激光焊接與感應熱源復合焊接
1.激光與感應熱源復合焊。在激光-電弧復合焊改善的同時(shí)，更多的次要熱源被引人了激光復合焊，如感應加熱等。相應的工藝--感應激光焊已經(jīng)用于工業(yè)中如圖4-26b所示。這樣的配置使激光焊接質(zhì)量有很大的改善，能控制焊接冷卻速度，能夠焊接碳含量較高的鋼，如熱處理鋼、彈簧鋼和工具鋼等，且無(wú)裂紋產(chǎn)生。

圖4-26分離作用的復合焊
a) 坡口和相關(guān)的激光-電弧方法 b)激光-感應復合焊
2.激光和次要熱源的集成焊頭激光源與次要能源配置集成是很重要的。目前已有商品化的產(chǎn)品，也可選擇自己設計系統。這要求CNC控制部件和復合焊頭設計的集成。激光和次要熱源的同軸的一體化系統是焊接非線(xiàn)性以及復雜的三維形狀的焊縫首選的。如果使用非同軸集成焊頭，當焊接方向發(fā)生變化時(shí)，焊道的幾何形狀將發(fā)生變化。下面敘述幾種商用的激光復合焊系統。

圖4-27 同軸Nb:YAG激光復合焊頭
圖4-28 Fronius生產(chǎn)的集成復合焊頭
  第一例如圖4-27所示，具有分光鏡的先進(jìn)光學(xué)系統，而且電極位于噴嘴的中心。
  第二例如圖4-28所示，是由Fronius特別為汽車(chē)工業(yè)研制的系統。為了接頭的可達性，特別是在焊接車(chē)體結構時(shí)，激光復合焊頭設計要小巧，焊接頭能夠旋轉180度，可以呈鏡面安裝，允許在機器人上有很寬的垂直調整范圍，可以改善三維部件的可焊到性。由于掃描單元的集成調整裝置可以在笛卡兒坐標任何方向上相對激光束改變焊絲的方位。因此，能適應各種焊縫、功率、焊絲類(lèi)型、焊絲質(zhì)量的連接工作。焊接過(guò)程中產(chǎn)生的飛濺會(huì )引起保護玻璃的污染，為此安裝了雙保護的反射的石英玻璃保護激光光學(xué)器件免受損毀。玻璃上的沉積物會(huì )減少激光與焊件的耦合，使其量下降90度，但這與污染的程度有關(guān)。因為防護玻璃吸收了激光能量引起熱應力，過(guò)量的污染通常會(huì )損壞保護玻璃。為了防止以上情況發(fā)生，使用一橫向氣流使飛濺偏轉90度，使其到達防護玻璃之前被吸收掉。設計了相應的橫向噴嘴使其在出口的流速增加，這樣能夠獲得超聲速的氣流并很容易使飛濺偏轉。為了防止噴嘴的空氣進(jìn)人焊接區域，用一個(gè)空氣出口管來(lái)萃取，也可保護機器單元免受焊接煙塵或飛濺的污染。焊頭裝備了兩套冷卻系統，可以使用250A的電流和4KW的激光功率，暫載率為100度。
  還有其他的復合焊頭，但要求改進(jìn)數控系統。圖4-29所示為CO2激光同軸的等離子弧焊頭的實(shí)驗室模型；Air Liquide公司制造的適宜于激光/TIG、激光/MIG的商用復合焊頭。

圖4-29同軸激光-等離子復合焊頭       圖4-30 公司生產(chǎn)的集成復合焊頭
  能量模式 在傳統的TIG焊中，經(jīng)常使用交流電源。與此相反，在與C02激光的復合焊中使用直流電源是有利的，因其可增加能量輸出、能量密度以及電極壽命。 據報道，使用恒電壓的傳統金屬電弧焊與C02激光復合易產(chǎn)生強烈的飛濺，這種情況可由所謂的表面張力的短路電流過(guò)渡模式來(lái)改善。同時(shí)，可以在激光復合焊中添加氦氣來(lái)提高生產(chǎn)率。
  據報道，當用方波的Nb:YAG和TIG復合焊焊接A6061鋁合金時(shí)，電流為120 ~ 180A時(shí)可以焊出表面平整，根部整齊且是穿透焊的焊縫。圖4-31表示了這種效應，圖4-31a表示僅用連續激光焊接的焊縫；圖4-31b是方波模式的激光焊的焊縫，焊縫較深但存在氣孔且深度不規則；圖4-31c表示了TIG與方波模式激光柔性耦合焊縫，獲得了深穿透的、非常平整的焊縫，而且在焊縫表面沒(méi)有飛濺。

