前言

变间隙厚钢板焊接是众多工业领域大型构件制造中的关键核心工序。焊接工件的加工精度限制、装配固定过程中引入的误差，均会对焊接间隙产生影响；此外，加工过程中的热变形会进一步加剧间隙波动，导致小间隙出现未焊透或驼峰缺陷，大间隙则发生塌焊。目前，针对厚钢板焊接的研究多基于恒定间隙假设，关于变间隙条件下焊接的研究相对较少。要提升焊接质量与效率，需在小间隙实现全焊透并消除驼峰缺陷，同时确保大间隙具备良好的桥接能力。

激光-电弧复合焊接（LAHW）兼具激光焊熔深大、效率高、变形小的优势，以及电弧焊桥接能力强、适应复杂环境的特点。然而，在LAHW过程中，受激光与电弧的协同作用影响，锁孔稳定性、电弧行为及熔池流动状态极为复杂。厚钢板LAHW面临诸多共性挑战，如单面焊双面成形难度大、焊接效率低、易出现未焊透及驼峰缺陷。在变间隙LAHW中，不同间隙尺寸下复杂的电弧行为导致难以在所有间隙条件下同时实现最优焊缝成形，而摆动激光有望通过改善接头桥接能力、确保焊接过程稳定性来解决这些问题。

本研究采用摆动LAHW技术焊接0-3mm变间隙12mm厚耐候钢，探究了不同间隙条件下的焊缝成形特征，阐明了电弧稳定机制，建立了电弧行为与焊缝成形的关联关系，基于锁孔稳定性与熔池流动提出了摆动激光抑制驼峰的机制。研究成果为厚钢板LAHW中同时消除小间隙驼峰缺陷、提升大间隙桥接能力提供了重要见解，推动了摆动LAHW技术发展，促进其在各工业领域大型构件焊接中的应用。

本研究成果“Mechanisms of gap bridging and hump suppression in oscillating laser-arc hybrid welding of thick plate steel under variable gap conditions”。发表于期刊“Journal of Materials Processing Tech”。

论文链接:https://doi.org/10.1016/j.jmatprotec.2025.118819

正文

本研究采用S355J2W耐候钢作为母材，尺寸为150×80×12 mm³，填充金属选用直径1.2 mm的ER80S-G焊丝。激光波长为1070 nm，最大功率为10 kW。电弧焊接参数（焊接电流与电压）与送丝速度自动匹配，送丝速度为10 m/min。保护气体采用80% Ar与20% CO₂的混合气体，流量为30 L/min。光-丝间距为2 mm，焊丝干伸长为15 mm。

图1为不同摆动频率与振幅下焊接接头的表面及背面成形图。无摆动激光时，在1.5-2.5 mm间隙处出现表面塌焊，桥接能力较差，且在1 mm间隙处形成根部驼峰，如图1(a)所示。当摆动频率为100 Hz、振幅分别为1 mm和1.5 mm时，在1-2.5 mm间隙处获得了表面成形较好的焊缝，但上表面存在轻微凹陷，背面出现驼峰，且背面焊缝变窄，如图1(b)和(c)所示。图1(d)显示，当摆动频率为200 Hz、振幅为1.5 mm时，在不同间隙条件下焊缝表面与背面均成形良好，且背面焊缝更宽。焊缝上表面的黑色痕迹是耐候钢LAHW中的常见现象，由保护气体导致的轻微氧化引起。为确保焊接质量，对焊缝进行X射线无损检测，未发现气孔缺陷。显然，本研究实现的间隙桥接能力优于以往研究，且试样厚度大于以往研究中的试样厚度。因此，尤其在实验结果尚不充分的情况下，需探究摆动激光对间隙内电弧与熔池流动行为的影响，以阐明焊缝成形与缺陷抑制机制。

图1 不同焊接参数下的焊缝成形。沿焊接方向的间隙宽度为0-3 mm；(a)无摆动；(b)振幅1 mm，频率100 Hz；(c)振幅为1.5 mm，频率100 Hz；(d)振幅1.5 mm，频率为200 Hz

图2为不同摆动参数下脉冲峰值期六个不同时刻的电弧行为图像。无摆动激光时，电弧易向左侧或右侧侧壁不规则偏摆，导致电弧偏摆侧金属吸热不均，其他区域加热不足，焊缝成形质量较差，如图2(a)所示。与无摆动激光相比，施加摆动激光后，电弧在间隙内充分展开，偏摆程度降低，如图2(b)和(c)所示，坡口两侧金属受热均匀、充分熔化，焊缝成形质量良好。

