武汉轻工大学的学者在国际期刊Journal of Materials Research and Technology上发表了文章Enhancing droplet transfer in laser-arc hybrid welding via oscillating laser-induced plasma interaction。
在航空航天、新能源汽车等领域，铝合金因其优异的比强度和轻量化特性成为核心结构材料。然而，单一的电弧焊或激光焊在应对铝合金的高导热性、易氧化及高反射率时，容易面临热输入过大或极易产生气孔等挑战。激光-电弧复合焊接通过热源协同效应，显著提高了焊接效率并降低了气孔和裂纹缺陷的发生率。近年来，摆动激光技术的引入为动态控制等离子体分布和熔滴过渡行为提供了新手段，通过高频改变扫描轨迹来重塑复合热源的物理耦合机制，对实现高质量焊接具有重要的理论意义。
Laser & Electron Beam Processing
本研究系统剖析了不同激光摆动模式（横向、径向、环形）对 8 mm 厚 AA6082 铝合金复合焊接过程中熔滴过渡行为的深层影响。利用高速摄影与数字图像观测发现，无扫描模式会导致粗滴排斥过渡并伴随严重飞溅，而横向与径向扫描虽有改善，仍以中等液滴和短路过渡为主。实验结果表明，环形扫描独特地促进了稳定的细滴排斥过渡，使平均熔滴直径降低了 47%（至 0.9 mm），过渡时间缩短了 44%（至 3.8 ms），并大幅抑制了飞溅。通过对特征光谱数据进行定量提取分析揭示，环形扫描最有效地增强了激光-电弧等离子体的相互作用，显著提高了电弧区的电子温度与电子密度，降低了电弧电阻率，从而促进了焊丝的快速熔化并细化了液态金属柱的颈缩直径。
Laser & Electron Beam Processing
图1 展示了不同扫描模式下电弧等离子体的高速摄影形貌对比。结果表明，在环形扫描模式下，随着导电通道的持续摆动，更多的电弧等离子体被引入激光照射区，等离子体在电流下降阶段保持相对稳定。这种模式显著促进了复合焊接等离子体内部的粒子交换，保持了最宽的相互作用区域。
图 1. 不同扫描模式下的电弧等离子体高速摄影图像
图2 揭示了不同扫描模式对等离子体电子温度和电子密度的影响规律。结果表明，环形扫描模式下中心电弧区的电子温度达到了 14540 K，较无扫描模式提升了约 8.5%；同时其电子密度达到了 1.22×10^18 cm^-3，大幅提升了 43%。这种电参数特征的显著跃升，是环形扫描有效降低电弧电阻率、提高区域导电性的物理逻辑基础。
图3统计了不同激光束扫描模式下的平均熔滴过渡时间与平均直径。结果表明，无扫描模式的过渡时间最长（6.8 ms）且直径最大（1.7 mm）。相比之下，环形扫描的平均过渡时间最短（3.8 ms），平均直径最小（0.9 mm），降幅分别达到 44% 和 47%。这直观体现了环形热源扫描对加速熔滴脱落和细化熔滴的巨大促进作用。
图3. 不同扫描模式下的平均熔滴过渡时间与平均直径
图4 描绘了在不同激光束扫描模式下熔滴过渡受力机制的空间分布。结果表明，无扫描模式容易因液态金属柱过长而导致短路飞溅；横向和径向扫描容易在路径转折点引发液态金属柱失稳或产生金属蒸气反作用力。相比之下，环形扫描模式提供了动态连续的电弧机械力方向，避免了激光对熔滴的直接照射爆炸，从而保证了细熔滴的平稳脱落.
Laser & Electron Beam Processing
本研究揭示了摆动激光特别是环形模式在铝合金复合焊接中的核心调控机制。环形扫描大幅增强了激光与电弧等离子体的相互作用，有效提升了等离子体导电性并加速了焊丝端部的熔化。在机理层面，电弧性能的提升使液态金属柱显著变细，根据流体不稳定性理论，更小的颈缩直径（约 0.45 mm）降低了断裂的临界波长，从而直接促进了熔滴细化；同时均匀的圆周运动提供了动态稳定的电弧电磁力与机械力方向，引导细滴平稳落入熔池。本研究明确了环形扫描是高质量铝合金复合焊接的最佳工艺策略，为通过等离子体与热源物理空间调控提升焊接质量提供了实践指导。
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https://doi.org/10.1016/j.jmrt.2026.02.068
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