激光電弧複合焊有時也(ye)稱(chen)電弧輔助激光焊接技術，其主要(yao)目的是有效利用激光和電弧的熱源，充(chong)分發揮(hui)兩種熱源各自(zi)優(you)勢，取長補短，以較小的激光功率(lv)獲得較大的熔深，穩定焊接過程，提高焊接效率(lv)，降低(di)激光焊接的裝配(pei)精度和應用成本(ben)。
采用激光和電弧進行焊接的方(fang)式有兩種方(fang)式：一種是激光與電弧沿(yan)焊接方(fang)向前後串行排列，且兩者(zhe)相距較大，作為兩個獨(du)立的熱源作用於焊件，主要(yao)利用電弧熱源對焊縫進行預熱或(huo)後熱，以提高材料對激光的吸收率(lv)，改(gai)善(shan)焊縫組(zu)織(zhi)和性(xing)能；另一種是激光和電弧共同作用於同一個熔池，焊接過程中激光和電弧之間存(cun)在相互作用和能量的耦(ou)合，也(ye)就(jiu)是我們常說的激光電弧複合焊接。
激光電弧複合焊接又分同軸複合和旁(pang)軸複合，如圖3-55所示。
1. 同軸複合是激光束(shu)與電弧同軸作用在焊件的同一位(wei)置，即激光穿過電弧中心或(huo)電弧穿過對稱(chen)布置的環(huan)狀光束(shu)或(huo)多束(shu)幾何中心到達焊件表麵。激光-TIG電弧複合是較為簡單的一種同軸複合焊接方(fang)式，焊接時，激光在熔池中形成的小孔對電弧具有吸引和壓縮作用，增強了電弧的電流密度和穩定性(xing)；即使在高速焊接條(tiao)件下，仍可保證電弧穩定，焊縫成形良好，氣孔、咬邊(bian)等缺(que)陷大大減少。它(ta)的焊接速度一般(ban)是激光焊接速度的2倍以上，更遠遠大於TIG焊。這種複合焊接方(fang)法主要(yao)用於薄(bo)板或(huo)薄(bo)壁不鏽鋼管的焊接，焊接速度高達15m／min，焊縫成形明(ming)顯改(gai)善(shan)，且降低(di)了對坡口加工精度的要(yao)求。
2. 旁(pang)軸複合是激光束(shu)和電弧呈(cheng)一定角度地作用在焊件的同一位(wei)置，激光束(shu)與電弧呈(cheng)不對稱(chen)的幾何關係。激光可以在電弧前方(fang)引入(ru)，也(ye)可以要(yao)電弧後方(fang)引入(ru)。旁(pang)軸複合容易實現，可以采用激光束(shu)與TIG電弧、MAG/MIG電弧或(huo)等離子(zi)弧複合。激光-MIG複合焊是目前應用最廣泛的一種複合熱源焊接方(fang)式，由於MIG具有送(song)絲(si)和熔滴(di)過渡，一般(ban)采用旁(pang)軸複合方(fang)式，激光-MIG複合焊不但(dan)可增大熔深，改(gai)善(shan)焊接適(shi)應性(xing)，還可通過填(tian)充(chong)焊絲(si)改(gai)善(shan)焊縫組(zu)織(zhi)和性(xing)能。采用激光-MIG複合焊時焊接速度比單激光或(huo)單MIG焊時提高約1/3，而輸(shu)入(ru)能量減少了1/4，更體現出複合焊的高效和節(jie)能優(you)勢。激光-MIG複合焊比激光-TIG複合焊焊的板厚更大，焊接適(shi)應性(xing)更強。
旁(pang)軸複合焊接根據焊接位(wei)置（即兩熱源的相對位(wei)置）的不同，又分為激光前置（電弧在激光之後）和激光後置（電弧在激光之前）兩種形式，其焊接原理示意圖如圖3-56所示。兩熱源前後位(wei)置的不同對焊縫形貌、成形影(ying)響(xiang)較大。
