1.3.2 激光復(fù)合焊接技術(shù)

雖然激光焊接具有焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、焊接速度快、焊接熱輸入低、焊接變形小，以及聚焦后的光斑直徑小和能量密度高等特點(diǎn)，但對(duì)焊接接頭裝配精度和間隙要求高，焊縫易出現(xiàn)氣孔、裂縫和咬邊等缺陷。同時(shí)，由于激光器能量轉(zhuǎn)換效率低，焊接較厚的金屬板時(shí)需要較大的功率激光器，這不僅造成成本很高，而且體積也很大，設(shè)備投資大。而常規(guī)的熔化極電弧焊雖然焊接速度慢、焊接熱輸入大、熔深小、熱影響區(qū)大、焊接變形大，但是設(shè)備投資小，對(duì)間隙不敏感，便于填充金屬。因此，近年來(lái)激光焊接的發(fā)展趨勢(shì)之一就是采用“激光+電弧”的聯(lián)合焊接方法，將激光和電弧兩種熱源的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合起來(lái)，以彌補(bǔ)單一熱源焊接工藝的不足。激光-電弧復(fù)合焊也稱(chēng)電弧輔助激光焊接技術(shù)，其主要目的是有效利用激光和電弧熱源，充分發(fā)揮兩種熱源各自的優(yōu)勢(shì)，取長(zhǎng)補(bǔ)短，以較小的激光功率獲得較大的熔深，穩(wěn)定焊接過(guò)程，提高焊接效率，降低激光焊接的裝配精度和應(yīng)用成本。

通過(guò)激光和電弧熱源的協(xié)同作用，激光-電弧復(fù)合焊接（LAHW）技術(shù)可以提高焊接速度和熔深，增強(qiáng)間隙橋接能力。圖1-3所示為激光-電弧復(fù)合熱源的焊接示意圖。圖1-4所示為3種焊接條件下的焊縫熔深對(duì)比，其中，圖1-4a所示為MIG電弧焊、圖1-4b所示為激光自熔焊、圖1-4c所示為激光-電弧復(fù)合焊。從圖1-4可以看出，復(fù)合熱源的焊縫具有很好的焊縫熔深和深寬比。

（1）按功率分類(lèi) 根據(jù)激光-電弧復(fù)合焊中激光的功率大小，可將復(fù)合焊分為如下三類(lèi)。

1）百瓦級(jí)激光-電弧復(fù)合。熱源顯示為電弧的特性，激光功率較小（≤500W），激光主要起穩(wěn)定和壓縮電弧、提高電弧能量利用率的作用，多用于激光+TIG復(fù)合焊接，比較適合薄板焊接。

2）千瓦級(jí)激光-電弧復(fù)合。熱源兼有激光和電弧的特性，能夠充分利用二者的優(yōu)點(diǎn)，多用于激光-MIG/MAG復(fù)合焊，適用于鋁合金、鎂合金、碳素鋼、低合金高強(qiáng)度鋼、超高強(qiáng)度鋼等材料的焊接。

3）萬(wàn)瓦級(jí)激光-電弧復(fù)合。熱源顯示激光的特點(diǎn)，具有較大的焊縫深寬比，多用于大功率激光-MAG復(fù)合焊，主要用于船板等大厚板的焊接，設(shè)備投資較大。

（2）按工藝分類(lèi) 根據(jù)激光-電弧復(fù)合焊采用的電弧種類(lèi)不同，可將復(fù)合焊分為以下四類(lèi)。

1）激光-TIG復(fù)合焊。激光-TIG復(fù)合焊接如圖1-5所示，該復(fù)合焊接方式較為簡(jiǎn)單，也是最早實(shí)現(xiàn)復(fù)合的焊接方式，可采用同軸或旁軸方式。激光-TIG電弧復(fù)合焊接時(shí)激光在熔池中形成的小孔對(duì)電弧具有吸引和壓縮作用，增強(qiáng)了電弧的電流密度和穩(wěn)定性；即使在高速焊接條件下，仍可以保證電弧穩(wěn)定，焊縫成形良好，氣孔、咬邊等缺陷大大減輕。激光-TIG復(fù)合焊接速度是激光焊接速度的2倍以上，更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于TIG焊。激光-TIG復(fù)合焊主要用于薄板和不等板厚材料的高速焊接，當(dāng)焊縫間隙較大時(shí)也可添加填絲。影響其焊接效果的工藝參數(shù)主要有電弧電流、激光功率、激光與電弧夾角、距離和高度等因素。

