罗震 苏杰 王小华 肖斌斌 孙立国 杨越 毕元波 张熠轩

（1.天津大学 材料科学与工程学院，天津 300350；2.天津大族天成光电技术有限公司，天津 300405）

铝合金以其低密度、高比强度，可回收利用等优点而著称［1-2］，并作为重要的轻合金材料广泛应用于各行各业，小到饮料罐和包装食品的箔材制造，大到汽车车门和飞机蒙皮机翼的制造［3-5］。但是在实际工程应用中，铝合金的焊接难题却限制了铝合金在轻量化之路的进一步发展。传统的焊接方法在焊接铝合金时，由于铝合金的高热导率、高导电率和高膨胀系数容易出现气孔、裂纹等焊接缺陷［6-7］，并且熔化极气体钨极氩弧焊（GMAW）焊接中厚板铝合金时，需要开坡口及多层多道焊，降低了焊接效率，提高了生产成本。此外，高的热输入导致了严重的焊接变形，并且降低了焊接质量［8］。

激光焊接（LBW）虽然以大熔深，低热输入而著称［9-11］，但是在焊接铝合金的过程中，存在较大的局限性。铝合金表面具有较高反射性，传统激光焊接时，激光束与法线之间有一定的夹角，避免损坏光学系统，从而降低了加工效率。但现有的激光头通过设计可避免反射光对激光器的损伤［12］。高的热导率和低的黏度使激光焊接时易出现凝固裂纹［13］，并且焊接时易出现气孔及合金元素蒸发，造成冶金调控能力较差［14-16］。此外，由于激光束斑点较小，装配精度要求极高，造成焊前准备时间过长，降低了焊接效率。上述困难的存在，促进了激光-电弧复合焊在铝合金焊接领域的发展。

激光-电弧复合焊接作为一种结合激光焊接与电弧焊接两种不同热源的焊接方法，自20世纪70年代末被英国帝国理工学院Steen教授［17］提出，经过不断发展，广泛应用于航空航天、轨道交通、船舶运输、油气管道、汽车制造等工程机械领域［3-5，18］。该方法在原理上结合激光和电弧两种不同热源的物理特性，成功实现1+1＞2的作用，克服了激光焊接与电弧焊接的部分缺点［10］，具备大的焊接熔深、高焊接效率，高的焊接适应性等优点［19-20］。

激光-电弧复合焊接铝合金既可以获得大的焊接熔深，又可以降低装配精度，减少制造时间，且电弧还具备清理铝合金表面氧化层的作用［21］。该领域的研究进展虽有报道，但是时效性不强，多为定性分析，传统的统计方法对于该领域的研究也稍显浅薄，因此本文通过文献计量学的方法对激光-电弧复合焊接领域进行了定量分析，通过检索Web of Science（WoS）数据库1995—2021年中的铝合金激光-电弧复合焊接领域的学术论文，进行对关键词的定量分析，了解铝合金激光-电弧复合焊接领域现状。

依据文献计量学结果，本文从焊接接头、微观组织、热影响区、力学性能、激光与电弧的相互作用、在线监测手段及新型激光技术的应用对铝合金的激光-电弧复合焊接的研究现状进行了全面的总结与分析，介绍了最新的发展和取得的成果，并展望了铝合金激光-电弧复合焊接未来的发展。对了解其研究热点、前言知识及研究差距具有重要意义。

1 文献计量学分析

1.1 方法

通过使用VOSviewer可视化工具对Web of Science （WoS）数据库进行计量学分析，检索策略为：TS=（laser arc hybrid weld* or laser hybrid* or hybrid laser arc weld*） and （aluminum alloy* or Al or Al alloy*）。在去除无用词和重复词后，对关键词进行定量分析。

1.2 年出版量

图1显示了1995—2021年期间激光-电弧复合焊接领域论文数量和被引频次，1999年之前，论文数量很少，自1999—2019年，论文数量急剧增长，2020年和2021年略有下降，被引频次逐年增长。可见该领域一直是全球研究热点，且有很大的分析探索空间。

图1 基于WoS数据库的1995—2021年激光-电弧复合焊年度出版物量和被引频次Fig.1 Annual publication volume and citation frequency of laser-arc hybrid welding during 1995—2021 based on WoS database.

