第３５卷第１１期２００８年１１月
中国激光
Ｖ０１．３５，Ｎｏ．１１Ｎｏｖｅｍｂｅｒ，２００８
ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＡＳＥＲＳ
文章编号：０２５８—７０２５（２００８）１１—１６８０—０６
激光一电弧复合焊接的研究进展
肖荣诗吴世凯
（北京工业大学激光工程研究院，北京，１００１２４）
摘要激光一电弧复合焊技术是一种具有较好工业应用前景的新技术，目前已经引起了国内外研究人员的重视。激光一电弧复合焊接将两种物理性质和能量传输机制截然不同的热源复合在一起，实现优势互补。提高焊接效率和质量。结合作者的研究工作，概括了激光一电弧复合焊接中激光与电弧相互作用、熔滴过渡特性、小孔和熔池动态行为、复合焊接工艺技术及应用等方面的最新研究进展。关键词激光技术；复合焊；基础问题Ｉ工业应用中图分类号ＴＧ４５６．７
文献标识码
Ａ
ｄｏｊ：１０．３７８８／ｃＪＬ２００８３５１１．１６８０
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１
引言
者开展的研究工作，概括了激光电弧复合焊接的几个关键问题，并就最近发展的几种复合焊接工艺进行了阐述。
为解决激光焊接成本高、桥联性差等问题，从而拓展激光焊接技术的应用范围，２０世纪８０年代初，英国学者Ｗ．Ｍ．Ｓｔｅｅｎ首先提出了激光与电弧复合焊接的概念ｎ］，从此引发了各国研究机构开展激光一电弧复合热源焊接技术的研究热潮［２￣８］。
激光电弧复合热源将物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合在一起，同时作用于同一加工位置，通过两热源的相互作用及复合热源与工件作用，完成焊接过程，它既充分发挥了两种热源各自的优势，又相互弥补了各自的不足，从而形成一种全新的高效焊接热源。经过多年的研究，已发展了多种复合焊接方法，包括激光一氩弧焊（ＴＩＧ），激光一ＭＩＧ／ＭＡＧ，激光一等离子体弧及激光一双电弧等。
本文结合国内外复合热源焊接的研究现状及作
收稿日期：２００８—０９—１６；收到修改稿日期：２００８—１０—１０
２几个基础问题
２．１激光一电弧相互作用
在激光一电弧复合焊接过程中，激光和电弧之间存在强烈的相互作用，这种相互作用对工艺稳定性和焊缝成形具有决定性的影响。激光与电弧等离子体的作用表现为激光对电弧形态的影响。０．Ｍｏｒｉａｋｉ等［５—１在研究ＹＡＧ与电弧复合焊接时，发现激光与电弧相互作用后，电弧电压趋向稳定，同时激光对电弧具有明显的吸引和压缩作用。Ｓｔｅｅｎ等［１］采用１ｋＷＣ０２激光与１００Ａ的ＴＩＧ电弧复合焊接时，观察到了激光对电弧的吸引现象，同时电
基金项目：北京市教委科技发展计划重点项目（ＫＺ２００７１０００５００３）资助课题。
作者简介：肖荣诗（１９６５－－），男，博士，教授，博士生导师，主要从事激光与材料相互作用、先进材料激光加工、激光加工新工艺、新方法及外围技术与系统等方面的研究。Ｅ—ｍａｉｌ：ｒｓｘｉａｏ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ
万方数据
１１期肖荣诗等：激光～电弧复合焊接的研究进展
１６８１
弧电压降低。陈彦宾等［１０］对ＣＯ：激光与ＴＩＧ电弧相互作用时的电弧形态及焊缝特性进行研究时发现，在激光功率为１０００Ｗ，电弧电流为４０Ａ时，能看到激光对电弧有较强的压缩作用，随着电弧电流及激光功率的增加，等离子体开始膨胀长大，在电弧
