激光電弧復(fù)合焊有時也稱電弧輔助激光焊接技術(shù)，其主要目的是有效利用激光和電弧的熱源，充分發(fā)揮兩種熱源各自優(yōu)勢，取長補短，以較小的激光功率獲得較大的熔深，穩(wěn)定焊接過程，提高焊接效率，降低激光焊接的裝配精度和應(yīng)用成本。

  采用激光和電弧進行焊接的方式有兩種方式：一種是激光與電弧沿焊接方向前后串行排列，且兩者相距較大，作為兩個獨立的熱源作用于焊件，主要利用電弧熱源對焊縫進行預(yù)熱或后熱，以提高材料對激光的吸收率，改善焊縫組織和性能；另一種是激光和電弧共同作用于同一個熔池，焊接過程中激光和電弧之間存在相互作用和能量的耦合，也就是我們常說的激光電弧復(fù)合焊接。

  激光電弧復(fù)合焊接又分同軸復(fù)合和旁軸復(fù)合，如圖3-55所示。

  1. 同軸復(fù)合是激光束與電弧同軸作用在焊件的同一位置，即激光穿過電弧中心或電弧穿過對稱布置的環(huán)狀光束或多束幾何中心到達焊件表面。激光-TIG電弧復(fù)合是較為簡單的一種同軸復(fù)合焊接方式，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(wěn)定性；即使在高速焊接條件下，仍可保證電弧穩(wěn)定，焊縫成形良好，氣孔、咬邊等缺陷大大減少。它的焊接速度一般是激光焊接速度的2倍以上，更遠遠大于TIG焊。這種復(fù)合焊接方法主要用于薄板或薄壁不銹鋼管的焊接，焊接速度高達15m／min，焊縫成形明顯改善，且降低了對坡口加工精度的要求。

   2. 旁軸復(fù)合是激光束和電弧呈一定角度地作用在焊件的同一位置，激光束與電弧呈不對稱的幾何關(guān)系。激光可以在電弧前方引入，也可以要電弧后方引入。旁軸復(fù)合容易實現(xiàn)，可以采用激光束與TIG電弧、MAG/MIG電弧或等離子弧復(fù)合。激光-MIG復(fù)合焊是目前應(yīng)用最廣泛的一種復(fù)合熱源焊接方式，由于MIG具有送絲和熔滴過渡，一般采用旁軸復(fù)合方式，激光-MIG復(fù)合焊不但可增大熔深，改善焊接適應(yīng)性，還可通過填充焊絲改善焊縫組織和性能。采用激光-MIG復(fù)合焊時焊接速度比單激光或單MIG焊時提高約1/3，而輸入能量減少了1/4，更體現(xiàn)出復(fù)合焊的高效和節(jié)能優(yōu)勢。激光-MIG復(fù)合焊比激光-TIG復(fù)合焊焊的板厚更大，焊接適應(yīng)性更強。

   旁軸復(fù)合焊接根據(jù)焊接位置（即兩熱源的相對位置）的不同，又分為激光前置（電弧在激光之后）和激光后置（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。兩熱源前后位置的不同對焊縫形貌、成形影響較大。

   用激光-MAG復(fù)合焊進行試驗時，在完全相同的焊接參數(shù)下，互換兩熱源前后位置，從圖3-57和圖3-58中可以看出焊縫形貌截然不同，激光后置焊縫，兩熱源都達到了有效耦合，焊縫表面圓潤飽滿，基本沒有飛濺；激光前置焊縫，焊縫寬窄不一且伴有大顆粒飛濺，電弧不能穩(wěn)定燃燒，兩種熱源耦合較差。從上述圖中還可以知道，當(dāng)熱源間距為6mm時，兩者焊縫形貌都處于最佳狀態(tài)。

   圖3-59表示了熱源間距與熔寬關(guān)系，從圖中除了熱源間距＝2mm外，激光前置時的焊縫熔寬均比激光后置時較寬。這是因為激光前置時沒有電弧預(yù)熱母材，使焊接金屬首先對激光是反射作用，待金屬表面微熔后，對激光能量的吸收才變得明顯，不能形成激光小孔效應(yīng)，激光致等離子體減少。因此，對電弧的引導(dǎo)、壓縮作用減弱，弧柱在金屬表面作用面積增加，導(dǎo)致激光前置施焊時的焊縫熔寬較寬、熔深較淺、余高小還有不同程度的咬邊缺陷。激光后置施焊時，電弧首先對焊接作用點進行預(yù)熱，金屬對激光能量吸收和小孔效應(yīng)增強，激光對電弧的引導(dǎo)和壓縮作用增強，而且MAG焊縫處于前傾焊接方位，電弧力后排熔池金屬的作用也增大，熔滴著陸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，因此焊縫熔深要深些，熔寬相應(yīng)要窄些。