用激光-MAG複合焊進行試驗(yan)時，在完(wan)全相同的焊接參數(shu)下，互換兩熱源前後位(wei)置，從圖3-57和圖3-58中可以看出焊縫形貌截(jie)然(ran)不同，激光後置焊縫，兩熱源都(du)達到了有效耦(ou)合，焊縫表麵圓潤飽(bao)滿，基本(ben)沒有飛濺；激光前置焊縫，焊縫寬窄(zhai)不一且伴有大顆粒飛濺，電弧不能穩定燃(ran)燒，兩種熱源耦(ou)合較差(cha)。從上述圖中還可以知道(dao)，當(dang)熱源間距為6mm時，兩者(zhe)焊縫形貌都(du)處於最佳狀態。
圖3-59表示了熱源間距與熔寬關係，從圖中除了熱源間距＝2mm外，激光前置時的焊縫熔寬均(jun)比激光後置時較寬。這是因為激光前置時沒有電弧預熱母材，使焊接金屬首先(xian)對激光是反射作用，待金屬表麵微熔後，對激光能量的吸收才(cai)變得明(ming)顯，不能形成激光小孔效應，激光致等離子(zi)體減少。因此，對電弧的引導、壓縮作用減弱，弧柱(zhu)在金屬表麵作用麵積增加，導致激光前置施焊時的焊縫熔寬較寬、熔深較淺、餘高小還有不同程度的咬邊(bian)缺(que)陷。激光後置施焊時，電弧首先(xian)對焊接作用點進行預熱，金屬對激光能量吸收和小孔效應增強，激光對電弧的引導和壓縮作用增強，而且MAG焊縫處於前傾(qing)焊接方(fang)位(wei)，電弧力後排熔池金屬的作用也(ye)增大，熔滴(di)著(zhou)陸(lu)點與激光在焊接金屬上的作用點距離縮短，提高了能量的利用率(lv)，因此焊縫熔深要(yao)深些，熔寬相應要(yao)窄(zhai)些。
圖3-60表示出熱源間距與熔深的關係：從圖中可知，激光後置時，熔深隨著(zhou)熱源間距的增大而增熔，最小熔深為2.9mm；激光前置時的熔深變化恰恰與激光後置相反，它(ta)的最小熔深為1.2mm，最大熔深也(ye)隻有3.9mm，充(chong)分說明(ming)了激光與電弧空(kong)間位(wei)置不同，焊接效果有較大差(cha)異。
在激光-電弧複合焊接中，應選擇激光後置的方(fang)式，電弧電流小時熱源間距應選2～3mm之間；電弧電流較大時熱源間距要(yao)選5～6mm之間。
3. 有資料介紹，用脈衝Nd：YAG 激光／TIG 電弧複合熱源在304不鏽鋼板（板厚3mm，試板尺寸100mm×150mm）上進行堆焊試驗(yan)。來了解脈衝Nd：YAG激光/TIG電弧複合熱源堆焊過程中激光功率(lv)、激光束(shu)離焦量和焊接速度對焊縫形貌、熔深和熔寬的影(ying)響(xiang)。
焊接設備采用JHM-1GXY-400X型脈衝Nd YAG 激光器和TIG WP300焊機。JHM-1GXY-400X型激光器最大輸(shu)出功率(lv)500W，經焦距70mm的透鏡聚焦後可獲得直徑0.2mm的焦斑。TIG WP300焊機最大電流300A。采用旁(pang)軸複合的激光後置式進行堆焊。堆焊過程中采用氬氣對激光頭、TIG焊槍及工件高溫區(qu)域(yu)進行保護。
試驗(yan)參數(shu)均(jun)為：TIG電流I，＝190A，TIG電壓U1＝11～12V，泵浦燈電流IL＝190A，激光束(shu)離焦量e＝-1mm，激光脈衝頻(pin)率(lv)f＝15Hz，脈寬b＝2.5ms，熱源間距d＝0.5mm，焊接速度u＝25cm/min（此組(zu)參數(shu)下激光功率(lv)為350W）。
試驗(yan)結果與分析：
