激光焊接機復合焊的原理和工藝特點(diǎn)（一）

    (1)激光焊接機復合焊的原理和次要熱源的配置，眾所周知，激光復合焊是焊接時(shí)，同時(shí)用激光束和另外一種熱源。激光復合焊定義為激光束和電弧作用在同一區城。然而，從激光復合焊的一般定義來(lái)看，既沒(méi)有限制第二熱源種類(lèi)，也沒(méi)有定義兩種熱源的相對配置，在這樣寬泛的定義中，可以將激光復合焊理解為激光和其他熱源的任何組合。據這個(gè)定義，激光復合焊可以由所使用的熱源形式以及它們的排列來(lái)分類(lèi).如圖4-23所示。要強調的是主要熱源激光要能使焊接能呈深熔焊形式進(jìn)行?；诖?，有三種主要熱源:C02,  YAG以及光纖激光。前兩種熱源已廣泛地應用于實(shí)際，已經(jīng)開(kāi)發(fā)出了幾種復合焊設備。光纖激光應用于工業(yè)還處于發(fā)展之中。然而，由于它具有優(yōu)異的光束特征，可以預見(jiàn)，光纖激光在將來(lái)一定會(huì )成為激光復合焊的主熱源。另外一種激光—高功率半導體激光由于低的聚焦性也可能被作為次要熱源，它可在可利用的聚焦亮度的上限下獲得深穿透效應。也可以將YAG激光與半導體激光進(jìn)行復合焊。與電弧相比，雖然成本更高，但半導體激光可展現出在聚焦區域能量密度分布可控和位置可靈活調整的優(yōu)點(diǎn)。
    激光與電弧復合焊的方法包括兩種，即旁軸復合焊和同軸復合焊。旁軸激光-電弧復合焊方法實(shí)現較為簡(jiǎn)單，但最大缺點(diǎn)是熱源為非對稱(chēng)性，焊接質(zhì)量受焊接方向影響很大，難以用于曲線(xiàn)或三維焊接。而激光和電弧同軸的焊接方法則可以形成一種同軸對稱(chēng)的復合熱源，可大大提高焊接過(guò)程穩定性，并可方便地實(shí)現二維和三維焊接。目前，對旁軸復合焊的研究成果較多，而同軸復合焊的還處于研究階段.       

              
圖4-23激光盆合焊按熱耳的分類(lèi)
    現在大最使用的次要熱薄仍然是電弧。它又可細分為非熔化電極的鎢極氣體保護焊(分別為GTAW和TIC)和采用熔化電極的氣體金屬電弧焊。在后一種的情況下.電弧在熔化極(焊絲)和焊件之間越燒.這樣可以通過(guò)選擇合適的焊絲合金成分來(lái)影晌和調整焊縫的性能。
    電弧的形狀強烈地受保護氣體的形響，故又可分為惰性氣體烽(MIG)和活性氣體保護焊(MAG)。在鎢極氣體保護焊的悄況下.經(jīng)常使用惰性氣體.如妞氣和氮氣。這種工藝的特殊形式是等離子弧焊(PAW)，由于設計的特殊焊槍而使電弧壓縮.使電弧更加集中。也可以將激光和埋弧焊的復合.它是唯一的一種激光后置的復合形式。另一種有用的次要熱派是感應加熱，它不像電弧那樣作用干表面，感應的功率作用于焊件的內層。感應層的厚度是感應傾率以及被焊材料的電勝性能的函數。該技術(shù)可用于所有導電材料的焊接。使用合適形狀的感應圈和優(yōu)化的參數（功率和很率）.可改普焊縫性能，獲得沒(méi)有氣孔和裂紋的無(wú)缺陷焊縫.可局部地控制激光焊的熱漣場(chǎng)并可起到正火的作用。
    激光焊接機復合焊的熱源的配里.分為共同作用于一個(gè)熔池和分開(kāi)作用兩種。作用于同一點(diǎn)意味著(zhù)與單一方法相比改變了局部相互作用區特征，激光·電弧復合焊就經(jīng)常這樣安排使用。其他熱源，如半導體激光也可用這種排列。與這樣的排列相反，分開(kāi)作用愈味著(zhù)徽光熱茸哲時(shí)的和(或)所選擇熱源的局部分離.可以實(shí)施幾種配里方案。在平行排列中.兩個(gè)熱茸沿粉焊道在垂直或水平方向有一距離。然而，在感應激光復合焊中在水平方向垂直于焊縫排列.沿焊道的平行移動(dòng)是有代表性的，改變感應熱旅與激光硯的距離可以改變冷卻速率，控側裂紋。也可采用沿焊縫方向
分開(kāi)排列.主要和次要熱禪相研一定距離都沿著(zhù)同一焊遭移動(dòng)的方式。次要熱源在原理上可以前蘭或后t。前t具有焊接前的頂熱效應，因為被焊的材料局部預熱減少了熱傳導的報失使得焊接效率增加。而后，有后熱處理的效果可以改變焊縫的旦徽組織。

