激光_电弧复合焊接技术的研究与应用

0前言20世纪70年代末，英国学者W M Steen 等率先

利用TIG 和CO 2激光实现了激光-电弧复合焊。近年来，随着电弧焊设备和激光器性能的提高，激光-电弧复合焊技术的发展日益加速，激光－电弧复合焊已成为激光焊接研究的热点方向，德国、美国、日本和瑞典等国家都在该领域做了大量的研究实践工作。激光-电弧复合焊的应用研究主要是针对高速薄板焊接、中厚钢板焊接和铜铝合金等高反射材料的焊接等，涉及的行业包括汽车、造船、航空和石油管道等。

1激光-电弧复合焊接的提出背景、基本原理和复合形式

聚焦激光束由于具有高的热源密度，使其应用于

焊接领域具有速度高、热输入小、变形小、热影响区窄以及接头综合性能好等一系列优点。但是，与其他焊接热源一样，激光焊也有其缺点：设备投资大；能量利用率低；焊前的准备工作要求高；高反射金属焊接困难，接头中容易产生气孔、裂纹、咬边等缺陷。为避免单独激光焊接所存在的问题，研究者便提出了激光与电弧的复合，其出发点是利用电弧焊接的低成本、适用范围宽等特点。随后的研究成果表明，激光－电弧复合热源既综合了上述2种焊接热源的优点，又相互弥补了各自的不足，还产生了额外的能量

协同效应。

激光－电弧复合焊接的原理如图1所示，激光与电弧同时作用于金属表面同一位置，焊缝上方因激光作用而产生光致等离子体云，等离子云对入射激光的吸收和散射会降低激光能量利用率，外加电弧后，低温低密度的电弧等离子体使激光致等离子体被稀释，激光能量传输效率提高；同时电弧对母材进行加热，使母材温度升高，母材对激光的吸收率提高，焊接熔深增加。另外，激光熔化金属为电弧提供自由电子，降低了电弧通道的电阻，电弧的能量利用率也提高，从而使总的能量利用率提高，熔深进一步增加。激光束对电弧还有聚焦、引导作用，使焊接过程中的电弧更加稳定。

在复合焊中，参与复合的激光包括Nd ：YAG （钕：钇铝石榴石）激光、CO 2激光；电弧包括TIG

电弧、MIG /MAG 电弧以及等离子弧，利用各种复合

收稿日期：2009-12-09

文章编号：1002－025X (2010)05-0002-06

激光－电弧复合焊接技术的研究与应用

袁小川1，赵

虎2，王平平2

（1.山东中德设备有限公司，山东济南250101；2.山东省冶金地质水文勘察公司，山东济南250101）

摘要：阐述了激光－电弧复合焊接的基本原理和复合形式，归纳了几种激光－电弧复合焊接技术的特点、应用范围和国内外的研究进展，介绍了目前国内外激光－电弧复合焊接技术在汽车、造船、石油化工等制造业中的应用，最后指出激光－电弧复合焊接技术有着非常广泛的应用前景，是今后激光焊接技术的发展趋势，激光－电弧复合焊接机理还有待于进一步研究。关键词：激光－电弧复合焊接；复合形式；研究进展；工业应用中图分类号：TG444.73

文献标志码：B

形式焊接所得结果也不尽相同。同时根据激光、电弧在焊接时的空间位置不同，可将其分为旁轴和同轴两大类，如图2所示。与目前常用的旁轴激光－电弧复合焊相比，激光－电弧同轴复合可以在工件表面提供对称热源，焊接质量不受焊接方向影响而适于三维焊接。

具体的复合形式简述如下：

（1）激光－TIG复合焊接它是早期的一种复合焊形式，主要用于薄板金属的焊接，尤其适合于焊接高热导率的金属。可以明显提高焊接速度，改善单一TIG焊接时效率低的状况。此后，20世纪90年代又出现了激光与TIG同轴焊接，这种焊接方法无方向性，焊接过程比较稳定，焊接速度也大大提高。而且，焊接过程中匙孔直径可以达到单一YAG焊接时的1．5倍，这非常有利于气体的逸出，可以减少焊缝中的气孔。

