光纤激光-TIG复合焊接小孔型气孔形成规律的学习体会

一、文献概况与研究背景

北京工业大学赵振家、祝宝琦、邹江林、郭士慧、孔华团队于2023年在《中国激光》第50卷第12期发表的这篇论文，针对光纤激光-TIG复合焊接焊缝中普遍存在的小孔型气孔问题，采用独特的"线性提高激光功率"试验方法，系统揭示了激光功率和电弧电流对小孔型气孔形成的影响规律。该研究由国家自然科学基金面上项目（51875007）和北京市自然科学基金面上项目（3222004）资助，来源于激光工程研究院高功率及超快激光先进制造实验室。

小孔型气孔（Keyhole-type Porosity）是激光焊接和激光复合焊接中最具特征性的缺陷之一，其形成机制与常规气孔有本质区别。常规气孔主要由冶金反应产生的气体（如H、N、CO等）在凝固过程中被捕获而形成，而小孔型气孔则与小孔的稳定性直接相关。在复合焊接中，两种热源的协同作用使小孔行为更加复杂，气孔控制难度显著增加。

二、核心试验方法与关键发现

2.1 线性提高激光功率的试验方法

该研究采用了一种巧妙的试验方法：在焊接过程中将激光功率从0 kW线性增加至3 kW，同时保持电弧电流恒定。这一方法的精妙之处在于，可以在单次焊接试验中获取激光功率从0到3 kW全范围内的气孔形成规律，避免了多次独立试验可能引入的母材状态差异，使结果更加可靠。

2.2 气孔形成的关键参数区间

论文的核心发现可以概括为以下几个关键参数区间：

2.3 小孔型气孔的形成机制

论文进一步分析了小孔型气孔的形成机理，提出了两个关键影响因素：

• 电弧作用于小孔口的力是增加小孔不稳定性、提高焊缝中小孔型气孔数量的主要原因。在复合焊接中，电弧产生的等离子体压力作用于小孔口，会扰动小孔的几何形状，导致小孔壁坍塌或局部破裂，从而将熔池中的气体卷入焊缝形成气孔。
• 激光功率变化导致孔内激光致蒸发量的变化是复合焊接焊缝中气孔数量改变的主要因素。激光功率过低时蒸发量不足，小孔未完全形成；功率适中时蒸发量适中但小孔不稳定；功率过高时蒸发量增大，小孔趋于稳定，气孔反而减少。

2.4 复合焊接的协同效应

当激光功率为2 kW时，150 A的TIG电弧电流使熔宽提高了94%，熔深提高了35%，同时控制了飞溅数量，改善了焊缝表面成形质量。这一结果充分展示了复合焊接的协同优势：激光提供深熔能力，电弧提供宽熔池和良好的润湿性，两者结合获得了单一热源无法实现的焊缝几何形状。

三、工程实践中的气孔控制策略

3.1 基于FMEA的气孔风险管控

从FMEA（失效模式与影响分析）的角度，小孔型气孔的风险管控可以从以下几个维度展开：

• 激光功率控制：避免在0.8~2.2 kW的"危险区间"内长时间运行，优先选择>2.2 kW的稳定区间进行焊接。
• 电弧电流匹配：在激光功率确定的前提下，优化电弧电流以最小化对小孔口的扰动。
• 保护气流量控制：保护气流量应控制在15 L/min以下，避免过大的气流干扰小孔稳定性。
• 焊接速度匹配：焊接速度与激光功率、电弧电流的匹配关系需要系统优化，过慢的速度会延长小孔不稳定的持续时间。

3.2 工艺参数窗口的工程应用

在实际生产中，工艺参数窗口的确定是工艺开发的核心任务。基于该研究的结论，可以建立以下工艺窗口指导原则：

• 对于要求深熔的焊接接头，优先选择激光功率>2.2 kW的工艺方案，此时小孔稳定，气孔风险低。
• 对于薄板焊接或热敏感材料，若必须使用较低激光功率，应通过优化电弧电流和焊接速度来补偿，避免进入气孔高发区间。
• 保护气流量应作为关键控制参数纳入SPC（统计过程控制）体系，设置上限报警值。

四、学习心得与启示

这篇文献让我深刻体会到，焊接缺陷的控制不能仅靠"试错法"，而需要深入理解缺陷形成的物理机制。"线性提高激光功率"这一试验方法的创新之处在于，它巧妙地将一个多变量问题转化为单变量问题，使工艺参数的影响规律更加清晰可辨。在实际工程实践中，我们往往面对的是复杂的工艺参数组合，容易陷入"头痛医头、脚痛医脚"的困境，而这篇论文的方法论提醒我们，应当通过科学的试验设计，将复杂问题分解为可管理的简单问题，从而实现对焊接质量的精准控制。