能場輔助激光焊接焊縫成形及缺陷控制綜述*

蔡 創(chuàng)，陳梓琳，栗振鑫，余 杰

（西南交通大學(xué)材料先進(jìn)技術(shù)教育部重點實驗室，成都 610031）

激光焊接是一種以聚焦的能量束作為焊接熱源輻射于待焊處，將待焊處的部分材料熔化實現(xiàn)連接的焊接技術(shù)。激光束能量密度高，焊接時加熱、冷卻過程速度快，對大部分材料均可實現(xiàn)有效的連接[1]。與傳統(tǒng)焊接技術(shù)相比，激光焊接不僅焊接效率高，而且熱影響區(qū)窄、焊接變形小，被譽為21 世紀(jì)綠色制造技術(shù)[2]。目前，激光焊接技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、鐵路、船舶等領(lǐng)域，如航空發(fā)動機殼體、高速列車轉(zhuǎn)向架等[3]。

但在實際激光焊接過程中，仍存在一系列問題[4-5]： （1）焊接等離子體對激光的屏蔽作用使激光能量傳輸效率降低； （2）焊接過程冷卻速度較快，易產(chǎn)生裂紋、氣孔等缺陷； （3）熔池流動劇烈，過程穩(wěn)定性較差，影響焊接質(zhì)量； （4）咬邊、橋接能力差。為解決激光焊接中存在的問題，學(xué)者們嘗試從多個角度解決問題，從工藝角度出發(fā)，比如加入不同氣場或采用擺動激光焊接，可以有效抑制接頭缺陷。不同氣體具有不同的電離電位，采用不同保護(hù)氣體焊接時產(chǎn)生等離子體的強度不同、等離子體羽流效應(yīng)的抑制作用不同，并且匙孔內(nèi)部的蒸汽壓也有一定的差異，因此采用合適的氣流場可以有效抑制飛濺和減少接頭的氣孔率。擺動激光對熔池產(chǎn)生攪拌作用，能夠增加熔池的流動性，使接頭熱輸入更加均勻，消除咬邊等缺陷，焊縫成形得到有效改善。并且由于激光擺動使熔池反復(fù)受熱，增加了熔池凝固時間，可減少氣孔等缺陷；從輔助熱源的角度出發(fā)，加入電弧輔助激光焊接，不僅能使電弧在焊接過程中更加穩(wěn)定，同時電弧和激光的耦合還可以使熔滴過渡更加穩(wěn)定，減小飛濺等缺陷；從輔助能場角度出發(fā)，加入磁場、超聲波場或電場也可改善接頭缺陷。激光焊接時若加入磁場或電場可改變帶電粒子的運動、液態(tài)金屬的流動性及焊接等離子體的形態(tài)，從而改善焊縫成形且抑制缺陷，提升焊縫性能；若加入超聲波，由超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)、機械振動及熱效應(yīng)可降低元素偏析，破碎晶粒，使晶粒更加細(xì)小，從而提升接頭性能。

在焊接過程中加入不同的能場，如電弧能場、磁場、超聲場、擺動能場[6-8]等可以有效改善焊縫成形，減少接頭缺陷，提升接頭性能。因此，本文從工藝優(yōu)化、輔助熱源、輔助能場3 個方面對目前不同能場輔助激光焊接的作用原理和研究現(xiàn)狀展開綜述，并對其存在的問題及發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

1 工藝優(yōu)化

1.1 擺動能場輔助激光焊接

擺動能場輔助焊接是指在激光焊接時通過振鏡裝置實現(xiàn)激光束按照預(yù)設(shè)的軌跡運動，其焊接原理如圖1 所示[9]。通過光束擺動對熔池產(chǎn)生攪拌作用，增加熔池的流動性、抑制焊接缺陷[10-11]。

圖1 擺動激光焊接原理示意圖[9]Fig.1 Schematic diagram of oscillating laser welding[9]