（2）激光－MIG/MAG复合焊接这种复合焊接技术灵活性较强，适合于中厚板以及铝合金等难焊金属的焊接。熔敷金属的加入可以改善焊缝的微观组织，提高接头的综合力学性能。电弧的引入有助于提高间隙搭桥能力，降低了单一激光焊接时坡口制备的精度要求。激光前置时可以使引弧容易，并且在合适的参数下可以改变熔滴过渡方式，使得焊接过程更加稳定，减少了单一MIG/MAG焊时的飞溅量和焊后处理的工作量。激光－MIG/MAG旁轴复合易于实现，而同轴复合则难以实现。

（3）激光－双电弧复合焊接由德国亚琛大学焊接研究所（ISF）的研究人员开发激光－双MIG复合焊（Hybrid Welding With Double Arc简称HyDRA），

适合于中厚板以及铝合金、镁合金、双相钢等难焊金属的焊接。试验结果表明，在无间隙接头焊接时，激光－双电弧复合热源的焊接速度比一般的激光－MIG 电弧复合热源提高33％，单位长度的能量输入减少25％，间隙裕度可达2mm，且焊接过程非常稳定，远远超过激光－MI G电弧复合热源的焊接能力，而且可以更好地实现自动化焊接。

（4）激光－等离子弧复合焊接它具有刚性好、温度高、方向性强、电弧引燃性好、加热区窄等优点，适用于薄板对接、镀锌板搭接、钛合金、铝合金等高反射率和高热导率材料的焊接及切割、表面合金化等。

2激光－电弧复合焊接技术的研究进展

2．1激光－TIG电弧复合焊接技术

德国J Wendelftorf等人对激光－TIG电弧进行了研究，激光束采用0．1～1kW的低功率激光电源，激光集中于工件表面的电弧根部，试验证明能够明显提高低电流和弧长较长时间的电弧稳定性，可以最大限度地增加焊接速度与焊接熔透［1］。例如，当CO2激光功率为0．8kW，TIG电弧的电流为90A，焊接速度为2m/min时，可相当5kW的CO2激光焊机的焊接能力；当5kW的CO2激光束与300A的TIG电弧复合，焊接速度为0．5～5m/min时，获得的熔深是单独使用5kW激光束焊接时的0．3～2．0倍。阿亨大学弗朗和费激光技术学院研制了一种激光双弧复合焊接，与激光单电弧复合焊相比，焊接速度可提高约1/3，热输入减小25％。G den Ouden［2］等人利用500W的小功率Nd：YAG激光与TIG电弧进行复合，研究了激光-电弧之间的相互作用，发现激光可使电弧的引燃电压降低到原来的1/20，这是由于激光产生的等离子体包括金属原子、电子以及正离子，当施加电压时，电子向阳极运动，正离子向阴极运动，激发了阴极的热发射。为了系统地研究CO2激光与TIG电弧复合热源焊接技术，日本学者Naito Yasuaki在2006年先后发表了4篇相关论文［3－6］。对含微量S元素的304不锈钢板进行了焊接，首先研究了复合焊接中熔透特征以及电弧与等离子云的行为，发现激光在TIG 电弧产生熔池后照射熔池区域时焊缝熔深增大；当电弧电流为200A时，复合焊接方法所得焊缝的气孔比

单一激光焊时的少；利用CCD照相机和高速摄像机观察了电弧等离子体和激光诱导等离子云的行为。其次研究了环境气体对熔透几何尺寸的影响，发现随着环境气体氧含量的增多，复合焊接方法所得焊缝“钉头”部分消失。此外，还对复合焊接中的电弧进行测量，结果发现，电弧等离子体被压缩在匙孔入口处而没有进入匙孔内部，这对解释复合焊接时的焊接现象以及产生熔深更大的焊缝奠定了基础。最后阐明了熔透特性、气孔的抑制机理和熔池的流动行为：在Ar 保护气环境中，表面张力诱导对流产生焊缝的“钉头”，从而使焊缝呈酒杯状；电流极大地影响了熔体流动和匙孔行为，当电流为100A时，匙孔顶部向后方接近孔底处有强烈的熔体流动，这就增加了焊缝熔深；当电流为200A时，气孔减少。