电流超过２００Ａ时，出现等离子体的过度膨胀。
另一方面，电弧等离子体会吸收激光能量。造成激光能量的大幅衰减，同时电弧等离子体的“负透镜效应”使激光束产生散焦和偏折。由于等离子体对激光能量的吸收与激光束的波长成正比，Ｃ０。激光穿过电弧后的能量损失要比ＹＡＧ激光高得多［儿］。Ｂ．Ｈｕ等¨３使用功率计测量了５００ＷＮｄ：ＹＡＧ激光垂直穿过１００Ａ直流ＴＩＧ电弧后的功率衰减。研究结果表明，ＹＡＧ激光穿过电弧空间的能量损耗非常低，可以忽略不计，同时电弧对激光的散射作用也不明显。Ｂｉｂｉｋ等口２１使用０．３～３Ｗ可调ｃ０：激光垂直穿过ＴＩＧ电弧时发现，随电弧电流的增大，激光的传输系数明显减小，当电弧电流大于２００
Ａ
时，电弧对激光能量的吸收接近３０％［１引。陈彦宾等Ｌｌ列采用激光烧蚀有机玻璃方法研究了电弧对脉冲Ｃ０。激光吸收及散焦情况，结果显示ＴＩＧ电弧对Ｃ０ｚ激光存在严重的吸收作用，电弧电流超过１５０
Ａ
时，１０００Ｗ的激光穿过电弧后，其功率衰减可达３５％，另外激光穿过电弧时，电弧等离子体的负透镜效应导致电弧对光束有一定的散焦作用，从而降低了激光能量密度，其散焦作用随激光功率、电弧电流增大而增强。
本文作者所带领的课题组采用先进测试仪器，系统研究了复合焊接时激光一电弧相互作用后的激光特性及电弧特性。研究结果表明Ｃ０：激光垂直穿过Ａｒ弧后，电弧吸收激光能量，激光功率衰减，中心功率密度下降，光束能量分布状态严重恶化。图１（ａ）所示为激光束穿过１００Ａ的ＴＩＧ电弧轴向中心后，激光能量传输率Ｐ／Ｐ。随功率的变化（Ｐｏ为原始激光功率，Ｐ为穿过电弧后的激光功率）；图１（ｂ）为不同功率的激光束穿过１００Ａ的ＴＩＧ电弧后，中心功率密度随激光作用位置距阴极距离的变化曲线。从图中可以看出，在激光功率为３５００Ｗ时，激光穿过电弧后的能量损失高达７０％；在１５００ｗ的激光束穿过电弧阳极附近区域时，光束中心功率密度降低接近９０％，电弧的散焦效应也是中心功率密度降低的原因之一。另一方面，电弧吸收激光能量后，引起电弧电压下降，电弧静特性曲线下移，同时电弧体积发生膨胀。图２（ａ）为不同功率激光
万
方数据束作用于ＴＩＣ电弧轴向中心时，电弧静特性曲线下移；图２（ｂ）为激光穿过电弧轴向中心时，激光作用位置处的电弧直径随激光功率的变化曲线。同时实验中发现，电弧膨胀主要发生在激光作用位置处到阳极之间，当激光作用于阴极附近则引起整个电弧体积膨胀［１“１５］。同时研究结果表明，ＣＯ：激光穿过Ｈｅ弧后，光束特性及电弧特性的变化很小［１引。
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图１激光穿过电弧后的光束特性
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图２激光作用电弧时的电弧特性
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综上所述，复合焊接时，电弧对ＹＡＧ激光束的
中国影响较小，而电弧对ＣＯ：激光束将产生严重的负面影响，但是复合热源焊接仍然表现出较高的综合优势。因此深刻理解ＣＯ：激光与电弧的相互作用机制成为趋利避害，最大程度发挥复合焊接优势的关键。由于激光与电弧相互作用的复杂性，关于激光与电弧相互作用的机制研究还有很多工作需深入。２．２熔滴过渡特性
