1　引言

激光焊接具有热变形小、自动化程度高、加工效率高等优点，在汽车、船舶、微电子等领域中有着广泛的应用^［1-3］。传统激光自熔焊接利用激光加热熔化基材以实现连接，由于聚焦光斑小（直径通常小于0.25 mm），其对焊件装配间隙的要求非常高。此外，高能激光束也会导致合金元素的蒸发烧损，并产生咬边、气孔和裂纹等缺陷，从而影响力学性能^［4］。为了解决这些问题，研究者提出了激光填丝焊接技术。它不仅降低了对焊件的装配精度要求，而且通过填充材料，优化焊缝组织成分，提高力学性能。余阳春^［5］采用激光填丝焊工艺焊接2.0 mm厚的铝合金板，即使间隙增至1.0 mm，焊缝仍成形良好、无塌陷。Li等^［6］通过在7075高强铝合金的激光热丝焊中添加Sc粉，降低了焊缝气孔率，提高了接头的显微硬度、抗拉强度和伸长率。方乃文等^［7］对比研究了TC3实心焊丝和Ti-Al-V-Mo药芯焊丝对TC4钛合金激光填丝焊接组织性能的影响，结果显示，与实心焊丝相比，药芯焊丝添加的元素没有导致焊缝偏析，焊缝组织晶粒更加细小，位错密度更高，焊接接头的抗拉强度、断后伸长率和显微硬度均较高。

在通常情况下，激光填丝焊接使用常温焊丝，也称激光冷丝焊。焊接时部分激光能量用于熔化焊丝，为了对熔池进行能量补偿，需要降低焊接速度^［8］，这在一定程度上牺牲了效率优势。因此，研究者利用电流对焊丝进行提前预热，即激光热丝焊。对焊丝进行预热不仅可以增大焊丝对激光的吸收率，而且焊丝预热后熔化所需的激光能量大大减少，提高了填充效率^［9］。Marumoto等^［10］采用激光热丝焊接技术在5.7 m/min的高焊接速度下，获得了具有足够熔深且没有成形缺陷的JIS500钢板角焊缝。Wei等^［11］针对FV520马氏体时效钢激光热丝堆焊建立了一个全面的多相模型，模型预测的焊缝形貌和实际焊接结果吻合良好，并分析了焊接过程中的马兰戈尼流动行为和温度场演变规律。Liu等^［12］采用有限元方法分析了激光热丝焊接温度场对热致残余应力的影响，结果表明，当热丝电压降低时，残余应力特别是横向残余应力明显减小。郑世卿等^［13］通过数学推导给出了激光热丝焊接中送入熔池的焊丝的温度表达式，并通过计算和高速摄影方法发现，当送入焊丝温度接近焊丝熔点时，焊丝的熔化过渡行为最稳定。然而，激光热丝焊接对焊丝尖端和激光焦点位置的对中精度要求较高，存在焊道弯曲和焊缝高度不均匀等问题^［14］。因此，研究者又引入了激光束振荡扫描热丝焊接，降低了系统对光丝对中位置的要求，利用激光束高频扫描搅拌熔池，改变了熔池的温度梯度和凝固结晶过程，进而改善了焊缝表面成形以及微观组织结构^［15］。Wu等^［16］对比研究了不同类型的扫描模式对HLSA钢激光焊接成形和气孔的影响，发现圆形扫描时焊缝气孔率最低，能量分布更加均匀，最大功率密度仅为无扫描时的13%。陈根余等^［17］采用扫描激光填丝焊接技术对2 mm厚的2060铝锂合金进行了实验研究，实验结果表明，焊接过程稳定，焊缝气孔得到有效抑制。Li等^［18］采用振荡激光热丝焊接的方法对20 mm厚的316L不锈钢进行了垂直焊接实验，结果表明，光束振荡促进了焊缝金属的润湿行为，减少了垂直焊接过程中的气孔缺陷。但是，目前关于扫描激光对焊缝显微组织和性能的影响研究还极其有限，尚无法为工业应用提供理论支撑。

本文以工业中常用的Q235低碳钢为研究对象，开展了扫描激光热丝焊接工艺研究。通过与常规激光热丝焊进行对比，研究了扫描参数对焊缝成形、缺陷和组织性能的影响，获取了扫描激光热丝焊接的优化工艺参数窗口，明晰了扫描激光对焊缝金属凝固过程的影响机制，为激光焊接应用范围的扩展提供了指导。

2　实验材料、设备及方法

2.1　实验材料

实验所用的基材为Q235碳素结构钢，其中，平板堆焊基板的厚度为3.5 mm，间隙对接基板的尺寸为50 mm×120 mm×2 mm。填充材料选用直径为1.0 mm的50C6实芯焊丝。基材和焊丝的化学成分如表1所示。