2）激光-MIG復(fù)合焊。激光-MIG復(fù)合焊接如圖1-6所示，是目前應(yīng)用最為廣泛的一種復(fù)合熱源焊接方式，由于MIG焊具有送絲和熔滴過(guò)渡過(guò)程，一般采用旁軸復(fù)合方式，利用MIG焊填絲的優(yōu)點(diǎn)，在提高焊接熔深、增加適應(yīng)性的同時(shí)，還可以改善焊縫冶金性能和微觀組織結(jié)構(gòu)。激光-MIG復(fù)合焊比激光-TIG復(fù)合焊可焊接更大板厚的板材，焊接適應(yīng)性更強(qiáng)。

3）激光-等離子復(fù)合焊。激光-等離子復(fù)合焊接具有溫度高、電弧引燃性好、加熱區(qū)窄等優(yōu)點(diǎn)，適用于薄板對(duì)接和不等厚板的焊接。

4）激光-雙弧復(fù)合焊。激光-雙弧復(fù)合焊是激光與兩個(gè)MIG或TIG電弧同時(shí)復(fù)合進(jìn)行焊接的工藝。兩個(gè)電弧同時(shí)作用于熔池，可以大幅度提高焊接速度，減少單位時(shí)間內(nèi)焊縫的熱輸入，可用于薄板焊接，且焊接過(guò)程非常穩(wěn)定。

（3）按位置分類(lèi)。根據(jù)激光與電弧的幾何位置關(guān)系，可將激光-電弧復(fù)合焊分為如下兩類(lèi)。

1）旁軸復(fù)合。旁軸復(fù)合時(shí)激光束和電弧呈一定角度地作用在工件的同一位置。激光可以在電弧前方引入，也可以在電弧后方引入。旁軸復(fù)合容易實(shí)現(xiàn)，可以采用與TIG電弧、MIG電弧或等離子弧復(fù)合形式。

2）同軸復(fù)合。同軸復(fù)合時(shí)激光穿過(guò)電弧中心或電弧穿過(guò)對(duì)稱(chēng)布置的環(huán)狀光束或多光束幾何中心到達(dá)工件表面。同軸復(fù)合具有對(duì)稱(chēng)性，焊接時(shí)焊槍行走沒(méi)有方向性問(wèn)題，非常適合三維結(jié)構(gòu)的焊接，但設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)難度較大，一般采用非熔化極TIG電弧或等離子弧。

圖1-7所示為激光-電弧復(fù)合焊的兩種復(fù)合原理。

除上述分類(lèi)方式外，激光-電弧復(fù)合焊也具有深熔焊和熱導(dǎo)焊兩種機(jī)制。當(dāng)電弧電流較小時(shí)，電弧等離子體對(duì)激光的屏蔽作用較弱，小孔可以穩(wěn)定存在，有利于對(duì)電弧弧根的壓縮與吸引，電弧電流密度較大，可獲得較大的熔深，表現(xiàn)為深熔焊的特征。當(dāng)電弧電流較大時(shí)，電弧等離子體對(duì)激光的屏蔽作用增強(qiáng)，穿過(guò)電弧后激光能量損失很大，小孔不能穩(wěn)定存在，電弧弧根不能被壓縮，電弧電流密度隨之降低，因而熔深變淺，表現(xiàn)為熱導(dǎo)焊特征。深熔焊轉(zhuǎn)變?yōu)闊釋?dǎo)焊的電流稱(chēng)為臨界電流，激光功率越大，對(duì)電弧的吸引和壓縮能力越強(qiáng)，臨界電流越大。