1.3 关键词分析

论文中的关键词对研究型论文非常重要，往往反映文章主题。通过检索论文关键词可以在一定程度上把握研究热点。图2显示了激光-电弧复合焊接领域的关键词的可视化叠加，不同颜色对应关键词平均发表时间，颜色越接近黄色，发表时间越晚；颜色越接近紫色，发表时间越早。其中，圆圈的大小代表关键词重复的数量。圆圈大小越大，该关键词出现的次数越多。曲线表示关键词之间的联系。研究热点在不同时间段有所不同，2014年，复合焊接过程和电弧等离子体是研究热点；2016年，研究热点集中在焊接接头、微观组织，气孔上；2018年及以后，研究热点开始转向力学性能、数值模拟及在线检测等方面。

图2 基于WoS数据库（1995—2021）的激光-电弧复合焊接关键词的重叠可视化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数据库的铝合金激光-电弧复合焊接领域已发表论文中的前6个关键词。由此可见，铝合金激光-电弧焊接领域中，焊接接头、微观组织、热影响区、力学性能是激光-电弧复合焊接的主要研究方向，铝合金和激光与电弧相互之间的耦合作用也是重要的研究领域。

2 分析与讨论

2.1 焊接接头

依据电弧焊接的不同方式，激光-电弧复合焊接具体又分为激光-GMAW复合焊接、激光-GTAW复合焊接、激光-等离子弧（PAW）复合焊接等，本文具体讨论电弧类型为射流式的GMAW。

对接接头与T形接头常用于铝合金的激光-电弧复合焊中［22-24］，搭接接头也可用于激光-电弧铆焊中［24］。铝合金激光-电弧复合焊接过程中常采取上述焊接接头形式，并使用有限元模拟的手段对相应工艺进行指导和验证。2009年，Simone等［24］成功将热成像技术和有限元模拟结合应用到铝合金T形接头复合焊中，发现了模拟温度与测量温度的一致性和电源效率值与通用值的一致性。2014年，Atabaki等［23］通过数值模拟优化焊接参数，成功获得了6061和5456的厚板T形接头。2020年，Wang等［25］采取搭接接头的方式成功焊接了铝合金与碳纤维增强聚合物（CFRP）。

2.1.1 宏观形貌

铝合金复合焊接时，通常板厚较小，对接焊时常无需开坡口，特殊情况下，需要单面或双面开坡口，且该工艺装配间隙的适应性较高。铝合金复合焊接头截面形状一般呈现为“高脚杯状”或“锥形状”［26］，受激光与电弧热源复合的作用，焊缝上部为宽的“电弧区（AZ）”，焊缝下部为窄的“激光区（LZ）”。不同板厚及不同工艺的铝合金激光-电弧复合焊接头宏观形貌如图3所示，板厚较小时，激光区并不明显；板厚较大时，二者区分显著。

图3 铝合金激光-电弧复合焊接头宏观形貌［27-29，30-35］Fig.3 Macroscopic morphology of Al alloys LHAW joint［27-29，30-35］

如图3所示，不同铝合金激光-电弧复合焊接头的宏观形貌无明显差异，可见合金元素对接头形貌影响不大。薄板焊接，接头成形良好，如图3（b）、图3（c）。激光-电弧复合焊可以在高速焊接保持良好的接头宏观形貌（图3（b）），在焊接速度为7 m/min时，平均气孔面积分数仅为（0.08±0.001）%，显著强于高速激光焊接［27］。中厚板焊接时，Miao等［28］发现气孔率与焊接电流有关，当电流足够大时（I=190 A），可以获得无气孔的焊缝。但这会明显降低焊缝韧性，并且余高明显。如图3（h）所示，这是因为大的焊接热输入造成焊缝晶粒尺寸变大，晶粒组织粗化，易产生和扩展裂纹，使得焊缝韧性降低。厚板焊接时，截面形状多为“Y”或“V”形，Zhang等［29］认为优化工艺参数后，可以变成“V”形，如图3（d）-3（f）所示，增加了底部的熔宽从而抑制了激光区气孔的出现。超过10 mm厚的铝合金板激光-电弧复合焊接由于焊接缺陷与接头强度低应用较少，一般采用双面焊接的方法，如图3（g）所示，Jiang等［36］通过双面激光-电弧复合焊成功焊接了30 mm的5083铝合金，并发现装配间隙与坡口角度会加剧焊缝咬边与未填满，需要通过盖面的MIG焊接来消除缺陷。

工艺参数对接头宏观形貌起到决定性作用，2015年，Ola等［37］报道，气孔率、气孔尺寸和焊缝深宽比随激光功率增大而增大，不同热源引导方式对气孔率的影响不同，焊接电流的增大有助于消除气孔，但是增加到300 A时，焊缝变得崎岖不平，且有咬边存在［28，30］。在纯氩保护气中，He的加入，可以增加焊缝表面的光亮度，使激光区更加明显；与之相反，CO2的加入，会降低焊缝表面光洁度，使电弧区更明显。这是由于CO2高温下分解生成O原子，进入熔池后，使表面张力系数小于0，将传统的熔池向四周流动的方向变成熔池向内部流动［17］，加上增加了熔池的流动，从而形成深而窄的电弧区。激光-GMAW复合焊中，焊丝干伸长的增加，导致焊缝熔宽增加，焊接熔深减小，尤其是焊丝干伸长超过12 mm［38］之后，熔深急剧减小，飞溅增加，电弧稳定性降低。