2.2　实验装置及方法

如图1所示，本文采用的扫描激光热丝焊接实验平台主要包括光纤激光器、电弧焊机、工业机器人以及扫描振镜等。

图 1. 扫描激光热丝焊接装置

Fig. 1. Oscillating laser hot wire welding device

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优化的工艺布置和实验方法如图2所示，固定送丝方式为前置送丝，焊枪倾斜角度为45°，送丝落点与聚焦光斑重合，即激光一半作用于母材，一半作用于焊丝，这样布置是为了保证焊丝过渡模式是对熔池干扰程度较小的液桥过渡模式^［19］。激光焦点位于被焊件表面，扫描图形为圆形，扫描振幅（A）等于圆的直径。焊接过程中保护气体为纯度（体积分数）大于99.99%的氩气，采用旁轴吹气方式，气管角度为60°，气体流量约为20 L/min。在激光填丝对接焊实验中，由于熔透状态下激光匙孔的动态稳定性更强，焊接产生的飞溅更少，焊缝组织更加均匀^［20］，故本实验中所有对接焊均为全熔透状态。具体焊接参数如表2所示。

图 2. 扫描激光热丝焊接示意图

Fig. 2. Schematic of scanning laser hot wire welding

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2.3　焊接接头组织分析

采用线切割机截取不同参数下的中部焊缝横截面，经过镶样、磨样、抛光后，使用质量分数为4%的硝酸乙醇对样品进行腐蚀，腐蚀时间为6~8 s。将样品烘干后使用扫描电镜（SEM）对金相样品进行观察，并使用其自带的能谱仪对焊缝组织进行元素分析。

2.4　焊接接头力学性能测试

采用硬度计对焊缝横截面进行硬度测试，测量位置位于焊缝横截面中心线及距离中心线上下0.2 mm的位置，如图3所示，测点间距为0.2 mm，实验加载力为9.8 N，保荷时间为20 s，结果取同一竖直线上三个点硬度的平均值。设计并切取拉伸样，如图4所示，使用拉伸试验机进行拉伸测试，拉伸速度为2 mm/min，结果取三个拉伸样的平均值。拉伸后同样使用扫描电镜观察断口。

图 3. 硬度测试位置

Fig. 3. Hardness test positions

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图 4. 拉伸试样示意图。（a）取样示意图；（b）拉伸试样尺寸示意图

Fig. 4. Schematics of tensile specimen. (a) Sampling diagram; (b) diagram of tensile specimen size

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3　实验结果与讨论

3.1　焊缝宏观形貌

如图5所示，扫描振幅和扫描频率对焊缝表面与截面形貌有着显著影响。当不加扫描激光时，焊缝正面存在局部不均匀现象，焊缝周围存在明显的飞溅带，飞溅颗粒较小但数量较多，焊缝截面底部尖锐，呈现明显的钉子形。对比图5（a）和图5（b）可知，在引入扫描振幅A=0.6 mm、扫描频率f=100 Hz的扫描激光束后，焊缝表面的飞溅明显减少，焊缝变得光滑平直。通过测量发现，焊缝熔深由无激光扫描时的3.370 mm下降到激光扫描时的2.212 mm，下降了约34%，焊缝熔宽由无激光扫描时的2.037 mm增大到激光扫描时的2.327 mm，增大了约14%，焊缝截面形状也由无激光扫描时的钉子形转变为激光扫描时的“U”形。显然，扫描激光的加入能使焊缝成形更加均匀，飞溅更少，说明扫描激光的加入能提高熔滴过渡的稳定性。

图 5. 不同扫描参数下的焊缝表面与截面形貌

Fig. 5. Weld surface and cross section morphologies under different scanning parameters

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保持扫描振幅A=0.6 mm不变，增大扫描频率，对比图5（b）和图5（c）可以看出，当扫描频率为100 Hz时焊缝存在极少量的小颗粒飞溅，而当扫描频率为200 Hz时，焊缝基本没有飞溅的产生。当扫描振幅增大到1 mm时，焊缝表面出现咬边缺陷，如图5（f）、（g）所示。当扫描频率从100 Hz增大至200 Hz时，咬边现象变得更加严重。这是因为当扫描频率增大到100 Hz以上时，扫描激光束的能量分布特征为两侧能量高、中心能量低^［21］，焊缝两侧的母材金属熔化较多，没有足够的熔融金属及时填充，因此出现了咬边现象。