天津大学对激光－TIG的作用机理进行了研究，认为在高速焊接条件下，激光－TIG焊可以得到稳定电弧、增加熔透、改善焊缝成形、获得优质焊接接头。北京航空航天大学以铝合金为主要研究对象，研究激光与复合热源焊接铝合金的工艺特点，设计制造了双焦点激光－电弧复合焊接接头，讨论了影响复合焊接的各工艺参数［7］。结果表明：影响复合焊接过程的主要工艺参数有激光功率、焊接速度、焊接电流、激光焦点位置以及两热源之间的距离等，并且在比较宽的参数范围内CO2激光与TIG电弧复合焊接铝合金焊缝成形美观、无气孔等缺陷，焊速显著提高。华中科技大学为了研究CO2激光－TIG电弧复合焊接工艺，采用Rofin Sinar5kW快轴流CO2激光器和Miller钨极惰性气体（TIG）焊机，对3mm 厚316L不锈钢研究了激光功率、焊接电流、热源间距等工艺参数对焊缝成形的影响规律［8］。在激光功率>2．5kW时，会产生小孔效应，其对复合焊缝熔深影响显著；而当焊接电流<150A时，焊缝熔宽与两热源的热输入关系密切，当电流>150A时，仅焊接电流是焊缝熔宽的决定性因素；热源间距存在一个最佳值2～3mm，此时，焊缝熔深可提高1．46～2．5倍。高明等人认为保护气体组成及其保护方式是决定CO2激光－钨极氩弧焊（TIG）电弧复合焊接工艺稳定性和激光、电弧2种热源能否有效耦合并取得增强的焊缝熔深的关键原因。为此，采用不同的气体保护方式在316L不锈钢板上进行了一系列CO2激光－TIG电弧复合焊接试验［9］。结果表明，只有在合理的气体保护方式下才能取得增强的焊接结果，其中气体保护方式对激光等离子体和电弧等离子体相互作用程度的影响是决定能否有效耦合的关键因素。高明等人还为了提高激光－电弧复合焊接的可靠性，对复合焊接咬边缺陷成形机理及抑制方法进行了研究［10］。结果表明，激光能够提高复合焊接的临界咬边速度，最高可达电弧焊接的5倍。在激光－电弧相互作用下，复合焊接存在2种抑制咬边的机理，一种是改变焊趾处固、液、气三相的表面张力状况，形成指向熔池外部的合力；另一种是通过提高熔池内温度梯度和热输入来增加熔池内由内向外的流动速度和时间，使熔化金属能够流向并填充焊趾，这种抑制机理作用更为显著。试验确定了复合焊接临界咬边速度的经验公式和电弧电压的合理调节范围。

2．2激光－MIG/MAG电弧复合焊接技术

日本四国工业技术研究所在对激光－MIG焊接进行研究时，发现激光束焦点置于熔池最深处，电弧力将熔化金属排开，形成表面下陷低坑，以获得最大熔深。日本东芝公司用6kW的CO2激光与7．5kW 的MIG电弧复合，在选择合适的焊接电流、保护气体等参数时，以700mm/min的速度，可以焊透16 mm厚的不锈钢板，焊缝的放射线检查结果可达RT1级［11］。文献［12］中报道了在比较宽的参数范围内，用YAG激光脉冲MIG复合焊接铝合金，焊缝成形美观，无气孔等缺陷，熔深比激光焊增加4倍，比脉冲MIG焊接增加1倍以上，焊速显著提高。日本三菱重工有限公司研制出了YAG激光与电弧同轴复合焊接系统。德国的ISF焊接研究所成功研制激光－双MIG复合焊。在零间隙时，HyDRA的焊接速度与激光-单电弧复合相比，能够提高33％。

