激光 — 电弧复合焊接铝合金的研究进展分析

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.230112

摘要/Abstract

摘要：

为早日实现“双碳”目标，轻量化制造是必经之路。铝合金以其低密度、高比强度和可回收利用等优点脱颖而出，并且具备高塑形、优良耐腐蚀能力从而可以广泛应用于各行各业，但因为其特殊的热物理性质及复杂的合金化学成分，使其焊接过程中极易出现气孔、热裂纹等焊接缺陷，其焊接难题限制了铝合金在轻量化之路的进一步发展。激光 — 电弧复合焊接技术结合激光焊接技术与电弧焊接技术的优势，以其大焊接熔深、高焊接效率、高焊接质量著称，并逐渐成为铝合金高效优质焊接的重要熔焊工艺。为掌握铝合金激光 — 电弧复合焊的研究现状，本文首次通过文献计量学的方法定量分析了Web of Science（WoS）数据库中1995—2021年已发表的该领域的学术论文，并通过使用VOSviewer软件对WoS数据库数据进行了可视化处理。结果表明，焊接接头、微观组织、热影响区、力学性能及激光与电弧的相互作用为研究热点，因此本文从上述领域对铝合金的激光-电弧复合焊接进行了总结与分析，并结合激光-电弧复合焊接过程中的在线监测技术与新型激光在复合焊中的应用展开讨论分析，得出激光-电弧复合焊接铝合金中接头类型的选取，微观组织的分布，力学性能的提升措施及复合热源的相互作用机制。旨在为后续研究激光-电弧复合焊接铝合金提供参考。最后，基于当下的研究现状，本文提出了该领域面临的挑战及未来工作展望。

关键词: 激光-电弧复合焊接, 文献计量学, 铝合金, 微观组织, 力学性能

Abstract:

Lightweight manufacturing is the only way to achieve the carbon peaking and carbon neutrality goals as soon as possible. Aluminum alloy with its low density, high specific strength, recyclability and other advantages such as high shaping, excellent corrosion resistance can be widely used in all walks of life. However, due to its special thermophysical properties and complex alloy chemical composition, welding defects such as pores and hot cracks are prone to occur during the welding process, its further development in the path of lightweight is limited. Combining the advantages of laser welding and arc welding, laser-arc hybrid welding has gradually become an important fusion welding process for efficient and high-quality welding of aluminum alloys with its large welding penetration, high welding efficiency and high welding quality. To grasp the current status of research on laser-arc hybrid welding of aluminum alloys, this paper analyzed for the first time the published academic papers in this field from 1995—2021 in the Web of science database through bibliometrics, and visualized the data with VOSviewer software. The results show that the welded joint, microstructure, heat-affected zone, mechanical properties, and laser-arc interaction for the research hotspots, so this paper summarized and analyzed the laser-arc hybrid welding of aluminum alloys from the above areas, and came up with the selection of the type of joints, the distribution of the microstructure, the enhancement of the mechanical properties, and the mechanism of interaction of the hybrid heat source in the laser-arc hybrid welding of aluminum alloys. It aims to provide reference for subsequent research laser-arc hybrid welding. Finally, based on the current research situation, this paper presented the challenges and the prospect of future work in this field.

Key words: laser-arc hybrid welding, bibliometrics, aluminum alloy, microstructure, mechanical property

中图分类号:

TG456.14

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焊接缺陷	起因	危害	解决措施	参考文献
凝固裂纹	大的熔池温度梯度；高热裂纹敏感性；合金元素间大的差异性	焊缝开裂	使用铝硅焊丝；细化晶粒；优化工艺参数	［13， 40］
合金元素蒸发	高能量密度的激光束与高温度的电弧；合金元素的沸点低	降低力学性能；增加气孔与凝固裂纹	在焊丝中增加镁元素；优化工艺参数	［41-43］
气孔与孔穴	电弧力和熔滴冲击力的影响；H₂及水蒸气的影响；激光匙孔闭合等	应力集中；降低接头的力学性能；焊缝开裂	焊前坡口清洗；合理选择保护气及优化工艺参数等	［13， 44-45］
咬边与未填满	小孔处熔滴的飞溅；焊接速度过快	应力集中；降低抗疲劳性；焊缝开裂	适当增大D_LA；控制焊接速度与激光功率匹配；增大激光光斑直径	［9， 46］
飞溅	熔池小桥在短路后电流增加和电磁收缩力的收缩下发生爆炸；激光小孔附近的金属蒸气作用力	危害焊缝成形；污染激光头	增大焊接速度；加入感应磁场来抑制马兰戈尼对流，降低熔化速度	［9， 47］
驼峰	熔池中液态金属的重力和表面张力之间的不平衡	危害焊缝质量	加入感应磁场来降低熔化速度；采用短路过渡；保护气中适当添加CO₂	［48-50］
偏析	较差的电弧穿透能力	凝固裂纹及焊缝腐蚀	振荡扫描激光-电弧复合焊接	［51-53］