Pang 等[12]研究了“S”形擺動激光和圓形擺動激光模式下鋁合金的焊接特性，采用擺動激光后，接頭飛濺明顯減少，特別是采用圓形擺動后接頭無咬邊、下塌缺陷，焊縫成形得以改善，并且激光擺動后還能有效抑制氣孔的產(chǎn)生，如圖2 所示。Kabasakaloglu 等[13]采用“8”字形擺動激光焊接鋁合金，試驗發(fā)現(xiàn)，激光在-1 mm 焦距處低頻率擺動時匙孔不穩(wěn)定，導(dǎo)致氣孔率較高；激光在-2 mm 焦距處低頻率擺動時激光焊接接頭的氣孔率從1.86%降至0.5%，氣孔率降低使接頭性能顯著提高。同時，光束擺動對熔池的攪拌作用形成的帶狀結(jié)構(gòu)和柱狀晶也提高了接頭性能。為進(jìn)一步研究擺動激光對氣孔缺陷的影響，Ai 等[14]建立了擺動激光焊接過程熔池動態(tài)行為的三維數(shù)值模型，如圖3 所示?！啊蕖毙螖[動使熔池反復(fù)受熱，增加了熔池的凝固時間，使熔池內(nèi)的氣泡有更多的機會逸出，氣孔率降低。雖然加入擺動激光后抑制了熔池氣孔的形成，但能量密度也變得更低。為解決這一問題，Liu 等[15]采用三維擺動激光焊接鋁合金，改變匙孔內(nèi)的能量分布，其焊接路徑如圖4 所示，結(jié)果表明，當(dāng)垂直擺動頻率與平面擺動頻率之比為1 時，激光在匙孔前壁處為負(fù)離焦，提高了焊接熱輸入，使焊接過程更加穩(wěn)定，氣孔率降低，如圖5 所示。Tan 等[16]研究了“S”形激光擺動加正弦分布的激光功率對鋁合金焊接接頭的影響，功率分布如圖6 所示。當(dāng)施加周期性變化的功率時，接頭晶粒出現(xiàn)循環(huán)的“生長-抑制-生長”現(xiàn)象，這種生長機制細(xì)化了接頭的晶粒組織，減少了柱狀晶區(qū)域的寬度，焊接接頭抗拉強度提高了35.3%，達(dá)到母材的99.1%。

圖2 接頭斷裂形貌[12]Fig.2 Fracture morphology of joint[12]

圖3 加入擺動激光后熔池上表面的流體流動[14]Fig.3 Fluid flow on upper surface of the molten pool after adding oscillating laser[14]

圖4 三維擺動激光路徑示意圖[15]Fig.4 Schematic diagram of 3D oscillating laser path[15]

圖5 不同擺動頻率下的接頭截面形貌[15]Fig.5 Joint section morphologies at diffe ent oscillation frequencies[15]

圖6 激光功率分布示意圖 [16]Fig.6 Schematic diagram of laser power distribution[16]

擺動激光焊接不僅在抑制焊接缺陷方面表現(xiàn)出色，在異種金屬焊接時也能明顯提高接頭性能。Zhou 等[17]在研究擺動激光改善Ti /Al 接頭性能時發(fā)現(xiàn)，激光擺動對熔池產(chǎn)生的攪拌作用抑制了Al 向Ti 的擴散，減少了富鋁化合物的生成。與不擺動激光焊接接頭相比，最大載荷提高了76.38%。其性能提升的原因主要是激光擺動使接頭缺陷減少、連接寬度的增加和界面金屬間化合物種類的改變，如圖7所示。為了進(jìn)一步降低金屬間化合物層的厚度，提高接頭性能，Chen 等[18]采用“S”形擺動加以正弦曲線分布的激光功率對Ti /Al 接頭進(jìn)行焊接，通過在低熔點母材側(cè)采用大激光功率，在高熔點母材側(cè)采用小激光功率，實現(xiàn)低熔點側(cè)熔化金屬向高熔點側(cè)鋪展形成接頭，同時由于高熔點側(cè)激光功率較小、溫度較低，從而避免了金屬間化合物層的過度生長。

圖7 不同擺動頻率下Ti/Al 接頭橫截面元素面掃描結(jié)果[17]Fig.7 Scanning results of Ti/Al joint cross section element at diffe ent oscillating frequencies[17]