此外，实际工程应用中外部因素的干扰也会对接头造成极大的影响，合理地选择接头的装配间隙是要考虑的重要方向。张国瑜［39］复合焊接AA6082铝合金时，发现随装配间隙的增加，焊缝熔宽开始减小。装配间隙小于0.1 mm时，熔融金属下渗到焊缝底部，接头成形良好，装配间隙继续增大到0.5 mm，激光能量从间隙处散射，导致焊接热输入量减小，接头成形较差。

2.1.2 接头缺陷

焊接缺陷是制约接头性能的重要因素，依据GB/T 6417—1986《金属熔化焊焊缝缺陷分类及说明》，本文将铝合金激光-电弧复合焊中常见的焊接缺陷、危害及对应的解决措施列入表2，其中接头的组织成分不均匀性，即偏析也归入了缺陷中。

表2 铝合金激光-电弧复合焊接头常见缺陷Table 2 Common defects in LHAW joints of Al alloys

复合焊中的气孔与其余焊接方法有所不同，该气孔分为冶金气孔和工艺气孔，前者由铝的强吸氢能力导致，后者由于激光小孔易塌陷导致，且材料越厚，小孔越不稳定。但是激光-电弧复合焊的焊缝中气孔的数量及尺寸都要远小于激光焊接的焊缝中的气孔［44］，总结后发现减少气孔的机理如下：

（1）电弧压力的存在，使熔池内部涡流速度加快，搅拌熔池，从而加快气体的逸出速度；

（2）复合焊接形成的熔池较激光焊的熔池下凹，从而缩短气体逸出距离；

（3）复合焊熔池上部的电弧区增大了气体逸出范围；

（4）热输入的增大延长了气体逸出的时间。

此外，熔融金属的凝固速率和填充速率、氢或水分的存在［13，30，37］也会影响焊接接头中气孔的形成。

复合焊接过程中也极易出现热裂纹，有明显的沿晶断裂的特征。这是因为铝合金晶粒在结晶后期，柱状晶体相互交遇，将低熔点共晶挤压到中心部位，形成了割裂晶粒联系的液态薄膜，在外部条件产生的拉应力作用下，造成了热裂纹的形成。

热裂纹的出现，会影响焊接接头的塑性，严重时会导致焊缝开裂，解决措施除了优化工艺参数外，还可以采用以下两种方法。

（1）向焊缝或母材中加入细化晶粒的元素，如Mo、V、RE等。不同系铝合金在凝固过程中裂纹敏感性差异较大，Liu等［54］通过数值模拟的方法，对比研究了多种二元铝合金在凝固过程中合金相图、T-fs曲线及裂纹敏感性曲线，发现Al-Sn合金的裂纹敏感性高，这是因为该合金凝固过程中延迟了抵抗开裂的晶粒桥接。加入细化晶粒的元素，既可以增大晶界的面积，又能改变柱状晶的生长方向，减少杂质的偏析倾向，使液态共晶薄膜难以连接，可以抵抗开裂。

（2）使用铝硅焊丝进行焊接。Kou［55］考虑到发生裂纹的晶界，认为在拉伸应变下晶粒彼此分离导致开裂；晶粒彼此相互生长以桥接在一起以抵抗开裂；晶界之间流入液体可以抵抗开裂。铝硅焊丝焊接中，形成较多的Al-Si共晶组织可在已经凝固的晶粒间自由流动，填充了拉引力造成的晶粒间的缝隙，防止热裂纹的出现。

目前，对铝合金激光-电弧复合焊接头的宏观形貌和焊接缺陷研究较多，且集中于接头软化和气孔问题，大多采用优化工艺来解决缺陷。未来应加入有限元数值模拟手段来扩大工艺窗口，从而提高焊接效率。

2.1.3 接头连接效率

图4总结了激光功率对铝合金激光-电弧复合焊接头连接效率的影响，这里连接效率是接头极限抗拉强度与母材区极限抗拉强度之比。依据参考结果，随激光功率的增加，接头的连接效率增加，但六、七系铝合金受限于合金元素的差异，略有所不同。大多数铝合金复合焊后接头连接效率可达70%以上，但经过焊后热处理（PWHT），显著提高连接效率，可达85%～98%［56-58］，强化机理见2.4.1节。拉伸断裂的位置往往代表接头塑性最差的区域，需要引起重视，焊缝区（WZ）和熔合区（FZ）是接头的薄弱区域，是裂纹源萌生的区域，而母材（BM）几乎未出现断裂，在未来实验中需要进一步探讨如何提升复合焊接头的连接效率与避免WZ与FZ的断裂。

图4 激光功率对铝合金激光-电弧复合焊连接效率的影响［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 微观组织