合金	析出相	问题	参考文献
2XXX	α-Al+ CuAl₂（θ）， CuAl₂Mg（s）	高的热裂纹倾向与差的耐蚀能力	［1， 79］
4XXX	α-Al+ Al-Si共晶组织	偏析	［53］
5XXX	Mg₅Al₈（β）， Al₃Mg₂， Cr₂Mg₃Al₁₈， MgSiO₃	镁元素的蒸发，气孔，凝固裂纹与接头软化	［77， 80］
6XXX	Mg₂Si（β”→β’→β）	接头软化与凝固裂纹	［81-82］
7XXX	Mg₂Zn （η’）	疲劳断裂与接头软化	［61， 79］
8XXX	CuAl₂（θ）， Al₂CuLi（T1）， Al₆Li₃Cu（T2）	气孔与接头软化	［1， 61］

合金	HAZ 宽度/mm	晶粒	HAZ显微硬度/HV	BM显微硬度/HV	文献
AA1420	1.0	等轴枝晶	88.0	115.0	［35］
AA2195	5.0	等轴晶	121.4	171.4	［61］
AA2198	1.2	柱状晶	65.0~100.0	105.0	［84］
AA5A06	0.5	等轴枝晶	54.3	83.5	［85］
AA5083	6.0	柱状晶	75.0~90.0	89.0	［34］
AA5083	4.0	等轴晶	68.5~72.5	71.8	［62］
AA6N01	20.0	纤维状晶粒	52~90	95.0	［11］
AA6005	5.0	等轴晶	51~61	61.0	［63］
AA6061	1.0	等轴枝晶	69~76	95.0	［86］
AA6082	10.5	柱状晶	60.0~80.0	80.0	［32］
AA7075	9.0	柱状晶	140.1~180.0	179.8	［60］

母材	板厚/mm	激光器	激光功率/kW	送丝速度/ （m·min^-1）	D_LA/mm	电流/A	焊枪角度/（°）	焊丝	保护气/ %	气流量/ min^-1	离焦量/mm	参考文献
1420	5.0	CO₂	2	0.6	2.5	75	60	ER2319	Ar	15	-2	［35］
1A99	12.0	光纤	5	9.0	3.0	200	55	ER4047	—	—	0	［53］
2195	3.0	—	0.7~1.3	0.48	—	142~147	30	ER4047	Ar	11	0	［61］
2219	6.0	光纤	3.8~6	2~30	2.0	240~300	60	ER5087	99.99Ar	20	-3	［71］
5754	3.0	光纤	2.5~3.5	10.4~12.2	2.5	114~140	40	ER5356	Ar	—	0	［31］
5A06	6.9	光纤	2.5~5.5	1.5~3.5	—	120~140	60	ER4047	99.99Ar	15	0	［85］
6061	2.0	Nd： YAG	3.5	3.6~4.8	2.0	—	60	ER4043	Ar	—	—	［86］
6082	8.0	光纤	5.5~6	5.8~9.5	3.0	180~300	60	ER5087	—	—	—	［32］
7075	3.0	光纤	2.3	7	3.0	112	70	ER5356	Ar	20	—	［60］
7N01	6.0	光纤	0.85	0.6~1.56	2.0	70~190	22	ER5356	99.99Ar	15	-2	［28］
6061/304SS	2.0	光纤	1.8~3.3	2	2~3	35~78	55	ER4043	Ar	20	0	［94］

比较的项目	LAHW	ALHW
熔池行为及稳定性	内流动模式，小孔后熔融金属顺着孔壁流到熔池底部	外流动模式，熔融金属自熔池底部流到上表面
弧长	大	小
弧宽	大	小
飞溅	很少	多
电弧稳定性	好	差
焊缝形貌	熔宽大，焊缝明亮光洁	熔宽小，焊缝发黑且崎岖
气孔敏感性	小	大
晶粒尺寸	大	小
第二相分布	分布均匀，数量多，尺寸大	分布不均，数量少，尺寸小
显微硬度	略低	略高
拉伸性能	抗拉强度略高，伸长率大	抗拉强度略高低，伸长率小