与目前常用的旁轴激光－电弧复合焊相比，激光－电弧同轴复合可以在工件表面提供对称热源，焊接质量不受焊接方向影响而适于三维焊接。清华大学研制了CO2激光与脉冲MIG同轴复合焊系统，并用该系统进行了铝合金复合焊接试验［13］。对焊接过程中的基本物理现象进行了观察和分析，测定了焊缝的熔深、熔宽和焊缝断面。结果显示，同轴复合焊可以提

高电弧稳定性、提高熔化效率和改善焊缝成形。为了研究焊接工艺参数对焊缝成形的影响，他们还基于正交试验方法采用CO2激光－MIG旁轴复合焊焊接2．5mm厚的6005A铝合金板［14］。结果表明，对复合焊焊缝熔透状态影响显著性从大到小的工艺参数依次为：焊接速度、MIG焊接电流、MIG电弧电压和激光功率，其中前两者影响最为突出。在熔透状态不发生显著变化时，对复合焊焊缝表面成形影响显著性从大到小的工艺参数依次为：MIG电弧电压、焊接速度、激光功率和MIG焊接电流。根据正交试验结果优化了激光－电弧复合焊接6005A的工艺参数，建立了工艺参数选择原则，根据此原则选择了合适的工艺参数并获得了最佳的焊缝成形。

哈尔滨焊接研究所的秦国梁等［15］研究了Nd:YAG 激光＋脉冲MAG电弧复合热源焊接过程中焊接参数对焊缝熔深的影响。结果表明，复合热源焊缝熔深随电弧功率和激光功率的增大而增大，随焊接速度的增大而减小，并且在相同参数下，复合热源焊缝熔深稍大于激光焊缝熔深而显著大于脉冲MAG焊缝熔深。对于不同焊接电流，光丝间距在0～3mm内复合热源焊缝取得最大熔深，且取得最大熔深的光丝间距与焊接电流大小有关；复合热源焊缝熔深在离焦量为2 mm时取得最大值。试验结果分析表明，在激光＋电弧复合热源焊接过程中激光功率不仅决定复合热源焊缝熔深，而且可以极大地提高焊接速度；MAG电弧也可提高Nd：YAG激光焊的热效率。他们还对激光－MIG电弧复合热源焊接特性进行了分析［16］，认为在MIG平均电流<200A的小功率脉冲MIG电弧区域内，等热输入且等焊接速度条件下，激光－MIG复合热源焊接技术与MIG相比可以提高焊缝深宽比1～2倍，增加焊缝熔深0．43～2．5倍；等热输入且等平均焊接电流条件下，与MIG相比，激光－MIG复合热源焊接技术可以提高焊接速度0．6～1．5倍，增加焊缝熔深0．5～5．9倍；激光－MIG复合热源焊接技术可以用高于MIG焊0．6～6．5倍的焊接速度和更小的焊接热输入获得与MIG同样的焊缝熔深；与MIG焊相比，激光MIG复合热源焊缝的铺展性更好，更适合于高速焊接；MIG复合2kW的激光能量后会增加平均电弧电压、减小平均电流。他们还研究了铝合金激光－MIG电弧复合焊时焊接参数的变化对焊缝熔深的影响规律，并将焊接参数的变化对激光－MIG电弧复合焊、MIG电弧焊、激光焊的焊缝熔深的影响进行了综合比较分析［17］。结果表明，若以等效于激光焊熔深的MIG电弧功率为分界线，可以把MIG电弧的功率分成高、低能量2个区，当激光与低能量电弧区的电弧复合时，激光对焊缝的熔深起主导作用，复合焊的熔深大于该区的MIG电弧焊；当激光与高能量电弧区的电弧复合时，电弧对焊缝的熔深起主导作用，复合焊缝主要体现为MIG焊缝的特点，加入激光的优势主要体现在增加焊接速度方面，即高速焊时也可获得良好的焊缝成形。