铝合金复合焊接头一般由WZ、FZ、热影响区（HAZ）和BM组成，接头的IPF图像如图5所示，其中焊缝中心处多为等轴晶，这是基于该处高的凝固速率R和低的温度梯度G；与之相反，母材处多为外延生长的柱状晶和胞状晶；靠近熔合线附近出现柱状晶［34，59-60］。铝锂合金略有不同，其接头处可以形成等轴晶区（EQZ），靠近熔合区的一侧也会形成等轴晶粒，这与Zr、Li有关［61，76］，焊接过程中形成Al3Zr、Al3Li可以促进异质形核，从而形成这种特殊现象。铝合金由于生产方法、热处理及合金元素的不同，晶粒尺寸有所不同，大约在10～50 µm之间［77］，其中LZ由于热输入较低，晶粒尺寸低于AZ，如图5所示，前者平均晶粒尺寸为14.4 µm，后者为20.2 µm［78］，熔合区发生晶粒粗大现象，晶粒尺寸为（66±57） µm，母材为（10±9） µm［75］。

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

铝合金在激光-电弧复合焊后，微观组织变得非常复杂，合金元素和加工路线的不同也造成焊接后析出相不同，具体如表3所示，从而导致面临的焊接问题不同。依据表3可知，不同铝合金复合焊后热裂纹、接头软化和气孔问题最为严重，其解决措施具体参照表2。

表3 不同铝合金激光-电弧复合焊析出相及焊接问题Table 3 Precipitated phase and problems of different Al alloys LAHW

复合焊中工艺参数对微观组织有显著的影响。其中，激光功率是非常重要的一个参数，它制约着激光在工件的能量传输模式，功率密度较低（≤106W/cm2）为热导焊模式，激光能量只被工件表面吸收；功率密度较大（≥106W/cm2）为深熔焊模式，会产生激光小孔［38］。2014年，Casalino等［31］报道随着激光功率的增加，出现树枝状晶粒，枝晶的生长会受到偏析的影响。2020年，Yang等［61］发现当激光功率增大，晶粒变粗大，析出相减少。综上所述，激光功率的增大导致热输入增加，熔池在高温停留时间和凝固时间增加，液态金属流动性增加，从而造成了微观组织发生较大变化。

焊接电流对微观组织的影响规律与激光功率相似，但Leo等［83］研究了能量分布对激光-电弧复合焊AA5754的影响，认为当电弧功率占主导地位时，平均晶粒尺寸变化高于以激光功率占主导地位的接头，焊接电流增大时，电弧区宽度也增大。其余工艺参数对微观组织的影响并不明显。

微观组织一般决定力学性能，铝合金激光-电弧复合焊接头的微观组织研究较为成熟，但在组织演变方面尚有进一步探索的空间，还有如何抑制异种铝合金和铝合金与异种金属连接接头的脆性金属间化合物（IMC）的形成与生长，需进一步深入系统研究探讨。

2.3 热影响区

热影响区（HAZ）受到母材金属化学成分与焊接热循环的作用，组织与性能极其不均匀，一般宽度为0.5～20 mm，本文单独进行研究。大多数研究发现，铝合金复合焊接头多数在HAZ或焊缝区断裂，这是因为焊接过程中，HAZ在高温下，容易出现液化晶界，拉应力作用下，容易开裂。HAZ会发生软化现象，各系铝合金在复合焊后，HAZ硬度都有所降低，如表4所示，这与HAZ的微观组织有关，其一般为等轴枝晶、等轴晶与柱状晶，如图5所示，HAZ的平均晶粒尺寸为（12±10） µm［75］，此外，铝合金高的反射率和高导热性迫使焊接热输入增加，从而可能导致HAZ软化［13］。

表4 铝合金激光-电弧复合焊HAZ的微观组织及显微硬度Table 4 Microstructure and microhardness in LAHW HAZ of Al alloys

如何解决HAZ软化问题在激光-电弧复合焊接领域一直是一个极大的挑战，常用的方法是通过成分控制和工艺参数的调整来缓解HAZ的软化。前者可以通过在焊丝成分中增加Mg的含量，或使用ER5356等焊丝来缓解HAZ软化［31，62］，由于铝镁合金通常在加工硬化条件下连接，因此通过选择在退火条件下具有良好强度的合金来抵消硬度损失。后者适当增加R值（PL/PMIG）［57］和进行焊后热处理［13，35］来缓解HAZ软化。前者通过增加HAZ的凝固速率细化晶粒，但R值过大，使凝固速率过大，会出现凝固裂纹。后者作用较为复杂，对铝镁合金，PWHT既可以促进Mg固溶体的强化和细化晶粒，溶解含铁金属件化合物及可溶性颗粒（Mg2Si、Mg2Al3）来提高硬度，还可以降低镁元素的偏析，从而缓解HAZ软化。对其余铝合金，PWHT可以促进加工硬化组织的恢复，促进第二相强化作用，从而平衡甚至抵消接头区域硬度的损失。

