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IJHMT：钛合金窄间隙振荡激光-电弧混合焊接中的小孔稳定性、电弧行为和熔池流动

发布者：日期：2025年10月22日 01:30 点击数：

导读

在本研究中，研究了钛合金窄间隙振荡激光-电弧混合焊接过程中的关键孔稳定性、弧行为和熔池流动，以澄清焊接过程的稳定性。在300 Hz的振荡频率和1 mm的振幅下，成功地获得了低孔隙度的凹形焊缝。与非振荡激光相比，关键孔的开口尺寸约增加了两倍，弧偏转角差异的标准偏差减少了约87.6%。由于激光束振荡的搅拌效应，形成了一个稳定的关键孔，且开口尺寸较大，有利于气泡从关键孔中逸出。更多的激发电子从关键孔中喷发出去，等离子体的温度和密度分别增加了约55.2%。在焊接丝尖和槽底中心之间形成了一个增强的电流通道。因此，弧稳定地烧蚀在槽底，可以同步熔化槽底并抑制锐角和未熔合现象。由于液态金属沿着圆形路径有序流向后熔池，飞溅液滴的冲击得到了缓解。结果，接近关键孔的液态金属波动较小，表明关键孔的稳定性得到了增强。此外，由于液态金属对整个凝固区中树枝晶的强烈扰动，树枝晶被破碎，生成了更多的等轴晶。

主要图表

图1.窄间隙振荡激光-电弧混合焊接系统：(a)实验装置与光束振荡模式；(b)焊接保护装置；(c)用于观察焊道的“三明治”结构。

图2.振荡频率对焊缝形成的影响：(a)-(e)分别为振幅1毫米、频率0、150、300、450和600赫兹的振荡情况；(f)对应焊缝形成参数。

图3.振荡振幅对焊缝形成的影响：(a)-(e)为300Hz振荡频率下0、1、2、3、4mm振荡振幅对应的焊缝形成参数；(f)为对应焊缝形成参数。

图4展示了不同振荡参数下的激光能量分布：(a)非振荡激光；(b)-(c)分别为振幅1毫米、频率300赫兹和600赫兹的振荡激光；(d)-(e)分别为振荡频率300赫兹、振幅2毫米和4毫米的振荡激光。

图5.不同振荡参数下的孔隙度分布：(a)振荡振幅为1mm，振荡频率分别为0、150、300、450和600Hz；(b)振荡频率为300Hz，振荡振幅分别为0、1、2、3和4mm。

图6.微观结构特征与晶粒尺寸：(a)非振荡激光；(b)振荡激光；(c)晶粒尺寸；(d)-(e)非振荡激光的EBSD结果；(f)-(g)振荡激光的EBSD结果（A=1毫米，f=300赫兹）。

图7.键孔在不同频率和1毫米振幅下的行为与尺寸：(a)0 Hz；(b)300 Hz；(c)600 Hz；(d)键孔尺寸。

图8.300Hz频率下不同振幅的气孔行为与尺寸：(a)0mm；(b)2mm；(c)4mm；(d)气孔尺寸。

图10.电弧在不同振荡频率和1毫米振幅下的行为：(a)0 Hz；(b)300 Hz；(c)600 Hz；(d)电弧偏转角度。

图11.300 Hz频率下不同振幅的电弧特性：(a)0 mm；(b)2 mm；(c)4 mm；(d)电弧偏转角。

图12.等离子体光谱结果：(a)钛合金窄缝激光-电弧混合焊接的典型等离子体光谱；(b)等离子体温度与密度.

