高能焊教案-(第1章)-激光焊-(第7节.-激光电弧复合焊)

第一章：激光焊接第1章激光焊接第7节、激光电弧复合焊1激光电弧复合焊接（laser-archybridwelding）什么是激光-电弧复合焊接？将激光束和电弧通过一定方式的组合后，作为复合热源来实现焊接的过程。右图所示：laserbeamandMAG-arc

激光+熔化极电弧焊（惰性气体+氧化性气体）第1章激光焊接2激光—电弧复合的发明、发展介绍激光焊优势：激光焊接是20世纪70年代发展起来的高能束熔化焊接方法，激光焊接具有加热集中、母材热损伤小、焊件变形小精度高，易于实现自动化生产等特点，在汽车、航空航天、机械、电子等制造业中得到了越来越广泛的应用。局限：然而激光焊接对于焊件的装配精度要求高，新型高强钢和金属基复合材料激光焊还存在易产生焊接裂纹、接头性能恶化的工艺问题；同时，激光焊接设备一次性投资比常规焊接方法大得多。改善：有必要对激光焊接技术进一步改善，以更为充分利用昂贵激光设备进行优质高效焊接，并克服上述缺点。方法：将普通热源与激光相结合起来的复合焊接技术是近年来的一个重要发展方向。近年来，美、日、德十分重视复合激光焊接技术的研究并已开发多种复合激光焊接技术。第1章激光焊接3Steen首创：激光—电弧复合热源焊接方法早在20世纪80年代就由英国学者Steen提出，但自此以后很长时间内，科技工作者们并没有对其做更深一步的研究与发展。现实应用：稳定的加工是近几年才出现的，这主要得益于激光技术以及弧焊设备的发展，尤其是激光功率和电流控制技术的提高。继续研发：近年来，研究人员已经重新把注意力转移到这项技术上，并且尝试着结合激光与电弧的各自优点使两者获得最佳配合。

激光—电弧复合的发明、发展介绍第1章激光焊接4复合焊接的特点：复合焊接时，激光产生的等离子体有利于电弧的稳定；复合焊接可提高加工效率；可提高焊接性差的材料诸如铝合金、双相钢等的焊接性；可增加焊接的稳定性和可靠性；通常，激光加丝焊是很敏感的，通过与电弧的复合，则变的容易而可靠。激光-电弧复合主要是激光与TIG、Plasma以及MAG。通过激光与电弧的相互影响，可克服每一种方法自身的不足，进而产生良好的复合效应。例如，MAG成本低，使用填丝，适用性强，缺点是熔深浅、焊速低、工件承受热载荷大。激光焊可形成深而窄的焊缝，焊速高、热输入低，但投资高，对工件制备精度要求高，对铝等材料的适应性差。

激光—电弧复合的发明、发展介绍

第1章激光焊接5

激光焊接由于产生了等离子体云，使能量利用率降低；而且等离子体对激光的吸收与正负离子密度的乘积成正比。如果在激光束附近外加电弧，电子密度显著降低，等离子云得到稀释，激光的吸收率大大提高。同时，电弧也对焊接母材进行预热，使母材温度升高，也使激光的吸收率进一步提高。所以，焊接熔深大大增加。另外，电弧的能量利用率高，从而使总的能量利用率提高。

激光—电弧复合的发明、发展介绍

第1章激光焊接6激光焊接由于热作用区域很小，母材端面接口容易发生错位。而电弧的热作用范围较大，可以缓和对接口的要求，减少错位；同时由于激光束对电弧的聚焦、引导作用，电弧的焊接质量和效率得到提高。激光焊接时峰值温度高，温度梯度大，冷却、凝固很快，容易产生裂纹和气孔。电弧的热作用范围、热影响区较大，使温度梯度减小，降低冷却速度，使凝固过程变得缓慢，减少或消除气孔和裂纹的生成。由于电弧焊接容易使用添加剂，可以填充间隙，采用激光电弧复合焊接的方法能减少或消除焊接后接口部位的凹陷。