由于熔化极气体保护电弧焊（ＧＭＡＷ）焊接过程中加入激光后，将会引起电弧形态、熔池形状变化，从而引起电弧力、电磁场、熔池表面张力的变化，这些因素的变化将直接导致熔滴过渡特性发生变化。
日本学者Ｋｕｔｓｕｎａ等［１７３采用高速摄相观测了不同熔滴过渡形式下复合热源焊接过程中激光与电弧等离子体和熔池稳定性的影响。由于短路过渡电弧周期性的交替长大和熄灭会导致焊缝熔深的波动，因此，与短路过渡形式相比，喷射过渡形式更适合于激光与ＭＩＧ电弧的复合热源焊接。
雷正龙等［１８］对ＣＯ：激光一ＭＩＧ复合焊接时的熔滴过渡行为进行了研究．结果表明．与单ＭＩＧ焊接的熔滴过渡特性相比，复合焊接过程中一方面由于激光深熔时产生的金属等离子体对熔滴的热辐射作用，促进了熔滴过渡；另一方面由于激光等离子体对熔滴的吸引力和金属蒸气对熔滴的反冲力又阻碍了熔滴过渡，两者综合作用改变了熔滴过渡方式和过渡频率。当加入激光之后，不仅熔滴过渡频率加快了，而且熔滴过渡形式转变为稳定的射滴过渡。这样有利于提高焊缝熔深，稳定焊接电弧。因此，两者联合作用使其熔滴过渡形式由ＭＩＧ焊接的短路过渡转变为射滴过渡，极大地提高了熔滴过渡的稳定性，减少了熔滴过渡周期，增加了熔滴过渡频率。在此基础上，进一步研究了激光功率、激光与电弧的作用位置以及激光束离焦量对复合焊接过程中熔滴过渡频率的影响规律。
由于复合焊接时的熔滴过渡涉及到小孔应力场、表面张力场及电磁场等复杂作用过程，这方面的研究仅局限于试验研究方面，缺乏深入的理论分析，深入揭示复合热源焊接过程中激光对熔滴过渡的影响机制是实现激光一ＧＭＡｗ复合焊接过程控制，实现稳定无飞溅焊接的关键技术问题，也是目前复合热源焊接亟待解决的基础问题。２．３小孔与熔池动态行为
小孔的形成是激光深熔焊接的重要特征，其形成和维持是一个非常复杂的非线性过程，关于激光
万
方数据激光
３５卷
焊接小孔的形成及动态特性的实验研究存在很大的困难。在激光一电弧复合热源焊接过程中，电弧的存在对小孔的动态平衡过程产生重要影响，同时小孔的形成更加剧了熔池行为的复杂性。由于焊接熔池的动态行为决定了焊缝成型的质量，而在目前的技术条件下，熔池流动行为难以直接观察和测量，数值模拟技术是目前的重要研究手段。
日本学者Ｎａｉｔｏ等ｒ１％ｚ０１采用ＣＣＤ及Ｘ射线观察了ＹＡＧ激光与ＴＩＧ电弧复合热源焊接时的小孔及熔池的流动行为，结果表明，ＴＩＧ电弧的加入，小孔变长、变窄，稳定性明显改善，同时气孑Ｌ减少，熔池中的熔融金属形成从小孔根部向熔池后沿的流动。分析认为电弧强化小孔内部蒸发抑制了保护气进入是气孑Ｌ减少的关键因素，而熔池流动状态的变化则导致了焊缝成型的改善。
Ｚｈｏｕ等［２¨基于流体体积控制及连续方程建立了一个激光一ＭＩＧ复合热源模型，模型中假设小孑Ｌ中的蒸气压力为常数，且近似为大气压力，同时忽略了小孔中的金属蒸气运动。通过控制方程的数值解模拟计算了填充金属和熔池的相互作用及相对应的温度场和速度场。计算结果表明，熔滴的加入改变了熔池的流动及温度分布，进而对熔滴在熔池中的扩散及熔池的形状、均匀性产生影响，同时复合焊接时，熔滴的加入可以抑制小孔塌陷形成的气孔。但是模型中没有考虑激光和电弧的相互作用、能量耦合以及复合热源焊接过程中小孔的动态特性，模型仅适用于小功率激光的情况。