图13.弧形激光束振荡机制示意图：(a)非振荡激光；(b)振荡激光（频率f=300 Hz，振幅A=1 mm）；(c)-(d)振荡激光振幅达4 mm。

图14振荡激光搅拌效应示意图：(a)窄间隙熔池流动模型；(b)不同振荡参数下的雷诺数变化。

图15.不同振荡频率下熔池流动情况（振幅1毫米）：(a)-(b)0 Hz；(c)-(d)300 Hz；(e)-(f)600 Hz。

图16.不同振幅下熔池流动示意图（振荡频率300 Hz）：(a)-(b)0 mm；(c)-(d)2 mm；(e)-(f)4 mm。

图17.熔池流动与匙孔行为示意图：(a)非振荡激光熔池流动；(b)非振荡激光匙孔行为；(c)振荡激光熔池流动（A=1mm，f=300Hz）；(d)振荡激光匙孔行为。

主要结论

在本研究中，阐明了钛合金窄间隙振荡激光-电弧混合焊接中弧稳定性的机制及弧烧蚀与焊缝形成之间的关系。基于关键孔行为和熔池流动，明确了孔隙率抑制的机制。主要发现如下：

1.在1 mm的振荡幅度和300 Hz的频率下，成功获得了表面形状良好、孔隙率低的凹形焊缝。与非振荡激光相比，中央柱状晶、侧壁柱状晶和等轴晶的尺寸分别减少了约52%、72%和33%。

2.由于激光束的搅拌效应，抑制了焊缝表面隆起的形成，关键孔壁上的表面温度分布更为均匀。金属蒸气的反冲力促进了关键孔的打开，进一步扩大了关键孔的开口尺寸。

3.弧偏转角差异的标准偏差减少了约87.6%。由于激光诱发的更多激发电子从关键孔喷发，形成了一个增强的电流通道。弧能同步熔化槽底，抑制了锐角和未熔合现象的形成。

4.形成了一个涡流，液态金属沿着圆形路径有序地流向后熔池。这有助于缓冲飞溅液滴造成的冲击，并减弱液态金属对关键孔的扰动。

主要信息

Keyhole stability, arc behavior, and molten pool flow in narrow-gap oscillating laser-arc hybrid welding of titanium alloy

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124922

IJHMT：钛合金窄间隙振荡激光-电弧混合焊接中的小孔稳定性、电弧行为和熔池流动

2025年10月22日 01:30 15次浏览

导读

在本研究中，研究了钛合金窄间隙振荡激光-电弧混合焊接过程中的关键孔稳定性、弧行为和熔池流动，以澄清焊接过程的稳定性。在300 Hz的振荡频率和1 mm的振幅下，成功地获得了低孔隙度的凹形焊缝。与非振荡激光相比，关键孔的开口尺寸约增加了两倍，弧偏转角差异的标准偏差减少了约87.6%。由于激光束振荡的搅拌效应，形成了一个稳定的关键孔，且开口尺寸较大，有利于气泡从关键孔中逸出。更多的激发电子从关键孔中喷发出去，等离子体的温度和密度分别增加了约55.2%。在焊接丝尖和槽底中心之间形成了一个增强的电流通道。因此，弧稳定地烧蚀在槽底，可以同步熔化槽底并抑制锐角和未熔合现象。由于液态金属沿着圆形路径有序流向后熔池，飞溅液滴的冲击得到了缓解。结果，接近关键孔的液态金属波动较小，表明关键孔的稳定性得到了增强。此外，由于液态金属对整个凝固区中树枝晶的强烈扰动，树枝晶被破碎，生成了更多的等轴晶。

主要图表

图1.窄间隙振荡激光-电弧混合焊接系统：(a)实验装置与光束振荡模式；(b)焊接保护装置；(c)用于观察焊道的“三明治”结构。

图2.振荡频率对焊缝形成的影响：(a)-(e)分别为振幅1毫米、频率0、150、300、450和600赫兹的振荡情况；(f)对应焊缝形成参数。

图3.振荡振幅对焊缝形成的影响：(a)-(e)为300Hz振荡频率下0、1、2、3、4mm振荡振幅对应的焊缝形成参数；(f)为对应焊缝形成参数。

图4展示了不同振荡参数下的激光能量分布：(a)非振荡激光；(b)-(c)分别为振幅1毫米、频率300赫兹和600赫兹的振荡激光；(d)-(e)分别为振荡频率300赫兹、振幅2毫米和4毫米的振荡激光。

