摘要：镁合金因密度低、比强度和比刚度高、散热性能好等优点，在航空航天、交通和电子等领域应用前景广阔。NS70 镁合金作为新型轻量化高强高耐蚀材料，在结构部件中应用增多。但其焊接稳定性面临挑战，尤其是电弧行为和熔滴过渡稳定性。本文通过激光 - 电弧复合焊接实验，对比激

南京航空航天大学的学者在国际期刊Journal of Materials Processing Technology发表了文章Stabilization mechanism of arc behavior and droplet transition in laser-arc hybrid welding of NS70 magnesium alloy。

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论文导读

镁合金因密度低、比强度和比刚度高、散热性能好等优点，在航空航天、交通和电子等领域应用前景广阔。NS70 镁合金作为新型轻量化高强高耐蚀材料，在结构部件中应用增多。但其焊接稳定性面临挑战，尤其是电弧行为和熔滴过渡稳定性。本文通过激光 - 电弧复合焊接实验，对比激光 - MIG 和激光 - CMT 焊接过程，研究焊接电流和激光功率对电弧特性和熔滴过渡行为的影响，确定优化工艺参数，为 NS70 镁合金工业焊接提供理论依据。

Laser & Electron Beam Processing

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全文概述

由于镁焊丝固有的柔软性及高气化倾向，镁合金的焊接稳定性面临重大挑战。其中，电弧特性与熔滴过渡行为是评估焊接稳定性的关键指标。本研究针对新型轻质材料NS70镁合金开展了激光-电弧复合焊接实验。利用红外测温、光谱分析及高速摄像等多源信息对焊接过程进行同步监测，对比分析激光-MIG与激光-CMT焊接过程中的熔滴过渡行为变化。同时，对电弧等离子体形态、熔池温度及电离强度的变化进行了同步检测与定量分析。研究了在CMT电弧模式下，焊接电流与激光功率对电弧特性及熔滴过渡行为的影响，并依据焊缝表面质量和气孔率确定了最优工艺参数。该研究发现，焊接电流的增大虽然会扩大电弧区域，但同时会扰动等离子体形态。当电流从 I=35A 增加至 I=65A 时，熔滴过渡频率提高了 60.4%，鱼鳞纹密度增加了 99.2%。分析送丝与回抽阶段的熔滴过渡行为可知，采用 35A 焊接电流和 1900W 激光功率的工艺参数，能够有效减轻熔滴对熔池的强烈冲击及熔滴过渡不完全的问题。这些研究成果为NS70镁合金的工业焊接生产提供了可靠依据。

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图文解析

图1通过高速影像对比揭示了激光-CMT焊接的巨大优势：传统激光-MIG模式（图1a）产生大尺寸球状熔滴（直径2.3 mm），以44 ms长周期自由滴落，撞击熔池引发剧烈飞溅；而激光-CMT（图2b）实现短路过渡机制，熔滴面积缩小至2.18 mm²，过渡周期缩短至21 ms，熔滴通过液态金属桥平缓导入熔池，过渡显著更平滑、更稳定。

图1. 不同焊接工艺下熔滴的过渡行为：(a)激光-MIG；(b)激光-CMT。

图2和图3共同解析电流对电弧特性的非线性影响。当电流升至50 A（图2c），电弧面积扩大288%并包裹激光等离子体；但超过50 A（图2d）时，高频引弧（77 Hz）引发湍流羽流，电弧面积反缩19.9%。这证明电流存在临界阈值（50 A），超过后电弧稳定性急剧劣化。

图2. 激光电弧复合焊接一个周期内电弧等离子体形态的变化：(a) I= 35 A；(b) I= 45 A；(c) I= 50 A；(d) I= 65 A。

图3. 电弧起弧频率和电弧面积变化曲线与焊接电流的关系。

图4-5揭示了热力学与光谱响应的内在关联：电流从35 A增至65 A仅使熔池均温微升50℃，但温度波动频率显著降低（图4b），因高频熔滴过渡改善热分布；同时高电流导致Mg⁺离子线（279.5 nm）强度衰减（图5），反映等离子体持续时间的缩短对电离过程的抑制。