3.2　微观组织分析

图6所示为母材的微观组织，可以看出Q235钢的母材主要由铁素体组织构成。图7（a）和图7（b）分别为加入扫描激光前后焊缝中心的微观组织图片。对比可以发现：加入扫描激光前焊缝熔合区中心部位的组织含有粗大的柱状枝晶，主要由侧板条铁素体（FSP）和针状铁素体（AF）组成。这是因为加入扫描激光前焊缝中心的能量密度大，温度较高，有利于FSP在奥氏体晶界处形成，并快速生长，当其遇到新的铁素体（即针状铁素体）形核时，生长便受到阻碍^［22］。加入扫描激光后焊缝熔合区中心部位主要为块状组织，由细晶铁素体（FGF）、针状铁素体等组织组成。熔合区的组织类型发生改变的原因是扫描激光焊接扩大了激光的作用范围，使熔池的能量分布更加均匀，降低了熔池的温度梯度，在散热条件不变的情况下，焊缝发生固态转变的温度较低，最终导致焊缝中心区域的组织以转变温度较低的细晶铁素体和针状铁素体为主。从图7（a）还可以看出，加入扫描激光前在焊缝熔合区中存在固体夹杂（SI），这种硬脆相能增加焊缝的硬度，但其对焊接接头的韧性不利。为了进一步确定夹杂的具体成分，采用能谱仪（EDS）对夹杂成分进行测试，如图7（a）所示，测点分别为P1、P2。测试结果如图8所示，可以看出，P1点和P2点处的成分均以Fe元素和C元素为主，含有微量的Mn元素和Si元素，未检测到氧元素，因此可以基本确定此处的夹杂成分为碳化铁。

图 6. 母材的微观组织

Fig. 6. Microstructure of base metal

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图 7. 焊缝中心的微观组织。（a）加入扫描激光前；（b）加入扫描激光后

Fig. 7. Microstructures of weld centers. (a) Before adding scanning laser; (b) after adding scanning laser

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图 8. 测点处元素的质量分数

Fig. 8. Mass fractions of elements at measuring points

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图9（a）、（b）分别为扫描激光热丝焊热影响区的粗晶区和细晶区的微观组织图片。由于激光和电流两种热源的共同作用，焊接热输入较大，粗晶区奥氏体晶粒的长大倾向严重，故冷却到室温时生成了上贝氏体（B_u）和粒状贝氏体（B_g）。细晶区距离熔合区更远，热输入较小，虽然原有的铁素体全部转化为奥氏体，但在凝固过程中奥氏体晶粒来不及长大，因此冷却到室温时奥氏体转变为大小不均的块状铁素体和珠光体（P）。

图 9. 扫描激光热丝焊接热影响区的微观组织。（a）粗晶区；（b）细晶区

Fig. 9. Microstructure of heat affected zone in scanning laser hot wire welding. (a) Coarse-grained region ;(b) fine crystal region

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3.3　焊接接头的力学性能及分析

3.3.1　拉伸性能

焊接接头的拉伸实验结果如表3所示，三种焊接工艺下的拉伸试样均断裂在焊缝熔合区（FZ）。激光热丝焊接接头的抗拉强度均值为574.7 MPa，扫描激光热丝焊接接头的抗拉强度均值为578.8 MPa，两者的抗拉强度基本相当，均优于激光冷丝焊接接头的抗拉强度（528.3 MPa）。但激光热丝焊接接头的拉伸断口延伸率为8.4%，加入扫描激光后延伸率提高到13.1%，提升了55.9%。这是因为当扫描激光束在熔池内以一定的速度和轨迹移动时，熔池中产生了大量湍流，这些湍流不断冲击树枝晶的尖端，致使其断裂破碎，从而抑制了柱状枝晶的进一步生长^［23］。这些破碎的晶粒被带入熔池并保存下来，成为了新晶粒形成时的晶核，提高了形核率，有利于焊缝晶粒的细化和等轴晶的形成，因此焊缝的韧性增强，接头延伸率提高。

图10（a）、（b）、（c）分别为激光冷丝、激光热丝和扫描激光热丝焊接接头的拉伸断口形貌，可以看出，三种焊接方式得到的焊接接头的拉伸断口表面均覆盖着大量韧窝，表明三者均为典型的韧性断裂。其中激光冷丝焊接接头和激光热丝焊接接头的断口由尺寸较大的韧窝和其周围的小韧窝组成，而扫描激光热丝焊接接头的断口表现为较为均匀的等轴韧窝，因此其延伸率更大，韧性更好。从图10还可以看出，激光冷丝焊接接头和激光热丝焊接接头的断口韧窝底部均存在夹杂物，而扫描激光热丝焊接接头的断口韧窝底部没有发现夹杂物，说明扫描激光提高了焊缝成分的均匀性，抑制了偏析。

图 10. 拉伸试样的断口形貌。（a）激光冷丝焊接接头；（b）激光热丝焊接接头；（c）扫描激光热丝焊接接头

Fig. 10. Fracture morphologies of tensile specimens. (a) Laser cold wire welded joints; (b) laser hot wire welded joints; (c) scanning laser hot wire welded joints

