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激光-电弧复合焊接技术及其应用

HIT-1029101

激光焊接以其能量密度高、焊速快、变形小、熔深大和易实现自动化等优点而被广泛应用于各种结构件的焊接。但是，与其他焊接热源一样，激光焊也有其缺点:设备投资大，能量利用率低，焊前的准备工作要求高，接头中易产生气孔、裂纹、咬边等缺陷。为避免单独激光焊所存在的问题，激光一电弧复合焊是最好的选择。激光-电弧复合焊将激光焊和电弧焊两种工艺相结合，取长补短发挥各自优势，不仅能获得好的焊接质量和生产效益，而且还能降低成本，实现高效、优质的焊接[1]。

近年来，随着电弧焊设备和激光器性能的提高，激光-电弧复合焊技术的发展日新月异，已成为激光焊接研究的热点[2]。本文结合国内外激光-电弧复合焊的研究现状，概括了激光-电弧复合焊的特点、激光电弧复合方式、激光与电弧的相互作用以及激光-电弧复合焊成型的的影响因素等几个方面的问题。

1基本原理及提出背景

激光一电弧复合焊接的原理如图1所示，激光与电弧同时作用于金属表而同一位置，焊缝上方因激光作用而产生光致等离子体云，等离子云对入射激光的吸收和散射会降低激光能量利用率，外加电弧后，低温低密度的电弧等离子体使激光致等离子体被稀释，激光能量传输效率提高;同时电弧对母材进行加热，使母材温度升高，母材对激光的吸收率提高，焊接熔深增加。另外，激光熔化金属，为电弧提供自由电子，降低了电弧通道的电阻，电弧的能量利用率也提高，从而使总的能量利用率提高，熔深进一步增加。激光束对电弧还有聚焦、引导作用，使焊接过程中的电弧更加稳定[3]。

图1.激光-电弧符合焊接的原理

单独激光热源的作用区域小，复合焊中电弧的参与，扩大了热作用范围，熔化金属增多，桥接能力增强，降低了对焊件接口的装配要求。同时电弧大的热作用范围、热影响区扩大，温度梯度减小，冷却速度降低，熔池凝固过程变得缓慢，焊接铝合金等金属时可减少或消除气孔和裂纹的生成。

电弧焊接容易使用焊兹填充焊缝，采用激光一电弧复合焊接的方法进一步扩大拼缝间隙的宽容度、减少或消除焊接后接口部位的凹陷，改善焊缝形貌;此外，通过选择不同的焊兹，还可调整焊缝的化学成分，改善力学性能。

2激光-电弧复合热源焊接的特点

激光-电弧复合热源焊接是将电弧与较小功率的激光配合一起从而获得大熔深的焊接方法。它是将两种物理性质、能量传输机制截然不同的热源复合在一起，共同作用于工件表面，从而实现对工件进行加热完成焊接的过程。采用激光+电弧的复合方式可以充分地发挥两种热源的优势，弥补双方的不足，是一种新型、优质、高效、节能的焊接方法。在同等条件下，激光一电弧复合焊比单一的激光焊或电弧焊具有更强的适应性，焊缝的成型性更好。其优点如下[4]。

(l)提高了焊接接头的适应性。由于电弧的作用降低了激光对接头间隙的装配精度的要求，因此可以在较大的接头间隙下实现焊接。

(2)增加了焊缝的熔深。在激光的作用下电弧可以到达焊缝的深处，使得熔深增加。其次由于电弧的作用会增大金属对激光的吸收率也是熔深增大的原因。

(3)改善焊缝质量，减少焊接缺陷。激光的作用使得焊缝的加热时间变短，不易产生晶粒过大而且使热影响区减小，改善焊缝组织性能。由于在电弧的作用下复合热源能够减缓熔池的凝固时间，使得熔池的相变充分的进行，而且有利于气体的溢出，能够有效地减少气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷。

(4)增加焊接过程的稳定性。由于激光的作用在熔池中会形成匙孔，它对电弧有吸引作用，从而增加了焊接的稳定性。而且匙孔会使电弧的根部压缩，从而增大电弧能量的利用率。

(5)提高生产效率，降低生产成本。激光与电弧的相互作用会提高焊接速度，由于电弧的作用使得用较小功率的激光器就能达到很好的焊接效果，与激光焊相比可以降低设备成本。

3激光与电弧的复合方式

激光-电弧复合热源使用的激光器一般有CO2和Nd:YAG激光器。根据激光与电弧的相对位置不同可分为:同轴复合，即激光与电弧处于同轴共同作用于工件的同一位置；旁轴复合，即激光束与电弧以一定的角度共同作用于工件的同一位置。

激光与电弧的旁轴复合根据不同情况又可分为激光在电弧前和激光在电弧后两种。激光与电弧的相对位置不同会对焊缝的表面成形和内部的性能产生重大的影响。激光束在电弧前，焊缝的上表面成形均匀且饱满美观，特别是在焊接速度较大的情况下效果更明显；而电弧在激光束前，焊缝的上表面会出现沟槽。通过对焊缝的成分及性能进行分析，得知两种情况下Mg元素含量都是从焊缝上部到下部递增，而激光在电弧前焊缝上部的硬度小于下部，激光在电弧后焊缝上部的硬度大于下部的硬度。出现这种情况的原因是电弧在后时，热源作用面积大，热源移走后焊缝冷却慢而有利于熔池中的气体溢出，