图4. 不同焊接电流下熔池温度的变化：(a) 125 ms 内熔池峰值温度变化曲线；(b) 熔池温度波动频率。

图5. 不同焊接电流下 Mg 主要电离离子线和 Al 原子线的强度变化。

图6量化了电流对熔滴行为的调控机制：电流从35 A升至65 A使熔滴面积减小28.0%（1.57 mm²），但过渡频率激增60.4%（77 Hz）。这种"小熔滴高频过渡"模式虽提升熔敷效率，却加剧熔池扰动，为焊缝表面恶化埋下伏笔。

图 6. 不同焊接电流下激光-电弧复合焊接一个周期内的熔滴过渡行为；(a) I= 35 A；(b) I= 50 A；(c) I= 65 A。

图7-8阐明激光功率的核心作用：功率从1100 W增至1900 W使电弧面积扩大73.8%（图7e），偏转系数波动收敛（图7f），证明高功率激光对电弧的约束效应；同时熔池均温提升430℃（图8a），温度波动频率降低59%（303→125 Hz），凸显激光-电弧协同增强热场均匀性。

图7. 不同激光功率下电弧特性的变化：(a) P=1100W；(b)P=1500W；(c)P=1700W；(d)P=1900W；(e)不同激光功率下的电弧区域统计；(f)不同激光功率下电弧偏转因子随时间的变化。

图 8. 不同激光功率下熔池温度的变化：(a) 125 ms 内熔池峰值温度变化曲线；(b) 熔池温度波动频率。

图9-10展示功率对熔滴过渡的优化：1900 W功率下Mg⁺离子线强度提升1.8倍（图9），金属蒸气电离增强；熔滴受力分析（图10b）揭示重力与等离子流力协同增大，驱动熔滴完全过渡（图10h），消除1100 W时的飞溅与残留缺陷。

图9. 不同激光功率下Mg主要电离离子线和Al原子线的强度变化。

图 10. 不同激光功率下熔滴过渡行为随着时间的变化 (a) P = 1100 W； (b) P = 1500 W； (c) P = 1900 W；(d) 不同激光功率下熔池的面积； (e) 不同激光功率下熔滴的面积。

图11突显功率对气孔率的决定性作用：电流变化仅引起0.41%气孔率波动，而1900 W激光功率使气孔率骤降88.8%（0.78%），因高温熔池流动性增强加速气泡逸出。

图11. 焊缝内部气孔分布和不同焊接电流下气孔率的变化，(b,d) 焊缝内部气孔分布和不同激光功率下气孔率的变化。

图12-13从动力学角度解析机制：电流增加缩短熔滴生长周期（Phase II），导致小尺寸熔滴高频冲击熔池（图12e）；而高功率延长熔滴形成时间（Phase II），同时增强斜向合力（图13b），使过渡时间（Phase III）缩短50%，实现熔滴零残留。

图12. 熔滴形成过程中的缩颈阶段熔滴形态：(a) 低焊接电流；(b) 高焊接电流；(c) I= 35 A；(d) I= 50 A；(e) I= 65 A；(f) P = 1100 W；(g) P = 1500 W；(h) P = 1900 W。

图13. 拉丝阶段的熔滴形态和力状态：（a）低激光功率；（b）高激光功率；（c）I = 35A；（d）I = 50 A；（e）I = 65 A；（f）P = 1100 W；（g）P = 1500 W ；（h）P = 1900 W。

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结论

本文深入研究NS70镁合金激光-电弧复合焊接中电弧行为和熔滴过渡的稳定机制，对比激光-MIG和激光-CMT焊接，分析焊接电流和激光功率的影响，得出关键结论：

激光-CMT焊接比激光-MIG焊接更适合NS70镁合金，能提高焊接稳定性。焊接电流增加使电弧面积变化，熔滴过渡频率上升，尺寸减小，熔滴过渡模式从低频大熔滴向高频小熔滴转变。激光功率提高扩大电弧面积，增强电弧稳定性，减少偏移，提升熔池温度均匀性，降低气孔率。优化工艺参数为激光功率1900W、焊接电流35A，在此参数下，NS70镁合金激光-冷金属过渡复合焊接的电弧和熔滴转移稳定性最佳。

来源：端庄优雅橘子atlbjcO