雖然擺動激光的應(yīng)用能有效抑制焊縫缺陷，改善焊縫成形，但是擺動激光的能量密度會有所降低，導(dǎo)致焊縫熔深減小。特別是同功率下激光熔/釬焊接異種材料時，擺動激光會導(dǎo)致接頭潤濕性顯著下降。采用三維擺動或變功率擺動模式可有效解決激光能量密度下降所帶來的問題，并增強工藝適應(yīng)性。

1.2 氣流場輔助激光焊接

在激光焊接時加入氣流場進(jìn)行輔助，可以在一定程度上提高匙孔穩(wěn)定性，抑制飛濺的形成，改善焊縫成形；同時，激光焊接產(chǎn)生的等離子體強度會因氣體種類的不同而有所差別。因此國內(nèi)外許多學(xué)者對氣流場輔助激光焊接的焊接特性展開了研究。

Wang 等[19]研究了輔助氣體對鈦合金焊接熔深的影響，噴嘴角度越小，保護(hù)區(qū)的范圍越大，在不同的噴嘴角度下，保護(hù)范圍隨氣體參數(shù)的變化如圖8 所示；在氣體流量相同的情況下，氣體噴嘴傾角一定時，氦氣的保護(hù)區(qū)范圍大于氬氣。Schmidt 等[20]研究了局部氣體流動對奧氏體不銹鋼全熔透激光焊接飛濺形成和熔池動力學(xué)的影響，試驗發(fā)現(xiàn)，隨著氣體流速的增大，匙孔內(nèi)部壓力增大，焊接時產(chǎn)生的飛濺降至最小值，但氣體流速超過22.4 L/min 后，飛濺量增大。為進(jìn)一步研究氣體種類對接頭質(zhì)量的影響，Ahn 等[21]分別采用氬氣和氦氣對鋁合金進(jìn)行了激光焊接，并對接頭質(zhì)量、缺陷形成及顯微組織進(jìn)行了分析。試驗發(fā)現(xiàn)，在焊速較低時，由于氦具有更高的電離電位，降低了等離子體羽流效應(yīng)，因此可以有效減少接頭缺陷、提高焊接質(zhì)量。氦氣同時也適合于較高焦點位置焊接，其補償了正離焦引起的有效功率降低和熔池平均溫度降低的影響，但成本也相應(yīng)升高。

圖8 保護(hù)范圍隨氣體參數(shù)的變化[19]Fig.8 Shielding size varied with gas parameters[19]

Xu 等[22]研究了保護(hù)氣體對脈沖激光焊接等離子體羽流的影響，發(fā)現(xiàn)在一個波動周期內(nèi)，氬氣作為保護(hù)氣時的等離子體強度、電子溫度和噴射持續(xù)時間均大于氦氣，并且隨著保護(hù)氣流量的增加，等離子體的電子溫度降低，等離子體噴射持續(xù)時間縮短，如圖9 所示。因此較大保護(hù)氣流的氦氣氛圍更能提高激光利用率。Li 等[23]采用體積分?jǐn)?shù)100%Ar、80% Ar + 20% CO2和100% CO2作為保護(hù)氣研究304 不銹鋼的焊接性能，結(jié)果表明，3 種保護(hù)氣接頭的金相組織、顯微硬度、沖擊韌性有較大差異；由于CO2的低電離勢，導(dǎo)致其較Ar 相比易電離，隨著保護(hù)氣體中CO2的含量增多，匙孔內(nèi)蒸汽壓力增大，匙孔的穩(wěn)定性增加，氣孔減少，但接頭硬度降低，如圖10 所示。氣場對激光焊接異種材料同樣有很大的影響，例如Xia 等[24]采用純Ar、CO2+Ar 和純CO2對鋁鋼進(jìn)行搭接焊，保護(hù)氣中加入適量的CO2可以提高熔化金屬量，改善釬料的潤濕性，改變金屬間化合物層的種類，提升接頭性能。

圖9 不同氣氛中等離子體羽流的電子溫度變化[22]Fig.9 Changes of electron temperature of plasma plume with diffe ent shielding gases[22]

圖10 不同保護(hù)氣體和不同離焦量的焊縫截面形貌[23]Fig.10 Weld section morphologies under diffe ent shielding gases and diffe ent defocusing distances[23]