   圖3-60表示出熱源間距與熔深的關(guān)系：從圖中可知，激光后置時，熔深隨著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后置相反，它的最小熔深為1.2mm，最大熔深也只有3.9mm，充分說明了激光與電弧空間位置不同，焊接效果有較大差異。

   在激光-電弧復(fù)合焊接中，應(yīng)選擇激光后置的方式，電弧電流小時熱源間距應(yīng)選2～3mm之間；電弧電流較大時熱源間距要選5～6mm之間。

  3. 有資料介紹，用脈沖Nd：YAG 激光／TIG 電弧復(fù)合熱源在304不銹鋼板（板厚3mm，試板尺寸100mm×150mm）上進行堆焊試驗。來了解脈沖Nd：YAG激光/TIG電弧復(fù)合熱源堆焊過程中激光功率、激光束離焦量和焊接速度對焊縫形貌、熔深和熔寬的影響。

   焊接設(shè)備采用JHM-1GXY-400X型脈沖Nd YAG 激光器和TIG WP300焊機。JHM-1GXY-400X型激光器最大輸出功率500W，經(jīng)焦距70mm的透鏡聚焦后可獲得直徑0.2mm的焦斑。TIG WP300焊機最大電流300A。采用旁軸復(fù)合的激光后置式進行堆焊。堆焊過程中采用氬氣對激光頭、TIG焊槍及工件高溫區(qū)域進行保護。

   試驗參數(shù)均為：TIG電流I，＝190A，TIG電壓U1＝11～12V，泵浦燈電流IL＝190A，激光束離焦量e＝-1mm，激光脈沖頻率f＝15Hz，脈寬b＝2.5ms，熱源間距d＝0.5mm，焊接速度u＝25cm/min（此組參數(shù)下激光功率為350W）。

試驗結(jié)果與分析：

   1. 三種焊接方法焊縫橫截面形貌、熔深和熔寬的比較。單一TIG焊、單一激光焊和激光／TIG復(fù)合焊三種情況下得到的焊縫橫截面形貌如圖3-61所示：單一TIG焊接得到典型熱導(dǎo)焊焊縫，焊縫深寬比很?。患す夂负缚p熔寬很小，熔深很大，深寬比約為TIG焊縫的12倍；復(fù)合焊焊縫寬 圖3-61 不同焊接熱源得到的焊縫橫截面形貌度和焊縫熔深都明顯增大，形成了“釘頭”形的焊縫橫截面形貌。三者的焊縫橫截面面積分別為0.6m㎡、1.1m㎡和2.4m㎡，復(fù)合焊焊縫的橫截面面積比兩種熱源單一焊接得到的焊縫橫截面面積之和還要大0.7m㎡左右，可見兩種熱源復(fù)合后產(chǎn)生了“1＋1＞2”的效應(yīng)。

   2. 激光功率對復(fù)合焊縫形貌、熔深和熔寬的影響。在其他工藝參數(shù)不變的條件下改變激光功率（P2）為70W、210W和350W進行復(fù)合焊接，這三種情況焊縫的橫截面面積依次為1.07m㎡、1.68m㎡和2.34m㎡，復(fù)合熱源的功率分別為520W、660W和800W。這三種情況下單位熱源功率形成的焊縫橫截面面積依次為2.06m㎡/kW，2.55m㎡／kW和2.96m㎡/kW，從圖3-62可見。表明隨著激光功率的增大，復(fù)合熱源的熱功率也增大，這是因為激光功率增大時小孔效應(yīng)更加顯著，而且激光對TIG電弧的穩(wěn)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(dāng)激光功率從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，只有20％?？傊?，激光功率增大時，復(fù)合焊焊縫深和熔寬均增大，復(fù)合焊焊縫橫截面面積增大，復(fù)合熱源熱效率也增大。

   3. 激光束離焦量對復(fù)合焊焊縫形貌、熔深和熔寬的影響在離焦量分別為5、2、-1和-3四種情況下進行堆焊試驗，從圖3-64中可以看出，離焦量對焊縫橫截面形貌有非常顯著的影響：在離焦量e＝5mm時，由于工件表面激光光斑直徑過圖3-64 離焦量對復(fù)合焊焊縫橫截面形貌的影響大，能量密度較低不足產(chǎn)生小孔效應(yīng)，此時的焊接模式為熱傳導(dǎo)焊接；離焦量e＝2mm時，工件表面光斑直徑減小，功率密度有所增大，因此形成了錐狀的焊縫橫截面形貌；離焦量e＝-1mm時得到的熔深最大；離焦量e＝-3mm時也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。