华中科技大学的高明等人［18］认为，保护气体是决定CO2激光－MAG电弧复合焊接工艺稳定性、焊缝熔深和接头质量的关键因素，对此，采用He－Ar和CO2－Ar混合气体在Q235钢板上进行了CO2激光MAG电弧复合焊接工艺研究。结果表明，保护气体种类与配比对工艺和焊缝特征有明显的影响。He－Ar 焊缝能够得到更大的焊缝熔深和焊缝硬度。CO2－Ar 中的CO2在高温下分解形成氧气进入熔池后改变了表面张力系数，进而改变了熔池流动方向，导致在w（CO2）≥30％后形成平整的焊缝余高，焊缝电弧区和激光区的过渡更加平滑。

大连理工大学的康乐等人［19］研究了低功率脉冲YAG激光－脉冲MAG电弧复合热源和单脉冲MAG 焊接不锈钢。结果表明，低功率脉冲YAG激光－脉冲MAG电弧复合热源同样具有大功率激光－电弧复合焊接才具有的增加熔深、提高焊接速度、稳定焊接过程等优点；低功率脉冲YAG激光的加入改变了电弧形态，电弧根部被吸引和压缩现象显著，提高了能量利用率；与单脉冲MAG堆焊相比，在相同焊接速度下复合焊最大能增加熔深1．3倍，在相同熔深下复合焊的焊接速度可以提高50％；复合焊焊缝的晶粒较单MAG焊缝中的晶粒细小，其焊缝抗拉强度比单MAG焊缝的好，断裂属于延性断裂。

北京航空制造工程研究所的陈俐等人［20］利用YAG 激光焊头和MAG焊枪旁轴复合进行了1Cr18Ni9Ti不锈钢的激光-电弧复合焊工艺研究。研究表明：影响复合焊过程的主要工艺参数有激光功率、焊接速度、

焊接电流、电弧电压、激光焦点位置、两热源的间距和相对于焊接方向的排列方式等；在一定的焊接工艺条件下所研究的YAG/MAG复合焊具有协同效应。电弧参数测试也表明，当激光与电弧复合的协同效应存在时，复合焊电流高于电弧焊，而电弧电压降低；若电弧采用过大的焊接电流与激光复合，尤其是在较低的焊接速度时，复合焊过程体现不出协同效应，复合焊熔深反而低于激光焊熔深。复合焊激光焦点位置变化对电弧稳定性和熔宽影响小，但获得最大熔深的焦点位置不同于激光焊。激光前置焊比激光后置焊获得的熔深大，2种条件下均在两热源间距为0．5mm时熔深最大。

哈尔滨工业大学进行了CO2激光－MIG电弧射滴过渡的旁轴复合焊接试验［21］，结果表明：在激光锁孔效应下，CO2激光－MIG复合焊接铝合金不仅具有在较宽的参数范围内焊缝成形美观，熔深、熔宽增加，无气孔等优点；而且还发现，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能量和激光锁孔效应产生的大量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。哈尔滨工业大学还对激光复合MIG同轴热源进行了研究，结果表明：与旁轴热源相比，该热源更大程度地降低了激光的被削弱程度；还克服了旁轴热源加热作用非对称性、作用点分离以及设备体积过大、要求高等缺点。兰州理工大学通过YAG激光与脉冲MIG复合试验发现，焊缝熔深与激光焊相比增加4倍，与脉冲MIG焊接相比增加1倍以上，并且焊接速度显著提高。