1. 三種焊接方(fang)法焊縫橫截(jie)麵形貌、熔深和熔寬的比較。單一TIG焊、單一激光焊和激光／TIG複合焊三種情況下得到的焊縫橫截(jie)麵形貌如圖3-61所示：單一TIG焊接得到典型熱導焊焊縫，焊縫深寬比很小；激光焊焊縫熔寬很小，熔深很大，深寬比約為TIG焊縫的12倍；複合焊焊縫寬 圖3-61 不同焊接熱源得到的焊縫橫截(jie)麵形貌度和焊縫熔深都(du)明(ming)顯增大，形成了“釘頭”形的焊縫橫截(jie)麵形貌。三者(zhe)的焊縫橫截(jie)麵麵積分別(bie)為0.6m㎡、1.1m㎡和2.4m㎡，複合焊焊縫的橫截(jie)麵麵積比兩種熱源單一焊接得到的焊縫橫截(jie)麵麵積之和還要(yao)大0.7m㎡左右，可見兩種熱源複合後產生了“1＋1＞2”的效應。
2. 激光功率(lv)對複合焊縫形貌、熔深和熔寬的影(ying)響(xiang)。在其他工藝參數(shu)不變的條(tiao)件下改(gai)變激光功率(lv)（P2）為70W、210W和350W進行複合焊接，這三種情況焊縫的橫截(jie)麵麵積依次為1.07m㎡、1.68m㎡和2.34m㎡，複合熱源的功率(lv)分別(bie)為520W、660W和800W。這三種情況下單位(wei)熱源功率(lv)形成的焊縫橫截(jie)麵麵積依次為2.06m㎡/kW，2.55m㎡／kW和2.96m㎡/kW，從圖3-62可見。表明(ming)隨著(zhou)激光功率(lv)的增大，複合熱源的熱功率(lv)也(ye)增大，這是因為激光功率(lv)增大時小孔效應更加顯著，而且激光對TIG電弧的穩弧和壓縮作用會增強，從而使電弧能量密度增大。同時從圖3-63中可以看到，當(dang)激光功率(lv)從70W增大到350W時熔深的變化很顯著，從約0.9mm增大到約2.0mm，增加了約110％，而熔寬的增幅相對小些，隻有20％。總之，激光功率(lv)增大時，複合焊焊縫深和熔寬均(jun)增大，複合焊焊縫橫截(jie)麵麵積增大，複合熱源熱效率(lv)也(ye)增大。
3. 激光束(shu)離焦量對複合焊焊縫形貌、熔深和熔寬的影(ying)響(xiang)在離焦量分別(bie)為5、2、-1和-3四種情況下進行堆焊試驗(yan)，從圖3-64中可以看出，離焦量對焊縫橫截(jie)麵形貌有非常顯著的影(ying)響(xiang)：在離焦量e＝5mm時，由於工件表麵激光光斑直徑過圖3-64 離焦量對複合焊焊縫橫截(jie)麵形貌的影(ying)響(xiang)大，能量密度較低(di)不足產生小孔效應，此時的焊接模式為熱傳導焊接；離焦量e＝2mm時，工件表麵光斑直徑減小，功率(lv)密度有所增大，因此形成了錐狀的焊縫橫截(jie)麵形貌；離焦量e＝-1mm時得到的熔深最大；離焦量e＝-3mm時也(ye)形成了典型的釘頭焊縫，其焊縫熔深和離焦量為e＝-1mm時相比有所減少。
激光離焦量對複合焊焊縫熔深和熔寬尺寸的影(ying)響(xiang)如圖3-65所示，離焦量從-3mm增加到5mm的過程中，焊縫熔深先(xian)增大，在離焦量為-1mm時達到最大，然(ran)後隨著(zhou)離焦量的進一步(bu)增大焊縫熔深開(kai)始(shi)減小；焊縫熔寬隨離焦量的變化趨勢與熔深相同，隨著(zhou)離焦量從-3mm增大到5mm，焊縫熔寬也(ye)在離焦量為-1mm時增加到最大，然(ran)後隨著(zhou)離焦量的進一步(bu)增大而減少，從圖3-65還可以看到，離焦量變化會導致複合焊焊縫熔深發生較大幅度變化，而焊縫熔寬的變化幅度則相對較小。
在圖3-64四種情況下焊縫橫截(jie)麵麵積測量結果依次為0.94m㎡、1.29m㎡、2.37m㎡和1.66m㎡。即隨著(zhou)離焦量從-3mm增大到5mm，複合熱源熱效率(lv)先(xian)增大，離焦量為-1mm時達到最大，然(ran)後隨著(zhou)離焦量的進一步(bu)增大而減小。