2.4 力学性能

2.4.1 显微硬度

表4总结了不同铝合金接头HAZ和BM的显微硬度，其中HAZ不仅会发生硬度损失，而且硬度分布极不均匀，波动较大。复合焊接头硬度曲线大多呈现“M”形，BM硬度最高，HAZ次之，WZ最低。诸多研究表明，HAZ与WZ软化有以下原因：一是合金元素（Mg、Zn）的蒸发［67］；二是焊接热循环导致部分强化相溶解和聚集粗化，导致强化相减少，降低了强化效果［45］；三是晶粒尺寸的粗大，降低了细晶强化效果。Yan等［46］分别从固溶强化、第二相强化、细晶强化等方面解释了铝镁合金接头强度与硬度损失的原因，并讨论了Pelerls应力对铝合金这种FCC结构金属的影响，更好地论证了上述的3个原因。他认为Pelerls应力对FCC结构的金属影响极小，可以忽略；镁元素（沸点为650 ℃）的蒸发降低了固溶强化的效果；温度超过480 ℃，AlMn和Cr2Mg3Al18的溶解降低了第二相强化的效果；依据Hall-Petch公式，晶粒尺寸的增大会降低细晶强化的效果。

2.4.2 拉伸性能

不同功率分布的复合焊接头的抗拉强度与伸长率如图6所示，对比于母材，接头的抗拉强度与伸长率都有所下降，优化参数（试样4）可大幅提升接头力学性能，但工艺窗口过窄，还需进一步深化研究。Casalino等［31］还通过增量钻孔法测量了靠近HAZ的残余应力，发现降低焊接热输入有利于减小残余应力。

图6 AA5754铝合金激光-电弧复合焊接头的力学性能［31］Fig.6 Mechanical properties of the LAHW joints of AA5754 Al alloys［31］

图7提供了激光-电弧复合焊接不同铝合金的极限抗拉强度与延伸率的关系，其中，五系铝合金的拉伸性能变化也很大，说明加工路线对其影响较大。如前文所述，PWHT也可以进行固溶强化。2006年，Hu等［56］则对AA7075的焊后接头放入480 ℃盐浴中浸泡2～60 min，然后淬火至室温，获得了提高54%抗拉强度的接头，可以实现显著的强度恢复。2015年，Leo等［57］对复合焊后的AA5754铝合金加热到350 ℃，保温20 min，然后空冷，发现抗拉强度相较未处理前提高了19%。

图7 不同铝合金激光-电弧复合焊的极限抗拉强度与延伸率的关系［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］

另一个提高抗拉强度的新策略是使用振荡扫描激光-电弧复合焊（OLAHW），激光束振荡可以通过抑制焊缝的气孔来提高强度。2022年，Hu等［87］通过将磁场加入OLAHW后的AA7050铝合金焊缝中，获得470 MPa的抗拉强度，较普通LHAW提高了20%，也略大于搅拌摩擦焊（FSW）的抗拉强度（450 MPa），该方法可以破坏细等轴晶区的分布，通过弥散强化的方式达到目的。

2.4.3 疲劳性能

疲劳性能对复合焊接接头至关重要，尤其是在循环加载焊接结构的工业领域，如高速车体、船舶海上结构及航空航天领域［64，69］，疲劳强度可以来衡量该方法在工业应用上的可行性，大多数铝合金的疲劳强度在110～120 MPa［32，60，62，64，69］。铝合金接头气孔、裂纹等缺陷会降低高周疲劳寿命和加速疲劳裂纹扩展，为解决该问题，2015年，Wu等［67］提出激光冲击复合接头与打磨接头两种措施，如图8（b）所示，大幅度提升了接头的疲劳寿命，前者通过抑制表面的残余应力，后者通过消除焊趾间的表面裂纹来提高疲劳寿命。疲劳断裂方面，如图8（a）所示，显示有大量疲劳条纹，研究表明，疲劳条纹间的距离等于一个周期疲劳裂纹的增长率，该距离通常随施加载荷的减小而减小，其物理意义即疲劳裂纹扩展速率的减小［62］。

图8 铝合金激光-电弧复合焊接头疲劳性能［32，66］Fig.8 Fatigue properties of LAHW joints of Al alloys［32，66］

2.5 激光与电弧的相互作用

激光与电弧的相互作用对焊接质量具有显著的影响。LBW的焊接速度（＞1.0 m/min）远远高于传统弧焊的焊接速度（0.4～0.5 m/min），高的焊接速度下，传统弧焊由于阴阳极斑点的漂移，造成焊接质量较差［88］。而电弧与激光结合后，在相同焊速下焊接质量与焊缝形貌都较好［61］。

激光与电弧的相互作用主要有以下几点［89-93］：

（1）激光将电弧引入激光小孔，为电弧提供稳定的阴、阳极斑点，限制电弧；

（2）激光深熔焊中，存在多重菲涅尔反射吸收和韧致辐射逆过程吸收的能量传输机制，复合焊中，激光可以更好地吸引和压缩电弧，如式（1）所示；

（3）电弧等离子体同样会吸收激光，大幅度衰减激光能量，其“负透镜效应”会偏析及散焦激光；

（4）激光诱导等离子体的电阻低于电弧诱导等离子体的电阻，二者相互作用时，由于激光等离子体的大量电离粒子进入电弧，降低了电弧的电阻，依据最小电压原理，这可以提高电弧电流，从而压缩电弧体积，降低对电弧周围环境的热辐射；