激光—电弧复合的发明、发展介绍

第1章激光焊接7

Laser-MAG的复合效应表现在：电弧增加了对间隙的桥接性，其原因有二：一是填充焊丝，二是电弧加热范围较宽；电弧功率决定焊缝顶部宽度；激光产生的等离子体，减小了电弧引燃和维持的阻力，使电弧更稳定；激光功率决定了焊缝的深度；更进一步讲，复合导致了效率增加以及焊接适应性的增强。激光电弧复合对焊接效率的提高十分显著。这主要基于两种效应，一是较高的能量密度导致了较高的焊接速度，工件对流损失减小；二是两热源相互作用的叠加效应。焊接钢时，激光等离子体使电弧更稳定，同时，电弧也进入熔池小孔，减小了能量的损失。激光—电弧复合的发明、发展介绍

第1章激光焊接8激光-电弧复合方式分类方法之一：（按激光与不同的电弧

组合而分类）

激光+电弧作为一种复合热源，激光和电弧组合方式如下：

激光束+TIG

激光束+GMAW（熔化极气保焊）包括有：

a.激光束+MIG

b.激光束+MAG3.激光束+Plasma.第1章激光焊接9激光-电弧复合焊分类方法之二：（按照激光和电弧主辅关系分类）包括三种主要的方法：电弧加强激光焊接激光辅助电弧焊接电弧激光顺序焊接第1章激光焊接10激光-电弧复合焊接有以下特点：

(1)可降低工件装配要求，间隙适应性好。

(2)复合焊接利用电弧的复合作用，在保证大熔深的同时适当增加熔池宽度，降低凝固速度，有利于减小气孔倾向。

(3)可以实现在较低激光功率下获得更大的熔深和焊接速度，有利于降低成本。

(4)电弧对等离子体有稀释作用，可减小对激光的屏蔽效应，同时激光对电弧有引导和聚焦作用，使焊接过程稳定性提高。

(5)利用电弧焊的填丝可改善焊缝成分和性能。对焊接特种材料或异种材料有重要意义。第1章激光焊接11激光+电弧复合焊接的优点（之一）：一、激光-电弧复合焊接效率显著提高。

效率高的原因：（一）较高的能量密度导致了较高的焊接速度，工件对流损失减小；（二）两热源相互作用的叠加效应。例如，焊接钢时，激光等离子体使电弧更稳定，同时，电弧也进入熔池小孔，减小了能量的损失；焊接铝时，由于叠加效应几乎与激光波长无关，其物理机制和特性尚待进一步研究。第1章激光焊接12激光+电弧复合焊接的优点（之二）：二、激光-电弧复合焊接可以降低焊接成本。

Laser-TIG

Hybrid可显著增加焊速，焊速约为TIG焊接时的两倍；钨极烧损大大减小，寿命增加；坡口夹角减小，焊缝面积与激光焊时相近。

例如，德国阿亨大学“弗朗和费激光技术学院”研制了一种激光双弧复合焊接，与激光单弧复合焊相比，焊接速度可增加约三分之一，线能量减小25%

。第1章激光焊接13激光+电弧复合焊接的优点（之三）：三、激光-电弧复合焊接间隙适应性好、焊缝成分和性能可控。与单纯激光或者单纯电弧焊接相比，可以提高熔深，改善焊缝成形质量。第1章激光焊接14激光—电弧复合的布置方式：旁轴式；同轴式旁轴式----激光和电弧不在同一轴线上。同轴式----激光和电弧在同一轴线上，同轴复合可以在工件表面提供对称热源,焊接质量不受焊接方向影响而适于三维焊接。