清华大学的李志宁等比２］建立了激光一等离子体弧复合热源运动作用下的二维计算模型，模型中假足高斯分布，且激光束与等离子体弧存在能量耦合。在模型中同时考虑了表面张力、热浮力和电磁力的（Ｍａｒａｎｇｏｎｉ）流产生，熔池下部的涡旋由电磁力驱不可否认，由于涉及的问题是一个复杂的局部设了激光束与等离体子弧均为面热源，热流密度满作用，通过数值计算得到了熔池的速度场和温度场。计算结果表明，复合焊熔池中存在两个涡旋，且熔池上部的涡旋由表面张力梯度驱动的马兰戈尼动流强化的Ｍａｒａｎｇｏｎｉ流产生，电磁力驱动流是促使熔深增加的重要因素。但是该模型忽略了激光深熔焊中的小孔效应，具有很大的局限性。
流体力学问题。这些理论模型都是在简化假设条件下建立起来的，有很大的局限性。但是随着研究的深入，更接近真实焊接过程数学模型的建立，数值模拟技术在复合焊接机制研究方面将起到重要指导
１１期肖荣诗等：激光一电弧复合焊接的研究进展
１６８３
作用。３焊接工艺及应用
目前激光一电弧复合焊技术在汽车、船舶制造工业中获得了广泛的应用［２“，同时也为难焊材料［２４口５｜、异种金属焊接乜６］提供了一种可能的解决方案。
例如，大众汽车公司已将复合焊接技术应用于高档新款车Ｐｈａｅｔｏｎ的铝合金车门的焊接上，复合焊接焊缝总长３５７０ｍｌＴｌ，占焊缝总长度的７２％。奥迪Ａ８铝合金轿车的侧顶梁也采用了激光复合焊工艺。焊缝长度共计４．５ｍ。激光一电弧复合焊应用于造船工业的第一条生产线于２００２年在德国Ｍｅｙｅｒ造船厂实现，主要用于船体平板和加强筋的焊接［ｚ引。此外德国Ｗａｒｎｏｗｗｅｒｆｔ船厂、丹麦Ｏｄｅｎｓｅ船厂也采用了激光电弧复合焊接技术。
近年来，作者带领的课题组在特殊结构的激光电弧复合焊接工艺方面开展了一些研究工作，介绍如下。
３．１
Ｔ型接头激光－ＴＩＧ复合焊接
一般来讲，Ｔ型接头为避免变形，需采用从筋板
两侧焊接。发展从背板侧一次焊接成型的激光焊接技术，可以提高焊接效率，改善接头质量，具有重要的工程应用价值。采用３５００ＷＣ０：激光从背板侧焊接时，接头的筋板熔合不好，焊缝中的气孔很难克服，如图３所示。而采用ＣＯ：激光一Ｔ１Ｇ电弧复合焊接时，焊缝成型明显改善，筋板和背板连接过渡均匀，同时基本避免了焊接气孔的形成，如图４所示。焊接时，激光功率为２０００Ｗ，电弧电流为１２０
Ａ。
图３
Ｔ型接头激光焊接的焊缝横、纵截面
Ｆｉｇ．３
Ｔ—ｊｏｉｎｔｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇ
图４
Ｔ型接头复合焊接的焊缝横、纵截面
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ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒ－ＴＩＯｈｙｂｒｉｄｗｅｌｄｉｎｇ
３．２薄钢板搭接接头激光．ＴＩＧ填丝复合焊接
万
方数据目前汽车工业中大量使用的薄钢板的搭接接头广泛采用电阻点焊工艺，由于焊点不连续，焊接部件
的整体性和安全性较差。激光焊接在薄板的搭接焊中具有明显的优势。但是由于激光焊接的间隙适应性差，当因装配误差以及板材本身的变形在上下板材间形成一定间隙时，即使通过添加填充材料，上部熔化的板材也不能与下部形成良好的结合，在上下板材中形成了两个独立的熔池，不能形成焊接接头。
采用激光－ＴＩＧ复合焊接工艺，由于复合热源作用面积大，熔池较大，熔池容易克服表面张力而向下塌陷，与下部板材结合形成焊缝，提高了对装配间隙的适应性。对１．２ｍｍ厚的低碳钢板采用ＣＯ：激光一ＴＩＧ复合搭接焊，优化的焊接工艺参数为：激光功率２５００～３５００Ｗ，电弧电流５０－－．．１５０Ａ。同时研究发现，焊接速度是影响复合焊接间隙适应性的主要工艺参数，图５所示为不同间隙条件下的最大焊接速度曲线及焊缝横截面图。从图中可以看出，在间隙较小时，复合焊接与激光焊接相当；当间隙为