图2 T0至T0+25 ms 2.5 mm间隙的脉冲峰值期间，6个不同时刻的电弧形态：(a)无摆动激光；(b)振幅1 mm，频率100 Hz；(C)振幅1.5 mm，频率200Hz

摆动激光可增强等离子体粒子交换，在焊接过程中维持电弧相对稳定。图3展示了摆动激光对电弧行为的影响，其中L₁为焊丝尖端到侧壁的距离，L₂为焊丝末端到锁孔顶部的距离。通常，金属蒸气的电离能低于空气，当金属蒸气进入电弧区域时会优先电离。激光照射金属时，金属快速汽化形成锁孔，锁孔内部的金属蒸气与金属等离子体从出口逸出，形成导电通道，如图3(a)和(b)所示。当激光以非摆动方式作用于金属时，会在金属内部形成窄而深的锁孔，限制金属蒸气与金属等离子体从锁孔逸出，从而阻碍导电通道的增强，如图3(a)所示。此外，在2.5 mm间隙条件下形成的熔池体积更大，导致焊丝尖端到侧壁的距离L₁远小于焊丝尖端到锁孔顶部的距离L₂，电弧被侧壁吸引而发生横向偏摆，如图3(a)所示。施加摆动激光后，激光照射金属形成的锁孔尺寸增大，摆动激光束的搅拌作用促使更多金属蒸气和等离子体从锁孔逸出，提高了锁孔上方的等离子体密度。最终，2.5 mm间隙处形成的熔池向焊丝尖端靠近，电阻率降低，形成L₂＜L₁的状态，焊丝尖端与锁孔之间的导电通道得到增强，电弧波动显著减小，如图3(b)所示。

图3 电弧传导示意图：（a）无摆动激光；（b）有摆动激光；其中，L₁为焊丝尖端到侧壁的距离，L₂为焊丝尖端到锁孔顶部的距离

根部驼峰的形成主要归因于锁孔的间歇性闭合，在此过程中，熔融金属向下流动产生的动态冲击力向后传递，破坏背面焊缝熔池的力平衡。无摆动激光时，液态金属以波浪形式向锁孔方向流动，锁孔开口较小且波动剧烈，随着波浪从后部区域传播，锁孔最终闭合。施加摆动激光后，液态金属从锁孔周围向后部流动，缓冲了熔滴撞击熔池产生的波浪，尽管锁孔出现轻微波动，但始终保持开放状态，这一现象有利于金属蒸气与气泡从熔池逸出。此外，锁孔的稳定开放还有助于将向下的动态冲击力向后部消散，抑制驼峰形成。

高速摄像结果表明，锁孔开口的大小与稳定性是影响根部驼峰形成的关键因素。在锁孔内部，存在多种作用力，包括蒸气反冲压力、表面张力、重力引起的液态静压力以及液态金属流动产生的流体动压力。蒸气反冲压力可使小孔保持开放状态，而其他力则倾向于使小孔闭合。要在焊接过程中维持锁孔稳定，蒸气反冲压力必须足够大，以抵消反向作用力，实现力平衡并保持长期稳定。图4为激光摆动振幅为1.5 mm、频率为200 Hz时熔池的流动示意图。较高的摆动振幅与频率增大了锁孔开口尺寸，且摆动激光诱导的涡流围绕锁孔流动，抵消了后部熔池的冲击，提升了锁孔稳定性。锁孔的持续开放释放了熔融金属的动压力与金属蒸气的反冲压力，使表面张力能够有效平衡动压力、液态金属静压力及蒸气反冲压力。由于摆动激光扩大了热源覆盖范围，熔池根部液态金属向上流动的回流通道变宽，向下流动的液态金属可在凝固前通过中间熔池向上回流，从而抑制驼峰形成。此外，摆动激光的搅拌作用促使液态金属在板背面发生横向流动，有助于抑制根部驼峰。

图4 摆动LAHW根部驼峰抑制机制：Ps为表面张力；Pi为动压力；Pv为蒸气反冲压力；G为液态金属静压力

文章亮点

1 本研究聚焦厚钢板变间隙焊接痛点，填补变间隙厚钢板焊接研究空白，适配大型构件需求。

2 本研究明确摆动激光作用机制，量化关键参数，为工艺优化提供明确依据。

3 本研究兼具理论与应用价值，给出落地工艺方案，推动技术实际应用。