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与传统电弧焊接和激光焊接相比，激光-电弧复合焊接具有大焊接熔深、高工艺稳定性、高焊接效率、较强的焊接间隙桥接能力和小焊接变形等优点，能够大幅度提高焊接效率和焊接质量。近年来，激光-电弧复合焊接得到了广泛的关注，相关研究越来越多。但是，激光-电弧复合焊接因为集成了激光和电弧两种性质截然不同的焊接热源，在具有更多的可调节参数，提高焊接适应性和灵活度的同时增加了参数选择的复杂程度。研究表明，不合理的参数将导致其焊缝熔深浅、深宽比小等不良焊缝成形。众所周知，焊接接头的焊缝成形和焊缝质量密切相关，只有好的焊缝成形才具有优良的接头力学性能同。因此，在激光-电弧复合焊接应用中，如何根据焊接要求来制定工艺参数以有效控制焊缝成形就显得至关重要。
目前，复合焊接的研究主要局限在提高材料的可焊性和相关机理探讨上，对于如何选择合理的工艺参数组合来控制焊接质量却缺乏系统的研究。本文的目的就是通过研究CO2 激光-MIG 复合焊接中激光功率、电弧电流对最大临界焊接速度的影响及其和接头间隙对焊缝成形的影响规律，以探讨其工艺参数的优化与选择方案。
1 试验装置和方法
试验采用德国Rofin-Sinar TR050 5kW CO2轴流激光器和Panasonic 脉冲MIG 焊机，旁轴复合，试验装置如图l所示。激光光束模式为TEM01,整个光路经四块平面反射镜后反射聚焦，焦距为286.5 mm ，光斑直径为0.6mm。MIG 焊机直流反接。保护气体直接从焊枪喷嘴流出，采用流量为20L/min 的He-Ar福合气体。试验材料为Q235 低碳钢，试件尺寸为120mm x 50mm x 4mm。焊丝直径为1.0mm。 （图片） 在正式试验前进行了CO2 激光束和MIG电弧空间位置参数的优化，试验采用如表l所示的热源位置参数。最大临界焊接速度的测定采用平板堆焊，其余采用平板对接焊，I型接头。焊接完成后，将试样沿横截面切开，经过标准的金相制备工序制成试样，并采用4%硝酸酒精溶液腐蚀焊缝，然后采用金相显微镜拍摄焊缝形貌。因为电弧电流能够更有效的反映电弧的各项特性，所以本文直接用电弧电流来表征电弧。其中，电弧电流对应的电压、功率和送丝速度如表2所示。（图片） 2 试验结果和讨论
2.1 能量参搬对最大焊接速度的影响
如图2 所示，最大焊接速度随着激光功率和电弧电流(功率)的增加而增加。激光功率为2.5、3.5和4.5kW时，对应直线的斜率分别为0.301、0.358和0.517，这表明在同样的电弧电流增量下，激光功率越大，最大焊速的提高幅度越大；对于固定的电流，最大焊速的提高幅度随着激光功率的增加而增加。换句话说，激光功率能够更大程度的提高最大焊速。
图3为典型的激光-电弧复合焊接焊缝形貌。根据激光焊接和常规电弧焊接的焊缝形貌恃征，可以将其分为两个区域:电弧区和激光区。显然，上半部分宽大的电弧区表明电弧热量主要作用在焊接熔池上半部分；而焊缝下半部分明显的激光深熔焊特征则说明复合焊接熔深的大小主要决定于激光小孔效应的强弱，这些现象在Rayes等人的研究中也得到了很好的验证。显然，在相同焊速下能够获得更大的焊接熔深意味着在焊接熔深固定的情况下能够获得更大的焊接速度。也就是说，对于固定的板厚(熔深) ，最大焊速决定于激光小孔效应。（图片） 众所周知，激光焊接时小孔的形成与光斑处的能量密度密切相关，能量密度越高，小孔效应越明显，即能够得到的最大焊速越大。在激光-电弧复合焊接中，一方面，电弧能够通过对工件的预热作用提高激光能量吸收；另一方面，通过激光和电弧的等离子体相互作用，电弧更稳定并受到压缩，从而电弧能量更加集中，同时，激光等离子因为被稀释而减少了激光因等离子体散射和折射而造成的能量损失，增加了激光能量的吸收。显然，这些相互作用越强，越有利于激光能量密度的提高，有利于激光小孔效应的增强。因此，最大焊速随着激光功率和电弧电流(功率)的增加而增加。
但是，电弧能量主要作用在熔池上部，而且能量分布过于发散，所以其预热作用只是在一定程度上有助于激光能量密度的提高和小孔效应的增强，从根本上讲，小孔效应的提高取决于激光能量密度的提高。这样，激光功率能够更大程度的提高最大焊接速度。
2.2 能量参数和焊接速度对焊缝成形的影响