保護(hù)氣體是激光焊接中的重要參數(shù)之一，采用合適的氣體可有效提高接頭性能，在后續(xù)的研究中可探索混合氣體對接頭性能的影響機制。此外，可開發(fā)多元混合保護(hù)氣來降低生產(chǎn)成本，提高工藝適應(yīng)性，減少接頭缺陷。

2 電弧能場輔助激光焊接

20 世紀(jì)70 年代，英國學(xué)者Steen[25]首先提出了激光-電弧復(fù)合焊接。激光-電弧復(fù)合焊接能充分利用電弧工藝適應(yīng)性強、激光功率密度高等優(yōu)點[26-28]。與傳統(tǒng)單激光焊接相比，復(fù)合焊接能有效降低焊接成本，改善焊縫成形質(zhì)量，提高焊接過程穩(wěn)定性，因此廣泛應(yīng)用于航天航空、汽車、船舶、軌道交通等領(lǐng)域[29-30]。電弧能場輔助激光焊接中，電弧既作為一種能場，也作為一種熱源作用于工件。激光作為主熱源，電弧作為副熱源，兩種熱源結(jié)合在一起，可以實現(xiàn)“1+1>2”的復(fù)合效應(yīng)，不僅可以提高焊縫質(zhì)量，還能改善橋接能力、抑制焊接缺陷。其工作原理如圖11 所示[23]。

圖11 電弧能場輔助激光焊接工作原理示意圖[23]Fig.11 Schematic diagram of the working principle of arc energy field assisted laser welding[23]

Sun 等[31]利用激光- TIG 復(fù)合焊連接6061-T6 鋁合金，探究在不同參數(shù)下氣孔形成機理，試驗結(jié)果表明，影響焊接缺陷的主要因素為脈沖激光能量，并且電弧電流在一定范圍時，可以減少焊接氣孔形成，電弧電流對氣孔率的影響如圖12 所示。Zhang 等[32]利用激光-電弧復(fù)合焊對AA6082-T6 鋁合金進(jìn)行了連接，并探索了激光、電弧之間耦合機理，結(jié)果表明，激光-電弧間耦合作用使得電子能級發(fā)生躍遷，如圖13 所示；耦合作用隨激光功率的增大、激光與電弧間距的減小、焊接電流的減小而增大，其使得熔滴過渡更加穩(wěn)定，減少了飛濺的產(chǎn)生，其原理如圖14 所示。

圖12 電弧電流對氣孔率的影響[31]Fig.12 Influence of arc currents on the porosity[31]

圖13 激光-電弧相互作用示意圖[32]Fig.13 Schematic diagram of laser-arc interaction[32]

圖14 激光-電弧耦合作用減少飛濺機制示意圖[32]Fig.14 Schematic diagram of the mechanism of laser-arc synergy effect to educe spatter[32]

Ning 等[33]研究了激光-電弧復(fù)合焊接過程中激光和電弧的距離對激光能量耦合的影響，研究發(fā)現(xiàn)，激光和電弧的距離會影響復(fù)合焊接過程中匙孔的形狀，從而影響激光能量耦合效率。激光和電弧的距離越小，一個脈沖周期內(nèi)匙孔深度增大速度越快，但同時匙孔壁在反沖壓力作用下沿匙孔徑向后移動的距離越大，匙孔直徑增大，從而顯著削弱了激光在匙孔內(nèi)多次反射的能力。因此，激光脈沖周期內(nèi)的總能量耦合效率隨著激光和電弧距離的減小而降低。周建等[34]在激光-電弧復(fù)合焊接時發(fā)現(xiàn)，熔池的波動會影響激光、電弧之間的耦合，并且當(dāng)光絲間距為4 mm 時，熔池波動較小，激光電弧呈現(xiàn)周期性耦合，焊縫成形良好。