（5）激光诱导等离子体相比电弧等离子体，有更高的温度及粒子密度，二者相遇时，激光诱导等离子体的粒子进入电弧等离子体中，因此激光诱导等离子体被稀释，降低了激光诱导等离子体对激光的聚焦效应。

式中，η为电阻率，e为电子电荷，m为电子质量，kB为玻尔兹曼常数，库仑对数lnΛ取10，Te为电子温度。激光照在熔池处，温度可达20 000 K，依据式（1）其电阻率约为室温（300 K）的1/544，此时电弧发生明显偏转，电弧中心温度陡升，当该处温度与周围环境温差较大时，电弧收缩强烈，从而集中了电弧的能量，增大了焊缝熔深。此外，电弧等离子体伸入激光小孔，对激光小孔内壁施加压力，从而增加了熔池表面液态金属的表面张力，电弧压力和增加的表面压力都可以阻止激光小孔塌陷［90］。

光丝间距（DLA）对激光与MIG电弧复合的相互作用也有重要影响，它制约着两种热源的耦合作用。高明［38］研究了DLA对熔化能量的影响，当DLA小于或近似等于电弧等离子体半径时（一般DLA＜4 mm），激光等离子体与电弧等离子体相互作用，称之为复合焊接，如图9（a）所示，当DLA大于电弧等离子体半径时（一般DLA＞4 mm），二者通过预热机制来影响，称之为组合焊接，如图9（b）所示。复合焊接具备独有的协同效应，拥有共同的熔池，因而更加常用。激光-电弧复合焊常用工艺参数见表5。张国瑜［39］报道激光-MIG复合焊接2 mm厚的AA6082铝合金，光丝间距为1.5 mm时，焊缝成形质量最高。

表5 激光-电弧复合焊常用工艺参数Table 5 Common process parameters for LAHW

图9 激光与MIG电弧相对位置示意图Fig.9 Schematic diagram of relative position of laser and MIG

电弧与激光的相对位置也对热源的相互作用有显著影响，如图9所示。本文规定激光引导复合焊的方法称为LAHW，电弧引导复合焊的方法为ALHW。5083铝合金LAHW和ALHW的宏观形貌、等离子体行为及熔体流动如图10所示，两种工艺下气孔敏感性、微观组织和力学性能的对比见表6。

表6 不同的引导方式激光-电弧复合焊接5083铝合金对比［35］Table 6 Comparison of LAHW of 5083 Al alloys with different welding direction［35］

图10 GMAW-激光复合焊与激光-GMAW复合焊对比［34］Fig.10 Comparison of ALHW and LAHW［34］

LAHW相较于ALHW，稳定的熔滴过渡及电弧稳定性，以及电弧在后的阴极雾化作用，使得焊缝光洁明亮，飞溅很少，气孔敏感性低。而且熔池的内流动模式可以更好地传递熔融金属到熔池后面，较强的搅拌作用使得形核更加均匀、得到更大尺寸的等轴晶及第二相颗粒。更少的气孔及Mg的损失、更多的分布均匀的第二相颗粒以及高密度位错的形成提高了接头的力学性能［34］。

2.6 激光-电弧复合焊接过程在线监测

基于应用行业对高质量产品及提高生产效率的需求，以光、电、热、声、视觉信号的在线监测手段得到了广泛的研究，尤其是单激光焊接相关的质量检验技术发展非常成熟［95］，但现阶段基于光电信号的激光-电弧复合焊接监测手段研究较少，发展较慢，特别是在铝合金领域。这是因为复合焊接中，受弧光、熔滴、飞溅及金属蒸气的干扰，难以提取到合适视觉信号及特征［96-97］。

特征与焊接缺陷紧密相关，通过对特征的提取，可以有效地进行缺陷的判定及质量评估。例如，通过焊接中的条纹图像，结合熔池边界变化，可有效分析复合焊咬边的产生［98］，同时可以分析熔滴过渡的变化［99］；通过提取分析电流、电压等参数，对电弧感兴趣区域（ROI区域）、金属蒸气变化曲线进行频谱分析，可有效监测复合焊接过程中的稳定性［100-102］。

在线监测系统搭建的过程中常使用红外热成像仪及工业高速相机等仪器，其设备装置如图11所示。红外热成像技术［103］利用福禄克RAYPi20HTRC红外热成像仪获取熔池图像，利用软件处理，依据温度梯度分布来识别判定焊接缺陷，通过算法来进行质量评估，最后生成记录。软件方面，主要以Labview软件为编程平台，使用图形化的G语言进行编程。其中，杨翰文［95］使用CMOS相机采集电弧、熔池及焊缝图像，提取电弧几何参数，使用Labview软件，依据电压稳定性为判据，以熔宽为依据实现复合焊下塌缺陷及焊偏现象的判断。马尧睿等［104］对铝合金激光-电弧复合焊接进行在线监测，基于Labview软件，采集光信号和电信号，进行滤波细化，用算法去除分叉后，将计算值与实测值进行对比，准确度可达96.5%。