 使用1.8kW Nd: YAG激光與T置C焊復合.研究了電極與傲光束的間陌距離的效應，以及激光和TIG分別前置的效應，圖4-24所示為其研究結果。在TIC前置的情況下(YAC/TIC )距離為lmm時(shí).熔深最大;間隔5-9mm時(shí)，熔深最淺。
    1)激光-TIG復合焊。激光與T1G電弧進(jìn)行復合是最早的一種復合焊方法，激光可以通過(guò)一定方式與，TIC電弧進(jìn)行復合.此種復合焊方法主要用于薄板金屬的焊接(板厚小于2mm).激光與TIG旁軸焊接時(shí)，激光在前可以除去母材金屬表面的氧化物及雜質(zhì)，使得鎢極所受污染大大減少，延長(cháng)了鎢極壽命。TIC采用直流正接.與交流TIC焊接相比，能量輸人、能量密度都有增加，明顯地提高了焊接速度，改善了單一TIG焊接時(shí)焊接速度低、效率低的缺點(diǎn)。尤其是低電流、高焊速和長(cháng)電弧時(shí)，激光-TIG復合熱x的焊接速度可以達到激光焊的兩倍，焊縫咬邊也減小。也可采用激光與TIG同軸焊接，這種焊接方法無(wú)方向性，焊接過(guò)程比較穩定，焊接速度也大大增加，并且在焊接過(guò)程中，小孔直徑是單一YAG激光焊方法時(shí)的1.5倍，非常有利于氣體的滋出，可以顯著(zhù)減少焊縫中的氣孔。
   2)激光一MIG/MAG復合焊。這種復合焊接方法利用了填絲的優(yōu)點(diǎn)，增加了適應性。MIG/MAG電弧的方向性要比TIC電弧強，所以電弧與激光位置之間的關(guān)系尤為重要。與激光·TIC復合焊相比，其焊接板厚更大、焊接適應性更高?；『腹に嚨募尤擞兄谔岣唛g隙搭橋能力，降低了單一激光焊時(shí)坡口制備的精度要求;復合焊接中電弧的能星愉人可以方便地控制冷卻狀態(tài);熔敷金屬的加人可以改善單一激光焊時(shí)的焊縫徽觀(guān)組織，提高了焊縫的綜合力學(xué)性能;激光前置時(shí)可以使起弧容易，并且在合適的規范下可以改變熔滴過(guò)渡方式，使得焊接過(guò)程更加穩定，大量地減少了單一MIG/MAG焊時(shí)的飛濺，同時(shí)也減少了焊后處理的工作量。
    激光一MIG/MAG復合由于存在送絲裝置，所以大多數是采用旁軸復合，但是同軸復合也可以實(shí)現。研究中發(fā)現，當電弧與激光位里完全重合時(shí).激光能量主要用于熔化焊絲而不是形成匙孔.因此改變激光與電弧相對位置可增大熔深，并且在復合焊接時(shí).焊接方向對接頭形狀會(huì )有一定程度的影響。
    3)激光一等離子弧復合焊。英國的Coventry大學(xué)于1992年首先開(kāi)始了激光與等離子弧復合焊技術(shù)的研究。激光與等離子弧復合焊有很多的優(yōu)點(diǎn)，如熱源的挺度好、沮度高、方向性強、電弧引姍性好等。因而，此種復合焊接方法在薄板對接、鍍鋅板搭接、招合金焊接及切割、表面合金化等方面的應用都有研究。
   激光-等離子弧復合焊可以旁軸，也可以同軸。在旁軸焊接時(shí)，由于等離子弧 焊槍的特殊結構，導致它與激光復合時(shí)的調節余地減小。不過(guò)大量試驗結果表明， 此種復合也具有很明顯的優(yōu)勢，它消除了單一等離子弧焊接時(shí)易于出現的咬邊現象。
 目前，烏克蘭巴頓焊接研究所研制了一種新型激光等離子弧復合焊槍?zhuān)麄兦擅畹貙⒓す饩劢构饧尤氲入x子弧焊槍的環(huán)形鎢極中，使激光束與等離子弧共同作用 在一個(gè)較小的區域內，此時(shí)電弧具有兩個(gè)作用：①通過(guò)額外的能量輸人提高激光焊 的能力，從而提高了整個(gè)焊接過(guò)程的效率；②這種激光束與等離子弧的共心作用可 以獲得確定的熱分布模式，這種熱分布降低了冷卻速度，減小了對硬度的敏感性，改善了殘余應力狀態(tài)。
 
圖4-25  HYDRA復合焊設備機頭
4)激光-雙電弧復合焊。德國亞深大學(xué)焊接研究所(ISF)的研究人員將復合焊的理念加以拓展，開(kāi)發(fā)出了一種激光與雙MIG電弧的復合焊方法，稱(chēng)為HYDRA (Hybrid welding with Double Rapid Arc)焊接。這種焊接方法將激光與2個(gè)MIG電弧同時(shí)復合在一起，每個(gè)焊炬都可相對另一焊炬和激光束位置任意調整，2個(gè)焊炬采用獨立的電源和送絲機構，如圖4-25所示。
  在激光作用下，雙電弧吸引在一起，3個(gè)熱源同時(shí)作用在同一熔池中。結果表明，與激光和單一MIG電弧復合焊相比，焊速增大了33%，熱輸入減小了 25%，間隙裕度可達2mm這些都遠遠超過(guò)了激光與單一電弧復合焊，并且這種焊接設備無(wú)焊接方向的限制，空間可調度較大，可以更好地實(shí)現自動(dòng)化激光焊接。