在電弧能場輔助激光焊接過程中，由于激光和電弧兩種熱源的共同作用，電弧行為與熔滴過渡變得十分復(fù)雜[35]。Cai 等[36]研究了光纖激光- MIG 復(fù)合焊接在短路、球狀和噴射過渡模式下的熔滴過渡行為，并比較了電弧焊和復(fù)合焊接在3 種模式下的熔滴過渡頻率、焊接電流波形和等離子體形貌。Liu 等[37]研究了鈦合金脈沖激光- GTA 復(fù)合焊接過程中熱源距離對熔池穩(wěn)定性的影響，研究表明，通過精確調(diào)整熱源距離可以控制匙孔和熔池行為，避免燒穿缺陷，獲得成形良好的焊縫，如圖15 所示。Gao 等[38]利用雙高速攝像傳感系統(tǒng)對復(fù)合焊接中熔滴過渡和匙孔底部狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在正常熔透條件下，熔滴過渡主要影響匙孔狀態(tài)。

圖15 不同光絲間距下的熔池流動示意圖[37]Fig.15 Schematic diagram of molten pool flow at diffe ent distances between the center of laser and wire tip[37]

與單激光焊接相比，激光-電弧復(fù)合焊接不僅包括單一工藝參數(shù)對焊接的影響，還包括各參數(shù)之間的交互作用，因此工藝優(yōu)化過程更為復(fù)雜。激光-電弧復(fù)合焊接過程中的等離子體、匙孔行為與熔池流動行為有待進(jìn)一步研究。此外，需突破多尺度多參量熔池、溫度場和制造缺陷的高精度、高分辨率視覺傳感系統(tǒng)設(shè)計，光、電、聲、像等多信號提取算法和數(shù)據(jù)/信號處理技術(shù)，通過實時監(jiān)測與控制對工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

3 能場輔助

3.1 電場輔助激光焊接

在焊接過程中，一般通過將直流電的正負(fù)極連于試板兩側(cè)來施加外加電場。在輔助激光焊接時，電場能夠影響激光焊接形成的等離子體的密度，從而提高激光吸收率，增加熔深。此外，電流具有磁效應(yīng)，在焊接時電磁效應(yīng)會對熔池產(chǎn)生攪拌作用，其焊接原理如圖16 所示。

圖16 電場輔助激光焊接原理示意圖Fig.16 Schematic diagram of the principle of electric field assisted laser welding

Xiao 等[39-40]在激光填絲焊接鋁合金時外加電流，焊絲作為一極，工件作為另一極，從而構(gòu)成回路。結(jié)果表明，電流的加入使得焊縫熔深增加、焊縫表面成形更加均勻。外加電流產(chǎn)生的電磁效應(yīng)能夠有效抑制熔池振蕩，提升焊接穩(wěn)定性。Zhang 等[41-42]對外加電流輔助激光焊接5A06 鋁合金進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，研究指出，在5A06 鋁合金激光焊接過程中加入外部電場可以使焊接過程更加穩(wěn)定，焊接飛濺減少，獲得的焊縫成形良好，如圖17 所示。外加電流產(chǎn)生的電場效應(yīng)提升了匙孔的穩(wěn)定性，從而提高了能量吸收率。郭新建[43]通過兩個滾輪向工件通電輔助激光焊接2219鋁合金，結(jié)果顯示，外加電流可消除接頭氣孔，細(xì)化焊縫組織，提高接頭強度；電流輔助激光焊接時產(chǎn)生的電磁效應(yīng)可以在熔池凝固時使枝晶破碎。

圖17 焊縫表面成形[41]Fig.17 Weld surface formation[41]

為了解決激光單道焊接厚板過程中根部熔池滴落影響成形的問題，陳根余等[44]提出依靠穩(wěn)定磁場和電流產(chǎn)生的向上安培力對根部熔池進(jìn)行輔助支撐的方法，分別對16 mm和30 mm 厚的316L 不銹鋼進(jìn)行激光焊接試驗，試驗結(jié)果表明，單獨電場或磁場的存在無法有效抑制根部熔池滴落缺陷，但二者同時存在并產(chǎn)生穩(wěn)定安培力時，后根部熔池滴落能夠得到有效抑制，焊接過程更加穩(wěn)定，焊縫成形良好。

盡管電場能夠增加激光焊接熔深，并改善焊縫成形，但由于其所需電流較大，對試驗裝置的安全防護(hù)性能要求更高，且單電場作用效果較為局限。因此，后續(xù)研究可多集中在復(fù)合能場輔助激光焊接，如磁場與電場復(fù)合。