图11 激光-电弧复合焊接在线监测平台示意图［97］Fig.11 Schematic diagram of online monitoring platform for LAHW［97］

复合焊过程中，熔宽与其他特征相结合可对焊接质量进行有效监测，熔宽检测逐渐成为研究热点［105-106］，因而，BP神经网络及深度学习算法开始广泛应用于复合焊过程监测中。刘秀航等［96］研究了基于BP神经网络的卡尔曼滤波算法的新型熔宽检测方法，并使用该方法降低了4.4%的熔宽误差。Ye等［107］构建了ATT-LSTM（Attention-Long Short Term Memory）预测模型来预测焊后熔宽，精确度相较于传统方法得到了极大的提升。

2.7 新型激光及激光头在复合焊的应用

激光-电弧复合焊接在铝合金的焊接上具备独特的优势，但工艺参数复杂繁琐，工艺优化过程中极其耗时耗力。基于大量的该类复合焊接的研究，发现激光小孔的稳定性是高质量焊接的最重要因素［13］，但关于激光小孔的流体动力学复杂。为此，众多新型的激光、激光头及复合技术应用到激光-电弧复合焊中。

2.7.1 蓝光激光

不同金属对激光的吸收有较大区别，其中蓝光激光（波长为450 nm）以其更短的波长相比Nd：YAG激光（1 064 nm）、光纤激光（1 070 nm）更具优势。Hummel等［108］就报道了铝合金对蓝色激光的吸收较高。有色金属对光的吸收随波长的增加而减小，尤其是高反射材料（铜、铝等）。因使用近红外激光时需要较大的入射光强度，从而在高功率的近红外激光下熔池中金属蒸汽喷发，导致飞溅和气孔，降低接头的力学性能［109］。此外蓝光激光主要应用于铜的焊接及增材制造，铝合金方面报道较少。肖燕等［110］采用蓝光激光对铜雷达电机进行了激光沉积修复，发现Cu-15Sn的修复层硬度和耐磨性都较铜基体有了较大提高。杨永强等［111］通过蓝光激光定向能量沉积，打印出了最高相对密度99.10%的零件和薄壁圆筒，其中拉伸强度可达196.55 MPa，断后伸长率可达26.72%。

2.7.2 同轴双光斑激光

单光斑激光焊接实际应用中存在部分不足，一方面是激光束斑点较小，装配精度要求极高，焊接适应性差；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动大，影响焊缝质量。同轴双光斑激光可有效避免上述问题［112］，实现双光斑激光一般有两种方法，一是组合两束独立的激光；二是通过透镜分光，将一束光分成两束。前者可以组合不同的光束，后者得到的光束质量基本相同。Deutsch等［113］通过组合两台Nd：YAG激光器成功焊接了5182铝合金，发现前置光能量较后置光能量大时，激光小孔更稳定，且使Mg蒸气充分逸出，降低了焊缝气孔。Punkari等［114］使用同轴双光斑激光焊接5754铝合金时，得到相同规律。综合大量研究发现，同轴双光斑激光可以提高焊缝成形质量，降低焊缝气孔以及提高接头力学性能。

光斑间距也对激光小孔的稳定性有较大影响。孟圣昊等［115］研究发现，光斑间距小于0.9 mm双光束之间有较强的耦合作用，与单光束类似，形成深的激光小孔；光斑间距大于1.5 mm时，双光束之间耦合作用极弱，分开的能量与能量密度均为一半，各自形成的激光小孔宽度及深度较小，熔池形状宽而浅；光斑间距在此之间时，耦合作用有所减弱，但也与母材相互作用，呈现出垂直方向拉长的激光小孔。

2.7.3 振荡扫描激光-电弧复合焊接

尽管激光-电弧复合焊接可以通过两种不同热源相互作用得到高焊接质量的铝合金焊缝，但也存在较多难以避免的问题，如气孔、焊接工艺窗口过窄等。为此，众多科研人员开始研究一种新型的铝合金焊接工艺（振荡扫描激光-电弧复合焊接）。振荡扫描主要通过两种形式实现，一是物镜前振镜扫描，即激光束先通过振镜发生偏转，再通过F-θ透镜聚焦到工件上，形成扫描轨迹。二是物镜后振镜扫描，即激光束先通过动态聚焦系统，再通过振镜进行偏转，最后在工件上形成扫描轨迹。

2014年德国激光应用技术研究所［116］首次将扫描激光束与激光填丝焊结合，成功焊接1 mm的铝合金板，效果较好。王磊［53，117］系统研究了铝合金振荡扫描激光-电弧复合焊接，研究了横向、纵向和圆形不同的扫描模式以及频率和振幅对焊接工艺及焊缝成形的影响，发现随着振幅和频率的增加，焊缝宏观形貌由高脚杯状分别向矩形和半圆形转变，显著提高了焊接质量，对此，他归因于振荡激光束可以增大激光光致等离子体与电弧等离子体相互接触的面积，驱动了彼此的带电粒子进行交换，并且提高了焊接工艺稳定性。王磊等［118］还发现在小电流下，气孔率随振荡激光的振幅和频率的增大而减小，对此，他归因于高频振荡小孔可以“捕捉”熔池和凝固前沿的气泡；还可以扩大小孔直径，提高激光小孔的稳定性；振荡激光束可以搅拌熔池，增加气体的逸出效果，从而抑制了气孔的产生。