第1章激光焊接15激光-电弧旁轴式复合激光-电弧旁轴式复合特点旁轴式复合热源的工作头体积较大，对焊接位置和空间要求较高。研制简单。存在的问题：A、热源为非对称性，难以用于曲线或三维焊接。B、电弧与激光聚焦光斑的相互位置对焊接过程稳定性影响大的缺点。第1章激光焊接16YAG激光束-电弧复合焊接电极布置第1章激光焊接17激光-电弧同轴式复合方法一方法一：在钨极中心加工一个小孔，让激光束从钨极中心通过。采用空心钨极所形成的电弧作为辅助热源，激光束从电弧中心低电流密度区穿过，直达工件表面，在工件表面提供对称热源,焊接质量不受焊接方向影响而适于三维焊接。其增加熔深效果明显优于旁轴式复合热源。这种方法的缺点是需要在钨极加工一个中心孔，大大增加了钨极的损耗,降低了电弧热效率，而且无法用于激光与MIG的复合焊接。第1章激光焊接18激光-电弧同轴式复合方法二方法二：

现在，有学者研制出一种新的CO2激光-MIG同轴复合焊接技术。

通过改变激光光束的功率密度分布，使电极处于功率密度为零的光束中心，这样就可以在不影响光束能量传播的条件下实现激光与电弧的同轴复合。这种复合方法适于CO2和YAG激光与TIG、MIG的任何一种组合，具有普遍性。

第1章激光焊接19激光-电弧同轴复合（CO2激光+MIG）弱点克服具体方法介绍：首先由一个分光镜将入射激光分为两束对称分布的光束。而MIG焊电极由双光束中间送入。由于双光束是非封闭的，电极的引入可以完全避开光束传输路径。然后采用聚焦系统将双光束从电极两侧对称地聚焦在焊丝送进方向前端的同一位置，这样就可以在焊丝不影响光束传输的情况下实现激光与电弧的同轴。虽然分光后每束光束本身与电弧具有一定夹角（该夹角在允许焊枪送进的前提下尽可能小），但由于双光束的对称轴与电弧轴线重合，经聚焦后的光束分布在工件表面附近的激光的能量分布已经与单束光一致且与电弧同轴。而一般旁轴复合焊的电弧是倾斜作用在工件表面，为工件提供的是非对称热源。第1章激光焊接20激光-电弧同轴复合的实现方法示意图第1章激光焊接21激光-电弧同轴式复合工作原理和实物如图所示是CO2激光+脉冲MIG同轴复合焊实验系统示意图。激光器为3kWCO2激光器，激光束经光路系统传输到复合焊矩，并最终聚焦在工件表面。焊接系统采用自适应脉冲MIG焊机，焊接时工件接负。图中的复合焊矩是由一组光学变换器件和一个焊接电极导入机构组成，其中光学变换头可以实现将激光束分为双光束,然后再经两个聚焦镜将双光束聚焦在同一位置，而焊丝(电极)则从双光束中间送入，并处于光束中心,最终可以在工件表面会聚成一个激光光斑与电弧复合的同轴热源。图4所示是CO2-MIG同轴复合焊矩照片。

第1章激光焊接22IntelligentCO2laserarchybridweldinghead

智能CO2激光-弧复合焊接头，具有焊缝跟踪、配备MAG枪Theweldingheadisdesignedtoprovideamaximumbeamdiameterof50mmandlaserpowerofmorethan12kW.焊接头由线性和旋转轴组成。Photoofweldingheadwithprocessmonitoringsystem,seamtrackerandMAGweldingtorch第1章激光焊接23在单纯激光焊接条件下。由于铝的反射率很高。很难形成焊缝。图5所示是在脉冲MIG焊接规范固定（焊接电流150A,焊接电压25V，送丝速度为5.5m/min）。而改变激光功率的条件下获得的焊缝成形照片。可以看出，在相同的MIG焊接规范下，随着复合激光功率的增加，焊缝成形质量明显提高。在单独MIG焊时,熔深较浅，焊缝铺展效果最差(图5a)