3.2 磁場輔助激光焊接

磁場作為一種能量場，具有間接性、零污染、可調(diào)控性等優(yōu)點，因此在許多領(lǐng)域中被用作輔助技術(shù)。焊接領(lǐng)域中，磁場輔助技術(shù)最先在電弧焊中得到應(yīng)用。當(dāng)外加磁場作用于電弧時，電弧中的帶電粒子受到磁場力的作用。通過調(diào)控磁場來控制電弧中帶電粒子的運動，從而提升電弧焊接穩(wěn)定性。對于激光焊而言，沒有外加電流，也沒有電弧的產(chǎn)生，其輔助機制與電弧焊有所區(qū)別[45-46]。在磁場輔助激光焊中，依據(jù)磁場方向與激光束、焊接方向的位置差別可分為軸向、橫向及縱向3 種磁場，如圖18 所示[46]。

磁場輔助激光焊接主要是通過磁場影響激光焊熔池中液態(tài)金屬的流動及改變焊接等離子體的形態(tài)來改善焊縫成形、抑制缺陷和提升焊縫性能。Xu 等[47]在探索磁場輔助激光焊接TC4 板時發(fā)現(xiàn)，磁場的添加有助于基板對激光能量的吸收，主要表現(xiàn)在施加磁場可以將熔融金屬從熔池上部轉(zhuǎn)移到底部，促進(jìn)底部金屬的熔化，以增加穿透深度，其影響機制如圖19 所示。Cao 等[48]在研究磁場輔助激光焊時發(fā)現(xiàn)，磁場可以抑制熔池中熔融金屬從下部到上部和中心到邊緣的流動，減少了匙孔尖端到熔池表面及熔池中心到邊界的熱傳遞。Huang 等[49]利用“三明治”結(jié)構(gòu)觀察并討論了無磁場和磁場輔助激光焊接在匙孔穩(wěn)定性和氣孔形成方面的差異，結(jié)果表明，在磁場輔助下，焊縫底部寬度增加，熔深波動減小，熔池上方等離子體羽流的持續(xù)時間更長，咬邊和飛濺缺陷減少，這有助于提高匙孔穩(wěn)定性，抑制氣孔的形成，如圖20 所示。Wu 等[50]提出了一種外加磁場輔助激光焊20 mm厚高強鋼的方法來解決單道次全熔透焊接中的駝峰缺陷，外加磁場的磁攪拌效應(yīng)改變了整個熔池中原有的溫度梯度，重新分配了溫度，降低了熔池中液態(tài)金屬的冷卻速度，從而增加了焊縫根部的表面張力，抑制了駝峰缺陷的形成，如圖21 所示。

圖19 不同磁場強度下熔池演變示意圖[47]Fig.19 Schematic diagram of molten pool evolution with diffe ent magnetic field intensities[47]

圖20 焊接過程中的等離子體羽流[49]Fig.20 Plasma plume during the welding process[49]

圖21 磁場抑制駝峰形成示意圖[50]Fig.21 Effect of magnetic field on supp ession of hump formation[50]

