來自蘭州理工大學(xué)的研究人員在國際期刊“Journal of Manufacturing Processes”發(fā)表了論文“Arc instability in hybrid laser-GMAW welding process using Ni based filler wire NiCrMo-4”。

本文通過引入電流與電壓的變異系數(shù)（Cv），定量評估了激光-GMAW復(fù)合焊接（LAHW）過程中電弧穩(wěn)定性，突破了傳統(tǒng)僅依賴熔滴過渡頻率和臨界尺寸的評價局限。研究構(gòu)建了激光誘導(dǎo)金屬蒸氣反作用力的理論模型，并采用紅外測溫實驗對熔池溫度參數(shù)進(jìn)行校正，實現(xiàn)了對該作用力的量化計算與作用范圍界定。結(jié)合高速攝影與示波器進(jìn)行過程分析，明確了激光-電弧軸向距離（DLA）對熔滴行為與電弧穩(wěn)定性的調(diào)控機制，為鎳基合金的高質(zhì)量焊接提供了新的過程監(jiān)測方法與工藝優(yōu)化理論依據(jù)。

本研究通過實驗與理論分析，探討了LAHW中DLA對ER-NiCrMo-4鎳基合金焊接穩(wěn)定性的影響。結(jié)果表明，DLA在2~3 mm時電弧最穩(wěn)定，電流電壓波動最小，熔滴過渡模式由不規(guī)則旋轉(zhuǎn)噴射轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定投射過渡。高速攝像分析顯示，DLA過小或過大會導(dǎo)致熔滴過渡不穩(wěn)定、飛濺增多。該研究為鎳基合金LAHW工藝的優(yōu)化提供了重要依據(jù)，推動了其在高端裝備制造中的應(yīng)用。

如圖1所示，隨著DLA增大，電流與電壓的變異系數(shù)（Cv）先降后升，并在DLA=3 mm時同時達(dá)到最小值，表明該條件下電弧燃燒最穩(wěn)定、工藝波動最小，顯示出激光與電弧能量在特定間距下熱源耦合效果最佳。

圖1. 焊接電流和電壓的變異系數(shù)Cv。

如圖2所示，當(dāng)DLA為0 mm和1 mm時，電信號循環(huán)圖波動顯著，存在離散點；DLA為2-3mm時，曲線集中且穩(wěn)定；而DLA增至4-5mm后，散點再度增多，過程穩(wěn)定性下降，表明該距離下激光-電弧耦合作用減弱。

圖2. 不同DLA的環(huán)形圖對比。

如圖3所示，金屬蒸氣反作用力（FD）隨DLA增大而減小，當(dāng)DLA為0 mm時達(dá)到最大值0.04 N，顯著影響電弧與熔滴穩(wěn)定性；當(dāng)DLA增至2  mm時，F(xiàn)D接近零，其對熔滴過渡的干擾基本消失。該結(jié)果從力學(xué)角度解釋了DLA過小時工藝不穩(wěn)定的原因。

圖3. DLA與金屬蒸汽反沖力之間的關(guān)系。

不同光絲間距（DLA）顯著影響熔滴過渡行為：DLA為0-1mm時，熔滴受金屬蒸氣反作用力干擾，熔滴過渡過程不穩(wěn)定；DLA為2-3mm時，實現(xiàn)穩(wěn)定射流過渡，飛濺極少；DLA增至4-5mm后，耦合減弱，過渡再次失穩(wěn)，出現(xiàn)明顯飛濺缺陷。

圖4. 不同DLA下熔滴過渡行為的示意圖。

圖5可以得出，飛濺數(shù)量隨DLA增大呈先降后升趨勢：DLA為0-3 mm時，飛濺顯著減少，尤其在2-3 mm區(qū)間達(dá)到最低，表明過程穩(wěn)定性最優(yōu)；當(dāng)DLA增至4-5 mm，飛濺數(shù)量再度上升。

圖5. 不同DLA下熔滴的飛濺數(shù)量統(tǒng)計。

本文揭示了DLA對鎳基合金激光-GMAW復(fù)合焊接穩(wěn)定性的影響機制，通過多模態(tài)分析方法為鎳基合金材料的高質(zhì)量焊接提供了重要理論依據(jù)與工藝指導(dǎo)，得到了下列結(jié)論：

(1)通過電信號變異系數(shù)Cv和高速攝影發(fā)現(xiàn)，DLA在2–3 mm范圍內(nèi)電弧穩(wěn)定性最佳，電流電壓波動最小，熔滴實現(xiàn)穩(wěn)定投射過渡，飛濺極少。而DLA小于1 mm以及大于4 mm時，均出現(xiàn)顯著的不穩(wěn)定的熔滴過渡過程和飛濺缺陷，表明激光-電弧能量耦合對過程穩(wěn)定性具有決定性作用。

(2)建立了激光誘導(dǎo)金屬蒸氣反作用力的理論模型，結(jié)合紅外測溫實驗進(jìn)行參數(shù)校正，量化了該力隨DLA增大而衰減的規(guī)律。當(dāng)DLA超過2 mm時，反作用力接近零，其對熔滴過渡的干擾基本消失，從力學(xué)角度完整解釋了不同DLA下的工藝穩(wěn)定性差異。