。激光功率1000W时，虽然熔深没有明显变化但焊缝铺展效果已大大好转(图5b)

。当激光功率增加到1400W时，已经形成良好的焊缝表面形状，且熔深增加(图5c)

。继续增加激光功率至1800W，熔深明显增加(图5d)

。

不同功率下复合焊铝分析第1章激光焊接24图7是激光功率分别为1400W和1800W,激光分别在电弧前方和后方时的焊缝成形照片。可见,激光与电弧的前后关系对焊缝成形的影响并不一致,其影响机理还需进一步深入研究。电弧和激光不同排列顺序焊接分析第1章激光焊接25复合焊、激光焊、电弧焊焊缝比较第1章激光焊接26激光－TIG复合焊接特点激光与TIG复合焊接的特点是：1、利用电弧增强激光作用，可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金属材料；2、在焊接薄件时可高速焊接；3、可增加熔深，改善焊缝成形，获得优质焊接接头；4、可以缓和母材端面接口精度要求。例如，当CO2激光功率为0.8KW，TIG电弧的电流为90A，焊接速度2m/min时，可相当5KW的CO2激光焊机的焊接能力，5KW的CO2激光束与300A的TIG电弧复合，焊接速度0.5～5m/min时，获得的熔深是单独使用5KW的CO2激光束焊接时的1.3～1.6倍。第1章激光焊接27激光－MIG复合焊接特点近年来的研究表明，激光－MIG复合热源焊接在中厚板焊接中拥有比较明显的优势。该焊接方法通过调节电弧与激光的相对位置，可有效地改善焊接适应性，提高对大间隙的适应性，改善焊缝成形，同时，输入的电弧能量能够调节冷却速度，进而改善微观组织。在激光与电弧相互作用下，焊接过程变得更加稳定，而且在增加熔深的同时提高焊接速度。焊接时，热输入相对较小，也就意味着焊后变形和焊接残余应力较小，这样可以减少焊接装夹、定位、焊后矫形处理等的时间。另外，这一方法的较突出的特点是自身能够比较稳定地填丝，从而比较容易改善焊缝冶金性能和微观组织结构。第1章激光焊接28激光－等离子弧复合焊接特点

激光-等离子复合采同轴方式，等离子弧由环状电极产生，激光束从等离子弧的中间穿过，等离子弧主要有两个功能：1、为激光焊接提供额外的能量，提高焊接速度，进而提高整个焊接过程的效率；2、等离子弧环绕在激光周围，可以产生热处理的效果，延长冷却时间，也就减少了硬化和残余应力的敏感性，改善了焊缝的微观组织性能。

英国的N.Blundell等人采用等离子弧辅助激光，对0.16mm的厚锌板进行高速焊接，发现该方法不会有激光焊接中的一些缺陷，而且由于电弧速度高达90m/min时电弧也没有出现不稳定状态。而在同样的条件下，单独激光焊接在48m/min时就已经出现焊接缺陷。这项研究最早始于英国Covertry大学的先进连接中心，他们主要研究金属薄板的高速焊接，提出采用第二种辅助热源增强激光，提高焊接薄板（小于0.25mm）的焊接速度，但是最高只能达到30m/min的速度，就出现电弧不连续和焊道隆起的现象。以上几项研究使得人们对复合热源的焊接提高焊接速度有了比较清晰的认识。第1章激光焊接29双激光束焊接技术特点（一）

