激光-GMAW混合焊接研究现状与发展

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作为先进的焊接技术，激光焊接具有焊接速度快、焊接变形小、焊缝热影响区小、易实现焊接过程的自动化与精密控制和焊接成形性好等特点。然而工业上并没有广泛运用激光焊接技术，这是因为激光焊的缺点还是比较多的，如：能量利用率低、焊接设备昂贵、焊件适应性要求高、焊缝易产生气孔及裂纹缺陷。激光-GMAW复合焊与纯激光焊的不同是其添加了GMAW焊丝填充焊缝，具有投资小、成本低和可利用高等特点。虽然拥有那么多的有点，但瑕不掩瑜，激光-GMAW复合焊接还是有许多缺点的，如：焊接速度较纯激光焊、深宽比变小、加热范围变大从而导致造成热影响区变大以及焊缝的变形过大[6]。87003

研究表明激光－电弧复合焊接过程是一个复杂的物理化学过程，焊接一开始，大量的高温激光致等离子体、电弧等离子体、受热蒸发的母材金属以及电离的保护气体将混杂于焊接区域，研究复合焊接的机理要正确梳理这一系列的物理化学过程，对于科学家们来说，是个不小的难题。即便困难重重，国内外科学家们都没有放弃研究激光-电弧复合焊接机理。如Moriaki等人[7]就通过多次的实验研究，测量并研究了激光-GMAW复合焊时电弧电压的变化，终于发现电弧单独高速焊接时，电压波动范围会变得很大，而使用激光复合焊接方法后，电压波动范围会明显减小。Moriaki认为，单独使用电弧焊接时，维持电弧稳定的是工件(阴极)的热电子发射，一旦提高焊接速度，就会导致工件吸收的热量不足，使得电弧变得不稳定。然而使用同样的设备和参数，在激光复合焊时，由于存在匙孔，焊接区域的带电粒子数陡然增加，因而热发射变得很容易，而且电弧也被明显压缩，弧柱能量密度增大。这一发现大大增强了科技界对于激光复合焊的研究，之后Abe所在的科研小组[9]采用高速摄影观测了不同熔滴过渡形式下复合焊过程中熔池并研究了其电弧稳定性，令他们惊奇的是，短路过渡电弧周期性的交替长大和熄灭会导致形成不稳定的焊缝熔池，将不利于激光能量过渡到母材之中。所以说，喷射过渡形式不太适合拥有短路过渡形式的单电弧焊，反而喷射过渡形式更适合于激光-GMAW复合焊。见国外的科学家们研究的这么水深火热，中国的科学家怎能就做旁观者呢，陈彦斌教授小组[10]开拓创新地采用脉冲激光烧蚀透明有机玻璃的方法测量了激光穿过电弧后的能量分布特性，研究后发现，激光功率的改变导致电弧对激光的吸收变化，而且其吸收能力会随焊接电流的增大而增大，但是这种吸收能力是有一个峰值的，该吸收在功率增加到一定数值后就保持不变了。国内的科学家们对于激光复合焊接的研究热情日益见证，天津大学的路登平教授小组[11]就通过Stark扩展线宽法测定了单独电弧、单独激光和激光－电弧复合三个不同焊接方法的电子密度，有力的证明了强烈相互作用存在于激光和电弧等离子体之间，且电弧有“稀释”激光等离子体的作用，但是这些结论仅限于小电流电弧，随着电弧电流的不断增大会出现不一样的作用关系。

在科学界热火朝天的研究之下，国内外许多研究机构与公司也纷纷将目光投向激光复合焊接上，尤其增加了对复合热源焊炬的研制。由于激光复合焊接的过程中需要送丝，所以绝大多数激光-MIG/MAG复合焊炬都采用旁轴复合。但目前，随着科技界对于激光复合焊接研究的加大，各式各样的复合焊炬也被研制出来，比如激光-GMAW同轴复合焊炬专用设备已出现在工业生产应用中。

由清华大学的张旭东教授等[18]所研制的CO2激光-MIG电弧同轴复合焊炬，其MIG电极(焊丝)处于激光光束中心，在不影响光束能量传播的条件下能够实现激光与电弧的同轴复合。作为两种不同的焊接方法，旁轴复合焊和同轴复合焊的最大的不同就是焊炬的不同，旁轴复合焊的电弧为工件提供的是非对称热源，其焊炬倾斜作用在工件表面，而同轴复合焊为工件提供的是同轴对称复合热源，其焊炬为圆形状分布在工件表面。张旭东教授和他的团队使用同轴复合焊炬进行铝合金的激光复合焊接，实验结果显示，同轴复合焊具有提高电弧稳定性、提高熔化效率和改善焊缝成形等优点。国外的Takashi 的团队[12]则研制出YAG激光-MIG电弧同轴复合焊炬，使用该装置分别进行了薄板和厚板的对比焊接实验，研究发现使用该焊炬进行焊接，在接头长度为1。5mm缝隙时依然能获得良好焊缝成形，同时能够实现速度为7m/min的薄板高速焊接和厚度为20mm的厚板多道焊接。与之前两个不同，Kairle和他的团队[13]研究的方向是旁轴结构复合焊炬，他们将旁轴结构复合焊炬用于油箱的焊接生产上，因此旁轴结构复合焊炬也被形象地称为“复合焊接集成喷嘴”，旁轴结构复合焊矩在工业使用中更加灵活，更易实现三维空间焊接且它能让激光与电弧最大程度地靠近，最终使两热源能在狭小的调整结构空间完美实现多效果复合。