铝合金是重要的结构轻量化材料,广泛应用于飞机、汽车、高速列车制造行业。但是因为特殊的物理化学特性,其激光焊缝冶金缺陷,尤其是气孔缺陷难以消除,很难获得理想的接头性能。如何实现铝合金的高质量、高效率激光焊接,一直是焊接领域的研究热点。激光-电弧复合焊接能够利用两种热源的相互作用得到高质量的铝合金焊缝,但是必须采用大电弧电流来抑制焊缝气孔,导致热输入较大,接头强韧性不理想等系列问题。为此,本文提出铝合金振荡扫描激光束-电弧复合焊接新方法,尝试利用激光束的振荡扫描行为来改善这一现状,提升铝合金复合焊接稳定性和接头质量,重点研究了激光束扫描行为对焊缝形貌、气孔缺陷、组织性能,以及等离子体相互作用和熔池冶金行为的影响规律,主要结果如下:实验研究了三种激光束扫描模式(横向、纵向和圆形),及扫描振幅和频率对焊缝成形和工艺稳定性的影响规律,发现横向扫描焊缝表面成形缺陷以颗粒直径小于0.3mm的小颗粒飞溅带为主,伴随少量颗粒直径大于0.3 mm的大颗粒飞溅;纵向扫描焊缝表面容易形成大颗粒飞溅和粗大的鱼鳞纹;圆形扫描焊缝表面成形质量最高,焊缝表面缺陷最少。其次,扫描参量对横向和圆形扫描焊缝的截面成形影响较大,随着扫描振幅和频率增加由高脚杯状分别向矩形和半圆形转变。相对而言,圆形扫描具有最好的焊缝成形,可以在0.4 mm≤A≤1.0 mm且200<f≤500 Hz的参数范围内获得表面鱼鳞纹致密、无飞溅等成形缺陷的焊缝。基于高速摄影和光谱诊断方法获得了激光束扫描行为对激光光致等离子体-电弧等离子体相互作用,以及熔滴过渡行为的影响规律。研究发现激光束扫描行为可以增强两者的相互作用程度,并降低电弧中心区的电阻率。尤其是圆形扫描具有最强的等离子体相互作用,主要表现在激光辐照区和电弧中心区的光谱强度比无扫描复合焊接分别提升了30%和33%;电子温度分别提升了9%和8.5%;而电子密度提升主要在电弧中心区,提升幅度为43%。这主要是由于激光束扫描行为能够增大激光离子体与电弧等离子体相互接触的面积,驱动两区域的带电粒子交换,进而促进焊丝熔化,细化熔滴直径,有利于提高焊接工艺稳定性、改善焊缝成形。圆形扫描熔滴过渡表现为细颗粒射滴过渡模式,熔滴直径小于1 mm。横向和纵向扫描复合焊接熔滴过渡则因为较弱的等离子体相互作用而表现为“中等颗粒射滴+短路”混合过渡模式,过渡的熔滴直径与焊丝直径相近(约1.6 mm)。对于圆形扫描复合焊接而言,随着扫描振幅的增加,等离子相互作用先增加后减小,熔滴直径也经历了由粗颗粒(直径>1.6 mm)向细颗粒再向粗颗粒的转变过程;当扫描频率增加至200 Hz以后(A=0.6 mm),等离子体相互作用趋于稳定,熔滴过渡主要表现为细颗粒射滴过渡模式。研究了激光束扫描行为(圆形扫描)对复合焊缝气孔率的影响规律,发现激光束扫描可以将获得X射线检测条件下无可见气孔的焊缝(B级焊缝)所需电弧电流阈值降低至100 A,突破了无扫描复合焊接必须采用250 A以上大电流才能消除气孔的技术瓶颈,扩大了铝合金复合焊接的工艺窗口,并建立了获得B级焊缝的扫描振幅和扫描频率阈值的定量关系:f=391.53A2-1143.7A+886.64(A>0.4 mm)。获得B级焊缝的扫描频率阈值随着电流的增加而减小:当焊接电流分别为100 A、150 A、200 A、250 A和300 A时,扫描频率阈值分别为500 Hz、400 Hz、350 Hz、150 Hz和100 Hz。设计了一种“三明治”结构的小孔观测方法,通过观测到的小孔行为和熔池流动特征发现,随着激光束高频振荡扫描的小孔可以“捕获”熔池中气泡,以及凝固前沿已经形成的气孔,是焊缝降低或消除气孔的主要原因。其次,高频扫描激光束能够扩大小孔直径,增加小孔稳定性,将熔池流动由层流转变为湍流,进一步为消除气孔创造了条件。探讨了激光束扫描行为对焊缝组织的影响规律,发现增加扫描振幅和频率可以减小焊缝溶质的偏析程度。当A≥0.8 mm且f≥300 Hz以上时,焊缝宏观偏析程度降低至0.28%以下,比无扫描焊缝降低了300%。激光束扫描形成的熔池搅拌和涡流抽吸效应对上下层熔液对流和溶质扩散起到促进作用,是焊缝偏析减小的主要机制。其次,激光束扫描行为能够促进焊缝柱状晶向等轴晶转变,细化晶粒。对于AA2219-T6铝合金焊缝,当A≥0.6 mm及f≥300 Hz时焊缝中等轴晶含量增加至80%以上,比无扫描焊缝增加了53%(相同电流条件下,200 A);柱状晶长度和等轴晶直径分别减小了73%和56%。对于AA6082-T6铝合金焊缝,随扫描振幅和扫描频率增加,焊缝柱状晶含量由无扫描的75%减少至48%,等轴晶含量由25%增加到了52%。焊缝柱状晶长度由无扫描时的300μm减小至90μm,等轴晶直径由120μm减小至55μm以下。造成这一现象的原因是激光束扫描驱动的熔流搅拌效应降低了熔池固液界面前沿的温度梯度,增强了熔池糊状区枝晶间的强制对流和熔流渗透效应,同时重熔和破碎了柱状枝晶的生长。掌握了激光束扫描参数对焊缝拉伸性能的影响规律,探讨了焊缝力学性能增强机制。对于低合金含量的Al-Mg-Si系AA6082-T6铝合金,在消除焊缝气孔缺陷的前提下,由于焊缝热影响区的过时效效应,所有焊缝标准试样均断裂于该区域,抗拉强度均为230 MPa左右。但是,通过开缺口测试发现,AA6082-T6扫描焊缝熔合区的抗拉强度达到260 MPa,比无扫描焊缝提高了8%。对于高合金含量的Al-Cu系AA2219-T6铝合金,扫描焊缝抗拉强度可提高至320 MPa以上,达到母材的77%以上,比无扫描焊缝提高了近20 MPa,延伸率提高了近40%。分析认为激光束振荡扫描行为在消除气孔、减少焊缝微裂纹/缩松等显微缺陷的情况下,晶粒细化效应是增强焊缝强韧性的主要原因。