4. 焊接速度對複合焊縫形貌、熔深和熔寬的影(ying)響(xiang)。在其他工藝參數(shu)保持不變，焊接速度分別(bie)為35cm／min、25cm／min和15cm／min的條(tiao)件下分別(bie)進行焊接試驗(yan)，對焊縫形貌、熔深和熔寬進行測量：圖3-66中可以看出，隨著(zhou)焊接速度的減小，焊縫熔深和熔寬都(du)明(ming)顯增大，當(dang)焊接速度為15cm／min時，試板幾乎熔穿；圖3-67所示為焊接速度對複合焊焊縫熔深和熔寬的影(ying)響(xiang)，焊接速度從15cm／min增大到35cm／min時，複合焊焊縫熔深變化較大，而焊縫熔寬的變化則相對較小。
圖3-67中三種情況下焊縫截(jie)麵麵積依次為1.88m㎡、2.37m㎡和3.45m㎡。除了焊接速度外，三種情況下的其他工藝參數(shu)相同，為了消(xiao)除熱輸(shu)入(ru)變化對焊縫橫截(jie)麵麵積的影(ying)響(xiang)，計算了這三種情況下複合焊縫橫截(jie)麵麵積與焊接速度的乘積，結果依次為658mm3/min、592.5mm3/min 和517.5mm3/min，即截(jie)麵麵積與焊接速度的乘積是隨複合熱源焊接速度減少而降低(di)，可見隨著(zhou)焊接速度的減小，雖然(ran)複合焊焊縫橫截(jie)麵積是不斷增大，但(dan)是複合熱源的熱效率(lv)是不斷減少的。
總之，焊接速度減小時，複合焊縫熔深、熔寬和焊縫橫截(jie)麵麵積都(du)增大。
複合焊接的主要(yao)優(you)點如下：
1. 焊接能量集中，焊接速度快，熔深大，比單純激光焊或(huo)電弧焊都(du)好。
2. 電弧過程穩定，既(ji)使在小電流條(tiao)件下施焊，也(ye)能穩定地焊接。
3. 對接頭間隙不敏感(gan)，比激光焊好得多。
4. 可以通過焊絲(si)來改(gai)善(shan)焊縫的性(xing)能，比激光焊優(you)越。
5. 焊縫成形美(mei)觀(guan)、單位(wei)熱輸(shu)入(ru)低(di)，焊接變形小，焊後矯正量小與激光焊相當(dang)。
6. 複合焊接是一種高效率(lv)低(di)成本(ben)優(you)質焊縫的焊接工藝。
激光-電弧複合焊的種類比較多，可以根據產品的類別(bie)、材質和厚度進行選用。其種類有：
1. 百(bai)瓦級激光能量＋電弧複合
熱源顯示為電弧的特性(xing)，激光功率(lv)能量比較小（W≤500），激光主要(yao)起(qi)穩弧和壓縮電弧、提高電弧能量利用率(lv)的作用，多用於激光＋鎢極(ji)氣體保護電弧的複合焊接，比較適(shi)合對薄(bo)板的焊接。
2. 千(qian)瓦級激光能量＋電弧複合
熱源兼(jian)有激光和電弧特性(xing)，能夠充(chong)分利用二者(zhe)的優(you)點，多用於激光＋MIG／MAG電弧的複合焊。適(shi)用於鋁合金、鎂合金、碳鋼、不鏽鋼、低(di)合金高強鋼和超(chao)高強鋼等材料的焊接。
3. 萬瓦級激光能量＋電弧複合
熱源顯示激光的特點，具有較大的焊縫熔寬比，大多采用大功率(lv)CO2激光與MAG焊的複合。它(ta)難於實現全位(wei)置焊接，主要(yao)用於船板等大厚度的焊接，設備投資較大。
激光-電弧複合焊接工藝是一種具有遠大前途的工藝方(fang)法，已在造船、汽車等領域(yu)大厚度高強度鋼板的焊接中得到成功的應用。例如，用焊接熱軋高強鋼，熔深可達15mm，而變形量僅(jin)為普通焊接的1／10；焊接板厚為6mm的T型接頭，焊接速度可達3m／min，達到了焊接速度快、變形小、質量高和間隙敏感(gan)性(xing)低(di)的要(yao)求。
