通過振鏡發生偏轉，再通過F-θ透鏡聚焦到工件上，形成掃描軌跡。二是物鏡后振鏡掃描，即激光束先通過動態聚焦系統，再通過振鏡進行偏轉，最后在工件上形成掃描軌跡。

2014年德國激光應用技術研究所［116］首次將掃描激光束與激光填絲焊結合，成功焊接1 mm的鋁合金板，效果較好。王磊［53，117］系統研究了鋁合金振蕩掃描激光-電弧復合焊接，研究了橫向、縱向和圓形不同的掃描模式以及頻率和振幅對焊接工藝及焊縫成形的影響，發現隨著振幅和頻率的增加，焊縫宏觀形貌由高腳杯狀分別向矩形和半圓形轉變，顯著提高了焊接質量，對此，他歸因于振蕩激光束可以增大激光光致等離子體與電弧等離子體相互接觸的面積，驅動了彼此的帶電粒子進行交換，并且提高了焊接工藝穩定性。王磊等［118］還發現在小電流下，氣孔率隨振蕩激光的振幅和頻率的增大而減小，對此，他歸因于高頻振蕩小孔可以“捕捉”熔池和凝固前沿的氣泡；還可以擴大小孔直徑，提高激光小孔的穩定性；振蕩激光束可以攪拌熔池，增加氣體的逸出效果，從而抑制了氣孔的產生。

2.7.4 激光-CMT復合焊接

冷金屬過渡（CMT）具備低熱輸入、無飛濺、電弧穩定、焊縫成形好等優點，其焊接步驟主要有4步：第1步是起弧，焊絲前給進；第2步是熔滴進入熔池，電流開始減小，熄弧；第3步是焊絲回抽，熔滴脫落；第4步是重新起弧，往復進行。激光-CMT復合焊接不僅能極大地提高焊接熔深，還可以保持CMT熱輸入低、焊縫成形好等優點，極其適合薄壁件的焊接［119］及鋁合金焊接。

Wu等［120］成功使用激光-CMT復合焊接帶Nb箔的6 mm厚的A7204P-T4的鋁合金。梅述文等［121］使用光纖激光-CMT復合焊的方法成功連接鋁鋼異種接頭，工藝優化后，可以控制熱輸入低于110 J/mm，金屬間化合物厚度為3～8.5 μm，抗拉強度達到鋁合金母材的80%左右。Zhang等［122］在使用激光-CMT復合焊接AA6061鋁合金時發現相較于傳統激光-MAG復合焊，飛濺顯著較少。對此，他歸因于CMT短路過渡的形式，減少了熔滴對熔池的沖擊，避免了激光與電弧兩種熱源的相互干擾。

3 結語

激光-電弧復合焊接綜合了電弧和激光兩種不同熱源的優勢，具備高焊接效率、高焊接質量和高焊接穩定性的特點，經過多年的發展，研究學者對其有了深刻的認識。本文依據文獻計量學，從焊接接頭、微觀組織、力學性能等方面對其進行了綜述，得出了以下幾點結論。

（1）激光-電弧復合焊接鋁合金常采用對接、搭接或T形接頭，對接接頭截面形狀一般呈現為“高腳杯狀”或“錐形狀”。接頭缺陷多為熱裂紋、氣孔、咬邊和合金元素蒸發等。

（2）焊縫中心及靠近熔合區處多有等軸晶出現，伴有明顯的細等軸晶區，母材區多為柱狀晶和胞狀晶。HAZ晶粒復雜，由等軸枝晶、等軸晶與柱狀晶組成，是接頭的薄弱區域，析出相的不同也導致不同鋁合金的晶粒形態有所差異。

（3）鋁合金激光-電弧復合焊對接接頭的顯微硬度波動較大，整體呈現“M”形，不同鋁合金抗拉強度及斷后伸長率差異較大，疲勞強度集中在110～120 MPa，焊后熱處理可以極大地緩解鋁合金復合焊接頭軟化問題，且能提升接頭的連接效率到90%以上。

（4）激光與電弧兩種熱源的相互作用主要是由于激光光致等離子體與電弧等離子體因性能差異較大而發生的相互作用，利用二者的耦合作用可以更好地實現大的焊接熔深和高的焊接效率。

目前，許多學者對鋁合金的激光-電弧復合焊接進行了深入的研究，取得了豐碩的成果，但依舊存在不足，為擴大LAHW技術在鋁合金領域的應用，還需從以下幾個方面進行系統的研究。

（1）針對鋁合金窄間隙厚板焊接，存在接頭氣孔嚴重的問題，通常需要采取大電流的方法來緩解，但又會造成焊接熱輸入過大，焊縫晶粒粗化，犧牲焊接接頭的韌性，還會出現側壁焊接未熔合的問題。如何抑制鋁合金厚板焊接接頭氣孔率，提升接頭韌性以及解決窄間隙厚板焊接側壁熔合不良問題，是未來激光-電弧復合焊進一步發展的一項關鍵瓶頸。

（2）針對鋁合金激光-電弧復合焊接中氣孔率高、熱裂紋、接頭區域軟化等問題，研究激光-電弧復合焊中焊接過程質量檢測與評估，通過機器學習、數字孿生等手段數值模擬復合焊接過程實時監控與評估，從而優化工藝，推動激光-電弧復合焊智能化發展。這也是激光-電弧復合焊接未來數字化、智能化進程的關鍵一步。

（3）針對激光-電弧復合焊的理論研究及數值模擬還需深入研究，例如激光光致等離子體與電弧等離子體協同作用的解釋方面，還需挖掘許多新的理論來支撐復合焊中的特征。數值模擬方面，研究模型及內容有限，尚不能滿足工業領域的需求，如在兩種熱源相互作用的定量分析及熔池內動力學行為方面未達到充實的研究與證明。

（4）針對激光-電弧復合焊接設備系統集成問題，還需要進一步發展。目前激光-電弧復合焊接設備不僅成本較高，還有設備集成復雜問題。藍光激光、同軸雙斑激光及振蕩掃描激光-電弧復合焊接等新技術還有待進一步發展。