2.7.4 激光-CMT复合焊接

冷金属过渡（CMT）具备低热输入、无飞溅、电弧稳定、焊缝成形好等优点，其焊接步骤主要有4步：第1步是起弧，焊丝前给进；第2步是熔滴进入熔池，电流开始减小，熄弧；第3步是焊丝回抽，熔滴脱落；第4步是重新起弧，往复进行。激光-CMT复合焊接不仅能极大地提高焊接熔深，还可以保持CMT热输入低、焊缝成形好等优点，极其适合薄壁件的焊接［119］及铝合金焊接。

Wu等［120］成功使用激光-CMT复合焊接带Nb箔的6 mm厚的A7204P-T4的铝合金。梅述文等［121］使用光纤激光-CMT复合焊的方法成功连接铝钢异种接头，工艺优化后，可以控制热输入低于110 J/mm，金属间化合物厚度为3～8.5 µm，抗拉强度达到铝合金母材的80%左右。Zhang等［122］在使用激光-CMT复合焊接AA6061铝合金时发现相较于传统激光-MAG复合焊，飞溅显著较少。对此，他归因于CMT短路过渡的形式，减少了熔滴对熔池的冲击，避免了激光与电弧两种热源的相互干扰。

3 结语

激光-电弧复合焊接综合了电弧和激光两种不同热源的优势，具备高焊接效率、高焊接质量和高焊接稳定性的特点，经过多年的发展，研究学者对其有了深刻的认识。本文依据文献计量学，从焊接接头、微观组织、力学性能等方面对其进行了综述，得出了以下几点结论。

（1）激光-电弧复合焊接铝合金常采用对接、搭接或T形接头，对接接头截面形状一般呈现为“高脚杯状”或“锥形状”。接头缺陷多为热裂纹、气孔、咬边和合金元素蒸发等。

（2）焊缝中心及靠近熔合区处多有等轴晶出现，伴有明显的细等轴晶区，母材区多为柱状晶和胞状晶。HAZ晶粒复杂，由等轴枝晶、等轴晶与柱状晶组成，是接头的薄弱区域，析出相的不同也导致不同铝合金的晶粒形态有所差异。

（3）铝合金激光-电弧复合焊对接接头的显微硬度波动较大，整体呈现“M”形，不同铝合金抗拉强度及断后伸长率差异较大，疲劳强度集中在110～120 MPa，焊后热处理可以极大地缓解铝合金复合焊接头软化问题，且能提升接头的连接效率到90%以上。

（4）激光与电弧两种热源的相互作用主要是由于激光光致等离子体与电弧等离子体因性能差异较大而发生的相互作用，利用二者的耦合作用可以更好地实现大的焊接熔深和高的焊接效率。

目前，许多学者对铝合金的激光-电弧复合焊接进行了深入的研究，取得了丰硕的成果，但依旧存在不足，为扩大LAHW技术在铝合金领域的应用，还需从以下几个方面进行系统的研究。

（1）针对铝合金窄间隙厚板焊接，存在接头气孔严重的问题，通常需要采取大电流的方法来缓解，但又会造成焊接热输入过大，焊缝晶粒粗化，牺牲焊接接头的韧性，还会出现侧壁焊接未熔合的问题。如何抑制铝合金厚板焊接接头气孔率，提升接头韧性以及解决窄间隙厚板焊接侧壁熔合不良问题，是未来激光-电弧复合焊进一步发展的一项关键瓶颈。

（2）针对铝合金激光-电弧复合焊接中气孔率高、热裂纹、接头区域软化等问题，研究激光-电弧复合焊中焊接过程质量检测与评估，通过机器学习、数字孪生等手段数值模拟复合焊接过程实时监控与评估，从而优化工艺，推动激光-电弧复合焊智能化发展。这也是激光-电弧复合焊接未来数字化、智能化进程的关键一步。

（3）针对激光-电弧复合焊的理论研究及数值模拟还需深入研究，例如激光光致等离子体与电弧等离子体协同作用的解释方面，还需挖掘许多新的理论来支撑复合焊中的特征。数值模拟方面，研究模型及内容有限，尚不能满足工业领域的需求，如在两种热源相互作用的定量分析及熔池内动力学行为方面未达到充实的研究与证明。

（4）针对激光-电弧复合焊接设备系统集成问题，还需要进一步发展。目前激光-电弧复合焊接设备不仅成本较高，还有设备集成复杂问题。蓝光激光、同轴双斑激光及振荡扫描激光-电弧复合焊接等新技术还有待进一步发展。