  激光離焦量對復(fù)合焊焊縫熔深和熔寬尺寸的影響如圖3-65所示，離焦量從-3mm增加到5mm的過程中，焊縫熔深先增大，在離焦量為-1mm時達到最大，然后隨著離焦量的進一步增大焊縫熔深開始減小；焊縫熔寬隨離焦量的變化趨勢與熔深相同，隨著離焦量從-3mm增大到5mm，焊縫熔寬也在離焦量為-1mm時增加到最大，然后隨著離焦量的進一步增大而減少，從圖3-65還可以看到，離焦量變化會導(dǎo)致復(fù)合焊焊縫熔深發(fā)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面面積測量結(jié)果依次為0.94m㎡、1.29m㎡、2.37m㎡和1.66m㎡。即隨著離焦量從-3mm增大到5mm，復(fù)合熱源熱效率先增大，離焦量為-1mm時達到最大，然后隨著離焦量的進一步增大而減小。

   4. 焊接速度對復(fù)合焊縫形貌、熔深和熔寬的影響。在其他工藝參數(shù)保持不變，焊接速度分別為35cm／min、25cm／min和15cm／min的條件下分別進行焊接試驗，對焊縫形貌、熔深和熔寬進行測量：圖3-66中可以看出，隨著焊接速度的減小，焊縫熔深和熔寬都明顯增大，當(dāng)焊接速度為15cm／min時，試板幾乎熔穿；圖3-67所示為焊接速度對復(fù)合焊焊縫熔深和熔寬的影響，焊接速度從15cm／min增大到35cm／min時，復(fù)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面面積依次為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(shù)相同，為了消除熱輸入變化對焊縫橫截面面積的影響，計算了這三種情況下復(fù)合焊縫橫截面面積與焊接速度的乘積，結(jié)果依次為658mm³/min、592.5mm³/min 和517.5mm³/min，即截面面積與焊接速度的乘積是隨復(fù)合熱源焊接速度減少而降低，可見隨著焊接速度的減小，雖然復(fù)合焊焊縫橫截面積是不斷增大，但是復(fù)合熱源的熱效率是不斷減少的。

 總之，焊接速度減小時，復(fù)合焊縫熔深、熔寬和焊縫橫截面面積都增大。

 復(fù)合焊接的主要優(yōu)點如下：

   1. 焊接能量集中，焊接速度快，熔深大，比單純激光焊或電弧焊都好。

   2. 電弧過程穩(wěn)定，既使在小電流條件下施焊，也能穩(wěn)定地焊接。

   3. 對接頭間隙不敏感，比激光焊好得多。

   4. 可以通過焊絲來改善焊縫的性能，比激光焊優(yōu)越。

   5. 焊縫成形美觀、單位熱輸入低，焊接變形小，焊后矯正量小與激光焊相當(dāng)。

   6. 復(fù)合焊接是一種高效率低成本優(yōu)質(zhì)焊縫的焊接工藝。

激光-電弧復(fù)合焊的種類比較多，可以根據(jù)產(chǎn)品的類別、材質(zhì)和厚度進行選用。其種類有：

  1. 百瓦級激光能量＋電弧復(fù)合

   熱源顯示為電弧的特性，激光功率能量比較小（W≤500），激光主要起穩(wěn)弧和壓縮電弧、提高電弧能量利用率的作用，多用于激光＋鎢極氣體保護電弧的復(fù)合焊接，比較適合對薄板的焊接。

  2. 千瓦級激光能量＋電弧復(fù)合

   熱源兼有激光和電弧特性，能夠充分利用二者的優(yōu)點，多用于激光＋MIG／MAG電弧的復(fù)合焊。適用于鋁合金、鎂合金、碳鋼、不銹鋼、低合金高強鋼和超高強鋼等材料的焊接。

  3. 萬瓦級激光能量＋電弧復(fù)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CO₂激光與MAG焊的復(fù)合。它難于實現(xiàn)全位置焊接，主要用于船板等大厚度的焊接，設(shè)備投資較大。

  激光-電弧復(fù)合焊接工藝是一種具有遠大前途的工藝方法，已在造船、汽車等領(lǐng)域大厚度高強度鋼板的焊接中得到成功的應(yīng)用。例如，用焊接熱軋高強鋼，熔深可達15mm，而變形量僅為普通焊接的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(zhì)量高和間隙敏感性低的要求。