3激光－电弧复合焊接技术的应用

3．1在船舶制造中的应用

激光－电弧复合焊在船舶制造的许多方面显示出其独特的优势，尤其是它的搭桥能力相对激光焊而言得到显著加强，最大的焊件间隙可以放宽至1mm，大大减小了船舶建造中焊前装配的工作量和加工成本，可以提高工效、缩短作业时间并降低成本支出。此外，对欧洲造船业的主要船舶产品来说，激光－电弧复合焊的另一个主要优点就在于其焊接变形量非常小，焊后的修整工作量大为减少。目前，激光-电弧复合焊技术越来越受到各国造船厂的重视，欧洲的造船厂已经将激光－电弧复合焊工艺应用于实际生产中。如德国的MEYER－WERFT船厂、芬兰的KVAERNER船厂、意大利的FINCANTIERI船厂都有激光复合焊的生产线。美国海军在造船用的厚钢板连接上应用了激光－MIG电弧复合焊，单道焊熔深达15 mm，双道焊熔深达30mm。

3．2在汽车制造中的应用

汽车行业中，随着车辆运输设备朝着轻量化发展，车身框架结构中也更多地引入了铝、铝镁等轻质合金，其主要目的是为了节约能源，减少污染，改善车辆机动性能以及车身材料的再生性。典型的铝合金车型有德国大众的Audi A2，A8及日本本田的NXS，大众的新款Audi A8更是采用了全铝合金框架结构。

在铝合金车身焊接中，以前主要是采用激光焊和熔化极气体保护焊，随着激光－电弧复合焊工艺的成熟，车身焊缝复合焊所占的比例也逐步上升。Audi A8车身焊缝中有4．5mm长激光－电弧复合焊，主要分布在车架的横向顶框上各种规格和形式的接头。辉腾（Phaeton）系列车身中，所有的车门也都采用了复合焊接，车门的焊缝总长4980mm，工艺是7条MIG焊缝（总长380mm），11条激光焊缝（总长1030mm），48条激光－MIG复合焊缝（总长3570mm）。德国大众汽车工程公司的T GRAF等人自主开发了用于汽车车身制造的激光－MIG复合焊接机头。该机头安装在弧焊机器人手臂上，几何尺寸小，适合任何空间位置焊接，在各方向上的调节精度达到0．1mm。

3．3在石油管道中的应用

石油化工的油罐、管道连接也是激光－电弧复合焊一个重要的应用方面。通常的石油管道壁厚较大，常规电弧焊接需要设计特殊的坡口，进行多道焊，在反复的引弧熄弧阶段易产生缺陷。激光-电弧复合焊则充分利用电弧焊的桥接能力和激光焊的深熔性，能一次单道焊接成形，减少焊接缺陷，提高焊接效率。

2000年，德国Fruanhofer研究所研制了一套激光－MIG电弧复合热源焊接储油罐的焊接系统，采用15m/min的焊接速度，焊接壁厚5～8mm，管径1．6m 的小油箱（用时不到3.5min），油箱焊接所用的激光功率为5．7kW、电弧电压29kV、焊接电流240A。焊后通过X射线摄影检测，焊缝无气孔、无裂纹。近年来，美国宾夕法尼亚州应用研究实验室（ARL）和钢铁造船公司（NASSCO）也联合设计组建类似的管道复合焊系统。

4结论和展望

国内外许多大学和科研机构都对激光－电弧复合焊接技术进行了大量的研究和改进。复合焊作为一种新型的焊接方法，可以改变功率密度在时间和空间上的分布，改善母材热作用和影响区域的温度分布，从而改善了焊缝及热影响区的冷却条件、组织转变和应力状态具有较高的焊接速度，减小了工件的变形；降低了焊前零件装配间隙的要求，使得该项技术的实用性大大提高。目前复合焊系统正向集成化、轻型化、智能化发展，相信不久的将来，复合焊会有更广泛的工业应用。

目前，激光焊接工艺较为成熟，而对于激光－电弧复合热源焊接这一新型焊接技术，其研究工作还主要集中在这种焊接方法的工艺特点上，对于激光－电弧复合热源焊接时激光与电弧的相互作用机理、焊接热源的特性等课题有待于从理论上进一步研究。

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作者简介：袁小川（1979—），男，焊接工程师，主要从事压力容器、管道、钢结构等方面的焊接工艺技术工作．