磁場輔助技術(shù)應(yīng)用于異種材料激光焊接時，不僅可以提升熔池穩(wěn)定性，改善焊縫成形，抑制焊接缺陷等，還可以對熔池流動產(chǎn)生抑制作用，改善接頭元素分布。Yan 等[51]在激光焊接鍍鋅鋼/鋁合金異種材料時添加輔助磁場，獲得了質(zhì)量較好的焊接接頭。磁場效應(yīng)可以有效改善界面處的微觀結(jié)構(gòu)和元素分布，形成更多具有更好延性和韌性的富鐵金屬間化合物，這有利于降低熱裂紋敏感性，提高接頭的抗剪強度。Hu 等[52]研究了外加磁場對純銅與不銹鋼異種金屬激光焊的影響，結(jié)果顯示，在交變磁場下，熔合區(qū)組織由粗大的帶狀、球狀組織轉(zhuǎn)變?yōu)榧?xì)小的塊狀、粒狀組織，實現(xiàn)了晶粒細(xì)化和成分偏析的抑制，降低了凝固裂紋的敏感性。Chen[53]將外磁場應(yīng)用于Al/Ti 合金激光焊接中，通過熔融金屬與垂直磁場之間的相互作用產(chǎn)生的洛倫茲力抑制了水平對流，使金屬間化合物層的厚度減小。此外，熱電磁對流有助于Al/Ti 界面處的熱和熔質(zhì)傳遞，促進(jìn)元素的重新分布和抑制金屬間化合物的產(chǎn)生。Li[54]和Hu[55]等對鋁合金/鍍鋅鋼異種金屬進(jìn)行了交變磁場輔助激光焊接，發(fā)現(xiàn)磁場對液態(tài)金屬的驅(qū)動作用使晶粒細(xì)化，界面處的Fe-Al 金屬間化合物呈彌散分布。磁場輔助激光焊接接頭的最大拉伸載荷和伸長率分別達(dá)未加磁場輔助激光焊接接頭的120%和145%，但磁場頻率過大時會增加焊縫裂紋敏感性，如圖22 所示[55]。

磁場輔助激光焊接可抑制焊接缺陷、改善焊縫組織及提高接頭性能，但磁場對激光焊接熔池流動及晶粒生長的作用機制還不夠清晰，可借助于數(shù)值模擬、在線監(jiān)測等手段進(jìn)一步系統(tǒng)研究。要實現(xiàn)磁場輔助激光焊接技術(shù)工業(yè)化應(yīng)用，需注意磁場產(chǎn)生裝置與激光焊接設(shè)備之間的配合，這也是未來激光焊接設(shè)備集成化發(fā)展的新方向。

圖22 不同磁場頻率下鋁基體側(cè)的顯微結(jié)構(gòu)[55]Fig.22 Microstructure near the aluminum matrix under diffe ent magnetic field frequencies[55]

3.3 超聲場輔助激光焊接

近年來，超聲波憑借其在金屬熔體中產(chǎn)生的空化效應(yīng)、聲流效應(yīng)、機械振動及熱效應(yīng)等而逐漸被應(yīng)用到焊接領(lǐng)域當(dāng)中。在焊接過程中引入超聲，可以起到改善焊接氣孔缺陷、細(xì)化焊縫組織、提高接頭強度及降低接頭殘余應(yīng)力等作用。超聲輔助激光焊接原理如圖23 所示[56]。

圖23 超聲輔助激光焊接原理示意圖[56]Fig.23 Schematic diagram of the principle of ultrasonic-assisted laser welding[56]

Kolubaev 等[56]在超聲輔助激光焊接低碳結(jié)構(gòu)鋼過程中發(fā)現(xiàn)，超聲在液態(tài)金屬中引起的超聲空化效應(yīng)能夠降低樹枝狀偏析的程度并抑制鐵素體晶體的生長，從而改變?nèi)鄢氐哪虠l件，提升焊接接頭的強度，如圖24 所示。Liu 等[57]討論了超聲振動對激光焊接試樣應(yīng)力分布的影響機制。超聲波振動可以加速熔池中熔融金屬的流動，然后使熔池中的溫度分布更加均勻，降低溫度梯度，最終降低接頭殘余應(yīng)力。Tarasov 等[58]探究了超聲能量輸入對焊縫金屬組織和接頭強度的影響，結(jié)果顯示，超聲輔助激光焊接接頭的高顯微硬度是由于超聲引起的高濃度分裂位錯所致；超聲輔助激光焊接接頭的抗拉強度取決于超聲能量的輸入量，當(dāng)輸出功率為600 W 時，其抗拉強度高于母材。Lei 等[7]為了解決鎂合金激光焊接接頭成形差、氣孔多的問題，開展了AZ31B 鎂合金超聲輔助激光焊接試驗研究，結(jié)果表明，超聲振動對焊縫熔池產(chǎn)生的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)能顯著改善焊縫缺陷和微觀組織形態(tài)，焊縫晶粒細(xì)化效果顯著，圖25為超聲振動細(xì)化晶粒示意圖。

圖24 超聲作用下低碳結(jié)構(gòu)鋼的焊縫組織和熱影響區(qū)[56]Fig.24 Weld microstructure and heat affected zone of low carbon structural steel unde ultrasonic action[56]