图5.不同振荡参数下的孔隙度分布：(a)振荡振幅为1mm，振荡频率分别为0、150、300、450和600Hz；(b)振荡频率为300Hz，振荡振幅分别为0、1、2、3和4mm。

图6.微观结构特征与晶粒尺寸：(a)非振荡激光；(b)振荡激光；(c)晶粒尺寸；(d)-(e)非振荡激光的EBSD结果；(f)-(g)振荡激光的EBSD结果（A=1毫米，f=300赫兹）。

图7.键孔在不同频率和1毫米振幅下的行为与尺寸：(a)0 Hz；(b)300 Hz；(c)600 Hz；(d)键孔尺寸。

图8.300Hz频率下不同振幅的气孔行为与尺寸：(a)0mm；(b)2mm；(c)4mm；(d)气孔尺寸。

图10.电弧在不同振荡频率和1毫米振幅下的行为：(a)0 Hz；(b)300 Hz；(c)600 Hz；(d)电弧偏转角度。

图11.300 Hz频率下不同振幅的电弧特性：(a)0 mm；(b)2 mm；(c)4 mm；(d)电弧偏转角。

图12.等离子体光谱结果：(a)钛合金窄缝激光-电弧混合焊接的典型等离子体光谱；(b)等离子体温度与密度.

图13.弧形激光束振荡机制示意图：(a)非振荡激光；(b)振荡激光（频率f=300 Hz，振幅A=1 mm）；(c)-(d)振荡激光振幅达4 mm。

图14振荡激光搅拌效应示意图：(a)窄间隙熔池流动模型；(b)不同振荡参数下的雷诺数变化。

图15.不同振荡频率下熔池流动情况（振幅1毫米）：(a)-(b)0 Hz；(c)-(d)300 Hz；(e)-(f)600 Hz。

图16.不同振幅下熔池流动示意图（振荡频率300 Hz）：(a)-(b)0 mm；(c)-(d)2 mm；(e)-(f)4 mm。

图17.熔池流动与匙孔行为示意图：(a)非振荡激光熔池流动；(b)非振荡激光匙孔行为；(c)振荡激光熔池流动（A=1mm，f=300Hz）；(d)振荡激光匙孔行为。

主要结论

在本研究中，阐明了钛合金窄间隙振荡激光-电弧混合焊接中弧稳定性的机制及弧烧蚀与焊缝形成之间的关系。基于关键孔行为和熔池流动，明确了孔隙率抑制的机制。主要发现如下：

1.在1 mm的振荡幅度和300 Hz的频率下，成功获得了表面形状良好、孔隙率低的凹形焊缝。与非振荡激光相比，中央柱状晶、侧壁柱状晶和等轴晶的尺寸分别减少了约52%、72%和33%。

2.由于激光束的搅拌效应，抑制了焊缝表面隆起的形成，关键孔壁上的表面温度分布更为均匀。金属蒸气的反冲力促进了关键孔的打开，进一步扩大了关键孔的开口尺寸。

3.弧偏转角差异的标准偏差减少了约87.6%。由于激光诱发的更多激发电子从关键孔喷发，形成了一个增强的电流通道。弧能同步熔化槽底，抑制了锐角和未熔合现象的形成。

4.形成了一个涡流，液态金属沿着圆形路径有序地流向后熔池。这有助于缓冲飞溅液滴造成的冲击，并减弱液态金属对关键孔的扰动。

主要信息

Keyhole stability, arc behavior, and molten pool flow in narrow-gap oscillating laser-arc hybrid welding of titanium alloy

https://doi.org/10.1016/j.ijheatmasstransfer.2023.124922

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