在激光焊接过程中，由于激光功率密度大，焊接母材被迅速加热熔化、汽化，生成高温金属蒸汽。在高功率密度的激光的继续作用下，很容易生成等离子体云，不仅减小工件对激光的吸收，而且使焊接过程不稳定。如果在较大的深熔小孔形成后，减小继续照射的激光功率密度，而已经形成的较大深熔小孔对激光的吸收较多，结果激光对金属蒸汽的作用减小，等离子体云就能减小或消失。因而，用一束峰值功率较高的脉冲激光和一束连续激光，或者两束脉冲宽度、重复频率和峰值功率有较大差异的脉冲激光对工件进行复合焊接，在焊接过程中，两束激光共同照射工件，周期地形成较大深熔小孔，后适时停止一束激光的照射，可使等离子体云很小或消失，改善工件对激光能量的吸收与利用，加大焊接熔深，提高焊接能力。第1章激光焊接30双激光束焊接技术特点（二）试验研究了用两束钕－钇铝石榴石激光对10mm厚的304不锈钢板进行复合焊接，其中一束为峰值功率较高的脉冲激光，另一束为调制矩形波的连续激光。在总的平均功率为2.9KW和焊接速度为5mm/s，选择最佳脉冲能量密度时，获得的最大熔深为7.3mm。相比之下，当采用平均功率为2KW的调制矩形波连续激光和功率为1KW的连续激光相配合时，总的平均功率也为2.9KW，得到的最大熔深超过5mm。

观察发现，在形成较大深熔小孔后，停止高峰值功率的脉冲光束的照射，在连续激光束继续作用的过程中，激光火焰熄灭；最大熔深和激光火焰熄灭时间之间存在着严格的关系。这种现象说明，较高峰值功率的脉冲激光和连续激光复合焊接时，在形成较大深熔小孔后，较高峰值功率的脉冲激光停止照射，功率密度减小，可使等离子体云消失。因此，较高峰值功率的脉冲激光的辅助作用能够加大焊接熔深，提高焊接能力和激光能量利用率，同时改善焊接的稳定性。第1章激光焊接31激光－电弧复合焊接在汽车中的应用（1）随着近年来车辆运输设备的轻量化发展，汽车车身结构由空间框架向铝复合车体开始发展。随着大断面铝型材的生产和焊接技术的不断进步，铝合金在汽车中的应用也不断增加，目前，汽车铝车身主要采用激光焊接工艺，由于光束直径很细，要求坡口装配间隙小于0.5mm精度，跟踪精度很高，一开始尚未形成熔池时热效率很低。另外，还存在着设备成本高、工件准备工序要求严格等问题。这些问题可以通过激光—电弧复合焊接解决。由于电弧焊的复合，熔池宽度增加，使得装配要求降低，焊缝跟踪容易。由于电弧可以解决初始熔化问题，使铝合金对激光的反射减少，提高了激光的吸收率，从而可以大大降低激光器的输出功率，减少使用激光器的功率。同时电弧焊的气流也可以解决激光焊金属蒸气的屏蔽问题，从而避免表面凹陷形成的咬肉，而激光焊的深熔和快速、高效、低热输入特点仍保持。第1章激光焊接32激光－电弧复合焊接在汽车中的应用（2）在德国汽车工业中，大众汽车工程公司的T.GRAF等人自主开发了用于汽车车身制造的激光—MIG复合焊接机头，该机头安装在弧焊机器人手臂上，几何尺寸小，适合任何空间位置焊接，在各个方向上的调节精度达到0.1mm。大众汽车工程公司辉腾(Phaeton)系列车型的所有车门都应用了激光—电弧复合焊接，在其前车门中有7处接头采用的是熔化极气体保护电弧焊，焊缝长度为380mm；11处接头利用激光焊接而成，焊缝长度为1030mm；48处接头使用的则是激光—电弧复合焊接方法，焊缝长度高达3570mm。

大众汽车工程公司Phaeton车型用2种铸铝材料的激光—电弧复合焊接接头，其焊丝采用的是直径为1.6mm的AlSi12材料，焊接速度4.2m/min，送丝速度6.5m/min，激光功率2.9KW保护气体为Ar。激光与电弧的结合获得了比激光单独焊接更大的熔池以及较宽的熔根。第1章激光焊接33激光－电弧复合焊接技术在造船工业