圖25 超聲振動細(xì)化晶粒示意圖[7]Fig.25 Schematic diagram of grain refinement mechanism by ultrasonic vibration[7]

除了能夠降低接頭氣孔率、細(xì)化晶粒、提高強度外，超聲振動還能夠在一定程度上影響異種材料焊接接頭的元素分布。Zhou 等[59]將超聲振動應(yīng)用于哈氏合金C-276 和奧氏體不銹鋼304 異種材料激光焊接中，研究發(fā)現(xiàn)，超聲振動輔助下，焊縫形狀逐漸由拋物線形向喇叭形轉(zhuǎn)變，焊縫熔深增加；超聲振動帶來的空化效應(yīng)和聲流效應(yīng)加速了熔池對流和元素擴散，隨著超聲強度的增加，熔池中元素的宏觀分布更加均勻，元素過渡區(qū)變寬。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)壓緊力為25 N，超聲作用點距焊接位置距離為13 mm 時，焊接位置超聲振動效果最為顯著。在此條件下，超聲振動引起的較高擴散系數(shù)和冷卻速率抑制了元素偏析，析出相數(shù)量從2.15%下降到0.62%，焊縫金屬的抗晶間腐蝕性能得到提升，同時焊接接頭的承載能力與焊縫金屬的顯微硬度也均有所提高[60]。

在超聲振動下，焊接接頭質(zhì)量顯著提升，但超聲對激光焊接過程的影響機理有待進(jìn)一步研究。超聲場輔助激光焊接中涉及的參數(shù)眾多，工藝參數(shù)的優(yōu)化比單一激光焊接更為復(fù)雜，建立超聲場輔助激光焊接狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)可簡化、優(yōu)化這一過程。

4 結(jié)論

本文系統(tǒng)地總結(jié)了不同能場輔助激光焊接的研究現(xiàn)狀，著重介紹了擺動激光、氣流場、電弧能場、電場、磁場及超聲場輔助激光焊接在改善焊縫成形質(zhì)量，減少接頭缺陷，提升接頭性能方面的作用。

未來關(guān)于能場輔助激光焊接技術(shù)的發(fā)展有以下4 個方向。

（1）除單一能場輔助激光焊接外，可以將兩種或者兩種以上的能場適當(dāng)組合后引入到激光焊接中，進(jìn)行多能場耦合輔助焊接，如激光、電弧能場、超聲場、擺動場等多種能量場之間的協(xié)同效應(yīng)，可以獲得優(yōu)于單一能場輔助焊接的效果。

（2）多能場之間的協(xié)同效應(yīng)較為復(fù)雜，對激光焊接過程中的等離子體、匙孔行為與熔池流動的作用機理有待進(jìn)一步明確?？山柚鷶?shù)值模擬、在線監(jiān)測等手段研究多能場輔助激光焊接過程穩(wěn)定性。

（3）與單激光焊接相比，多能場輔助激光焊接不僅包括單一工藝參數(shù)對焊接的影響，還包括各參數(shù)之間的交互作用，因此工藝優(yōu)化過程更為復(fù)雜。需突破多尺度多參量熔池、溫度場和制造缺陷的高精度、高分辨率視覺傳感系統(tǒng)設(shè)計，光、電、聲、像等多信號提取算法和數(shù)據(jù)/信號處理技術(shù)，通過實時監(jiān)測與控制來對工藝進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

（4）盡管多能場輔助激光焊接已受到廣泛關(guān)注，但要實現(xiàn)工業(yè)化應(yīng)用需注意能場產(chǎn)生裝置與激光焊接設(shè)備之間的配合，在智能化裝備集成方面，需突破多信息傳感多數(shù)據(jù)融合的焊縫表面形貌、結(jié)構(gòu)變形、溫度和制造缺陷等成形質(zhì)量高精度、高穩(wěn)定自適應(yīng)閉環(huán)控制系統(tǒng)與智能化裝備集成技術(shù)。小型化、高集成度、智能化復(fù)合焊接裝置的研發(fā)也是未來激光焊接設(shè)備集成化發(fā)展的新方向。