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3.3.2　接头显微硬度

图11（a）、（b）分别为加入扫描激光前后焊接接头的硬度分布。可以看出，两种焊接方式下焊接接头都是熔化区硬度最高，且热影响区（HAZ）的硬度高于母材（BM）但明显低于熔合区，这是因为两种焊接方式下焊接接头的熔合区均包含长短不一的针状和条状铁素体，其硬度大，韧性差。其中，加入扫描激光前焊缝熔合区的平均硬度为197.8 HV，加入扫描激光后焊缝熔合区的平均硬度为171.6 HV，后者相较于前者下降了约13%。在扫描激光热丝焊接过程中，扫描激光束驱动的熔池强制流动占主导，且其显著强于激光热丝焊接过程中由表面张力差引起的Marangoni对流^［24］，因此光束搅拌效应促进了液态金属完全凝固前的对流传质，有利于焊缝中溶质的均匀分布。而激光热丝焊接焊缝中心部位的激光能量集中，熔池的温度梯度大，成分过冷难以形成，柱状晶从熔合线向焊缝中心生长，将杂质“推”向熔池中心，从而造成区域偏析，在熔合区中形成了硬而脆的碳化物，提高了熔合区的显微硬度，但是降低了焊缝接头的韧性。

图 11. 焊接接头的硬度分布。（a）激光热丝焊接；（b）扫描激光热丝焊接

Fig. 11. Hardness distributions of welded joints. (a) Laser hot wire welding; (b) scanning laser hot wire welding

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3.4　扫描激光热丝焊接的间隙容忍度

为了降低激光填丝焊接技术对工件装夹精度的要求，本文还研究了不同参数下激光填丝焊的对接间隙容忍度，实验结果如图12、13所示。在研究对接间隙的工艺实验中，固定激光功率P=1.8 kW，焊接速度V_w=1.0 m/min，送丝速度V_f=3.0 m/min。从图12可以看出，在保证焊缝成形良好、无塌陷的情况下，对于2 mm厚的Q235钢，激光冷丝焊接所允许的最大对接间隙为1 mm，当间隙提高到1.1 mm时，如图13（a）、（b）所示，由于聚焦光斑很小，激光能量从间隙中漏出，故焊缝产生严重的咬边和侧壁未熔合现象。加入I=100 A的热丝电流后，最大对接间隙提高至1.1 mm，提升了10%。当间隙为1.2 mm时，如图13（c）、（d）所示，激光热丝焊接焊缝也出现了明显的侧壁未熔合现象，熔化区金属基本只附着在焊缝一侧。加入A=1 mm、f=50 Hz的扫描激光束后，当间隙为1.3 mm时仍能得到无缺陷、成形良好的焊缝，当间隙为1.4 mm时焊缝出现了塌陷。相比激光热丝焊接，扫描激光热丝焊接将最大对接间隙提升了约18.2%，达到了母材板厚的65%。这是因为焊缝侧壁熔化的热量主要来自热传导^［25］，扫描激光热丝焊接通过扩大激光作用范围，提高了远离焊缝中心线两侧的熔池温度，并且扫描激光产生的涡流将熔池中心的高温液态金属带向侧壁，进一步促进了基板侧壁的熔化，在液桥作用下^［26］，母材侧壁对熔池内熔融金属的吸附力增大，从而避免了咬边、侧壁未熔合等焊缝缺陷的产生，提高了激光热丝焊接的间隙容忍度。

图 12. 不同对接间隙下的焊缝截面形貌

Fig. 12. Appearances of weld sections under different butt clearances

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图 13. 焊缝形貌

Fig. 13. Weld morphologies

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4　结论

在扫描激光热丝焊接实验中优化了工艺参数，当扫描直径为0.4~1.0 mm、扫描频率为50~200 Hz时，所得到的焊缝均成形良好，焊缝平整无缺陷，且几乎无飞溅，证明了扫描激光对焊缝成形具有良好的改善作用。同时，扫描激光提高了激光热丝焊接的间隙容忍度，有利于在间隙不均匀时实现稳定焊接，得到与母材侧壁熔合良好、表面无塌陷的焊缝。扫描激光对焊接熔池的搅拌作用能够促进熔池流动，细化晶粒，扫描激光热丝焊接焊缝熔合区组织主要为细晶铁素体和针状铁素体。相比之下，激光热丝焊接焊缝熔合区组织主要为较粗大的板条铁素体。

相比激光热丝焊接，扫描激光热丝焊接接头在抗拉强度基本不变的情况下，断口延伸率提升至13.1%，说明加入扫描激光可有效提高焊缝的韧性，断口电镜图中更深的韧窝也证明了这一点。

激光热丝焊接焊缝熔合区的硬度最高，热影响区其次，母材硬度最低。扫描激光热丝焊接焊缝的熔合区硬度低于激光热丝焊接，这主要是因为激光热丝焊接焊缝熔合区易发生偏析，生成的夹杂物提高了显微硬度。