武汉轻工大学[JMR&T]通过摆动激光诱导等离子体相互作用增强激光-电弧混合焊接中的液滴转移

非扫描条件下激光-电弧相互作用机制见图1。激光能量集中，匙孔上方形成窄而高的激光等离子体，富含离子与电子；在合适的激光-电弧间距下，电弧被激光等离子体吸引并向匙孔偏移，匙孔上方等离子体高度最高。激光持续作用使匙孔成为稳定电子发射源，匙孔附近形成稳定阴极斑点。依据最小电压原理，电弧等离子体覆盖范围内的阴极斑点与焊丝端部阳极区之间形成抛物线形导电通道，激光与电弧通过该通道发生强烈粒子交换。

图1 非摆动模式下激光-电弧相互作用机制（电荷流效应）

不同扫描模式与参数下的典型电弧等离子体形貌如图2所示（振幅A=0.6 mm，频率f=300 Hz），在电流峰值时刻t=1 ms时电弧均呈“钟罩形”，而在t=1.14~1.7 ms的电流下降阶段电弧出现收缩，并在光束振荡的牵引下随匙孔运动呈现规律性变化：横向扫描时电弧靠近匙孔的一端形成凸起并沿焊缝中心往复运动，径向扫描时电弧凸起部位随扫描持续拉伸与压缩并沿径向往复摆动，圆形扫描则通过导电通道的摆动将更多电弧引入激光辐照区域，使电弧在电流下降阶段保持相对稳定、整体波动更小。由此可见，圆形扫描能够有效促进复合焊接等离子体的粒子交换，使电弧在峰值阶段维持更稳定的形态。

图2 不同扫描模式下电弧等离子体高速摄影对比

本文采用脉冲电弧模式，脉冲峰值电流最大达450 A，电弧基值电流仅50 A，因此激光等离子体与电弧等离子体的相互作用主要发生在电弧峰值阶段。为简化问题，假设不同扫描模式下电弧等离子体体积相同，将激光等离子体与电弧等离子体投影至二维平面，将光束振荡与电弧相对位置的复杂三维空间问题简化为二维问题。以振幅A=0.6 mm 为例（见图3），电弧峰值时刻等离子体强度最高，电弧等离子体完全覆盖激光等离子体，激光-电弧相互作用最强；随电弧电流降低，电弧等离子体逐渐减小。非扫描模式下激光束位置固定，电弧电流降低时激光-电弧相互作用减弱；光束振荡可增大激光与电弧等离子体相互作用区面积，圆形扫描形成的相互作用面积大于其他模式。扫描旋转过程中，激光束通过导电通道将更多激光等离子体中的电子带入ArcZ区，同时电弧中正离子也沿导电通道进入LaserZ区，粒子交换显著增强。

图3 不同激光扫描模式下激光等离子体与电弧等离子体位置关系

由前述激光-电弧等离子体相互作用结果可知，光束振荡可增大激光与电弧相互作用区面积、促进粒子交换，提升焊丝端部熔化速率与熔化量。在焊接电流（送丝速度）固定条件下，熔液柱长度相应增加，导致熔液柱颈缩直径DR改变。

不同扫描模式下熔液柱颈缩直径DR统计平均值见图4：与非扫描相比，激光扫描使熔液柱颈缩直径显著减小，径向与圆形扫描最小（约0.45 mm），较非扫描减小近一半。

图4  不同激光扫描模式下熔液柱平均颈缩直径

基于激光-电弧相互作用与液滴受力分析，图5阐明了不同扫描模式对液滴过渡行为的作用机制：非扫描模式下匙孔与焊丝相对位置固定，熔液柱颈缩直径大，液滴难脱离且易短路产生大量飞溅；横向扫描时匙孔沿垂直熔池中心线往复运动，路径拐点处等离子体对电弧吸引力最强，使液滴易偏向熔池两侧，增大焊缝边缘飞溅；径向扫描的匙孔沿熔池中心线往复运动，靠近焊丝时易直接辐照液滴导致过热爆炸，剩余熔液柱后摆并形成飞溅；而圆形扫描的匙孔做顺时针圆周运动，无明显拐点，熔液柱颈缩直径最小，液滴细小易脱离，光束直接辐照概率低，电弧力方向稳定，液滴过渡平稳且飞溅极少。综上，圆形扫描明显优于横向与径向扫描，能够显著提升焊接过程稳定性、强化激光-电弧相互作用并优化液滴过渡特征。

图5 不同激光扫描模式下液滴过渡机制