０．５
ｍｍ时，复合焊接时的速度可达激光焊的３倍；
当间隙超过０．５ｍｍ时，激光焊不能实现完整的焊接接头，而复合焊的最大允许间隙为１．５ｍｍ，其间隙适应性较激光焊提高了３００％。
图５复合焊与激光焊的间隙适应性对比
Ｆｉｇ．５
Ｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆ
ｇａｐ
ｔｏｌｅｒａｎｃｅｓｂｅｔｗｅｅｎｌａｓｅｒ
ｈｙｂｒｉｄｗｅｌｄｉｎｇａｎｄｌａｓｅｒｗｅｌｄｉｎｇ
３．３厚钢板窄间隙激光－ＴｌＧ填丝复合焊接
随着核电机组参数的提高，对不锈钢焊接结构的厚度、焊接变形、接头质量等提出了更高的要求。作为一种先进的高效焊接方法，激光焊接为此类结构的焊接提供了可行的解决办法。但受激光功率及光束质量的限制，一般激光焊接的深度有限，对于厚
度超过１０ｍｍ的厚钢板需采用万瓦级的激光器［２８’２９１。由于万瓦级激光器的光束质量较差，同时
造价也比较昂贵，因此采用工业用千瓦级激光器实
１６８４
中国现大厚度钢板的焊接具有重大的工程和经济意义。采用３．５ｋＷＣＯ。激光一ＴＩＧ填丝复合焊接工艺实现了１０ｍｍ厚的ＳＵＳ３０４不锈钢板的对接，焊接时，母材开Ｕ型坡口，单道焊接成型，激光功率为
３５００
Ｗ，电弧电流为２００Ａ，焊接速度为０．８ｍ／ｒｎｉｎ。
焊接接头的正反面成型良好，焊接接头的横截面如图６所示。解剖焊缝未见气孔、裂纹等缺陷。由于电弧的加入，增加了搭桥能力，减少了装配要求。同时采用填充焊丝的激光－ＴＩＧ复合焊接，焊接过程中不涉及熔滴过渡等复杂物理过程，电弧稳定性好，可以获得高质量的焊接接头。相比万瓦级激光焊接，也可节约焊接成本消耗。
图６复合焊接焊缝横截面
Ｆｉｇ．６
Ｃｒｏｓｓ－ｓｅｃｔｉｏｎｏｆｌａｓｅｒ
ｈｙｂｒｉｄｗｅｌｄｉｎｇｊｏｉｎｔ
４结论
激光一电弧复合焊接不仅综合了激光和电弧各自的优点，具有激光焊接的高速度及电弧焊接良好的桥联性和高的填充金属熔敷效率，而且由于激光与电弧的交互作用，产生了１＋１＞２的效果，焊接效率、焊接过程稳定性和可靠性、焊接质量等进一步提高。经过近３０年的发展，对激光一电弧复合焊接的特点有了较深刻的认识，这种方法也已开始在工业中应用，但是在焊接机制、不同材料的中、厚板焊接工艺技术等方面还有许多问题需要深入研究。
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考
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张寰臻，吴世凯，肖荣诗．Ｃ０２激光作用下直流ＴＩＧ电弧特性的实验研究［Ｊ３．焊接学报（待发表）
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激光-电弧复合焊接的研究进展
作者：作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
肖荣诗， 吴世凯， Xiao Rongshi， Wu Shikai北京工业大学激光工程研究院,北京,100124中国激光
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