圖4-31  10mm的A6061焊縫的縱斷面
a)3.5KW連續激光  b)方波YAG激光
c)方波YAG激光(IOOHz,6%)+ TIG 150A
(4)聚焦位置  由于次要能源產(chǎn)生表面不平整的熔池，復合焊中聚焦點(diǎn)的位置是與單純激光焊接的位置不同的。當采用5kW的co2激光和17kW的GMAW焊接時(shí)，聚焦要比激光焊低0.7mm。
 當激光復合焊以0.6mm/min的速度焊接6mm厚的低碳鋼時(shí)，用Co2激光與HAG焊耦合，優(yōu)化的聚焦點(diǎn)從鋼板表面以下的2mm移至4mm,研究者發(fā)現用YAG/TIG焊與激光焊相比，聚焦點(diǎn)的位置沒(méi)有變化。
(5)電極角度 在傳統的焊接中，焊槍與水平面夾角為50度.夾角增至垂直時(shí).熔深沒(méi)有增加。
(6)激光與次要能源的相對距離  激光束與次要能源之間的相對距離是復合焊控制的重要參數之一。它取決于每一個(gè)主要能源以及次要能源的形式等.一般所要求的理想距離是I1一3mm.
 在用TIG焊炬指向Nd: YAG激光聚焦點(diǎn)內的復合焊時(shí)，熔深的效果如圖4-32所示，當TIG作用點(diǎn)位于激光作用點(diǎn)時(shí)，熔深最小，兩者距離為2mm時(shí)是最佳位里。在這種情況下，當激光位于次要能源前2mm,熔深增加10%。

  圖4-32同軸復合焊焊接的烙深 (當激光在MIG之前時(shí)為正值)
(7)激光焊接保護氣體類(lèi)型
    1) CO2激光復合焊的氣體類(lèi)型。用Co2激光焊時(shí)易發(fā)生等離子屏蔽現象，在<功率密度>5 x1O5W/cm2時(shí)，必須采用特殊方法來(lái)減少等離子體的屏蔽?？梢允褂锰厥庠O計的降低等離子體的噴嘴.與低離子化的氣體(如氮或氮)報合等，來(lái)減少等離子體的屏蔽，使得在高功率下獲得深熔焊成為可能。
    在用5kW的Co2激光和17kW的GMAW的激光復合焊試驗中，發(fā)現在氮氣中添加50%(體積分數)的氛氣并不會(huì )根本改變熔深。在這些試驗中，還研究了添加4.5%(休積分數)的氧氣的情況，它可減少飛濺。但焊接方向必須將正向焊轉變?yōu)槟嫦蚝?，而且其導致熔深變淺。
    當用6kW的Co2激光和GMAW焊接RAEX275MC時(shí)，50%一80%(體積分數)氮氣含量是最佳的，其余的氣體組分是氬氣、Co2和O2.
    在傳統的焊接中，為了往定電弧通常添加Co。研究發(fā)現，當添加體積分數為10%的Co時(shí)co2激光/GMAW最穩定。通常，工藝對氣體的選用十分坡感，使用氮氣容易產(chǎn)生咬邊，而co2或O2使焊縫變得更平，但影響穿透性，這是用co2激光/GMAW焊接RAEX650高強鋼，使用分離的氮氣噴嘴He氣最小最為30%(體積分數)的條件下得到的。研究還發(fā)現Co:氣體的體積分數為5%一10%時(shí)，可降低咬邊并減少甚至消除飛濺。這種方式?jīng)]有消除氧化膜.但相當程度地減少了氣孔。
    2) Nd: YAG激光復合焊的氣體類(lèi)型。在Nd: YAG激光焊時(shí)，等離子屏蔽并不是主要問(wèn)翅，因此電弧的穩定性以及保護要求是決定保護氣體選用的主要因素。在MIG/MAG焊中，采用紅氣保護可優(yōu)化短路過(guò)渡和滴狀過(guò)渡。體積分數為1% -5%的氧氣也可改善熔滴過(guò)渡并減少飛滋。當添加氮氣時(shí).可獲得更高的電流，這樣可加寬焊縫表面的寬度。
    (8)裝配條件由于能量分布不同，激光焊和傳統焊的坡口裝配條件是不同的，由于激光束的受限寬度，在自動(dòng)激光焊中要求焊接邊緣是垂直的.因此可用激光切割邊緣代替剪切邊緣。在MIG/MAG焊中，在焊前通常制備V形坡口或其他角度的坡口。
    激光焊接采用帶鈍邊的45度坡口用于Co2激光和GMAW復合焊，用四道焊技術(shù)能夠焊接25mm厚的焊縫。