图4为不同焊接参数的焊缝横截面形貌。如图4(a) 所示，在激光功率较低时，只能在低焊速下才能熔透焊缝，此时焊缝表面宽度和余高较大，焊缝和母材的过渡也很突兀，存在少量气孔；如果采用高速，将导致焊缝不能完全熔透，且在焊缝中布满气孔，见图4(b)。但是，随着激光功率和焊接速度的增加，如图4(c)、(d) 所示，焊缝和母材的过渡平滑，焊缝深宽比变大，焊缝宽度和余高明显减小，没有气孔存在。（图片） 通过上述分析可知:电弧热量主要集中在焊缝上部，焊接熔探和速度主要取决于激光小孔效应。当激光功率较低时，过高的焊速将导致能量密度降低，不利于激光小孔效应的增强。因此，只能通过降低焊速来提高能量密度以保证焊接接头的熔透。另一方面，焊速的降低意味着更多的电弧热量和添加金属将集中在焊接熔池上部，这部分热量主要通过热传导和熔池流体对流向四周和深处传输，这样形成如图4(a)所示的焊缝。在提高焊速后，激光能量密度降低，小孔效应降低甚至消失，这导致焊接热量完全集中在焊缝上部，不易向焊缝深处传递，从而形成标准的热传导焊焊缝，如图4(b) 所示。另外，激光能量的降低导致激光等离子体强度的降低，这将造成激光对电弧的稳定和压缩作用降低甚至消失，这样高速电弧焊接工艺中常见的不稳定现象开始出现，气体随着不稳定的熔滴过渡进入熔池并形成大量气孔。
随着激光功率的增加，激光小孔效应增强，同时也加强了对电弧的稳定和压缩;另一方面，焊速的增加使得电弧热输入和添加金属相对降低。这样，激光对焊缝下部熔化的增加和电弧能量和添加金属在焊缝上部的减少，形成图4(c)、(d)所示的焊缝形貌。
2.3 接头间隙对焊缝成形的影响
如图5所示，随着接头间隙的增加，焊缝余高逐步降低，在lmm 时工件表面平齐，而在1.2mm 时焊缝已经低于工件表面，出现咬边现象；另外，焊缝和母材的过渡也逐渐变的平滑，但是在间隙增大为l.2mm 时平滑度反而有所降低。这说明，对应既定的焊接参数，接头间隙只能在一定范围内才能获得良好的焊缝成形。
显然，接头间隙的增加需要更多的填充金属来填补，也就是说，间隙的增加将有助于焊缝余高的降低。但是当间隙增加到一定程度时，对于固定的送丝量(电流)，填充金属的数量不足以完全填补接头间隙，此时就会形成咬边。此外，接头间隙减少了熔池金属向下流动的阻力，有利于通过熔池金属的向下流动将焊接热量带入焊缝下部，形成焊缝和母材的平滑过渡。但是当接头间隙增大到一定程度时，因为激光小孔作用半径的局限，激光能量不能够有效的传递到接头上，反而造成焊缝和母材的平滑度降低。
2.4 焊接参数的优化与选择
在实际焊接中，焊缝成形和焊接质量密切相关，焊接速度则和焊接效率紧密相关，因此，总是期望高焊接速度和良好的焊缝成形来提高焊接效率、减少后处理工时和消除应力集中等安全隐患。通过上面的试验结果可知:在激光-电弧复合焊接中，电弧功率、电弧电流(送丝速度)、最大焊接速度之间存在密切的关系，同时它们和接头间隙对焊缝成形具有强烈的影响。这样可以通过这些关系和影响来根据实际需求来优化和选择工艺参数。
根据前面讨论可以知道，激光小孔效应是决定最大焊接速度和焊接熔深的决定因素，电弧的主要作用是预热工件来辅助激光能量密度的提高和填充焊缝金属。因此应该优先选择可靠的激光功率来保证全熔透焊缝的形成，随后通过图2 中的关系选择较低的电弧线能量来形成良好的焊缝成形，这里有两种选择方式:低焊接电流、中等焊接速度或者高焊接电流、高焊接速度，最后配以合适的接头间隙。否则将形成不良焊缝成形，如过高的焊缝余高、突兀的焊缝和母材过渡及气孔、咬边等缺陷，这些都将降低接头的力学性能。
接头间隙的选择公式可以通过以下关系来推导得到。在焊接过程中，需要填充的接头间隙体积和填充金属之间存在如下关系：（图片） 其中，AG为接头间隙横接面积；L为焊接长度均k为焊丝填充系数(实测结果为0.8~0.9)；r为焊丝半径;l为焊接L长度焊缝时消耗的焊丝长度。对于I型接头，存在以下关系：（图片） 其中，h 为板厚;δ为接头间隙;v为送丝速度;Vw为焊接速度。公式(1)、(2)、(3)式可得到接头间隙与焊接速度、送丝速度的对应关系，如下：（图片） 综上， 4mm低碳钢薄板的CO2 激光-MIG 电弧复合焊接工艺参数选择方案可以归纳为:①确定所需的激光功率，②通过图2选定所需的电流和焊接速度，③通过(4)式确定接头间隙范围。显然，只要确定了如图2所示的关系，这一选择方案同样适用于其他板厚和材料的激光-电弧复合焊接。
3 结论
(1) 激光-电弧复合焊接的最大焊接速度随着激光功率和电弧电流的增加而增加，其中激光功率能够更大程度的提高临界焊接速度。
(2) 在激光-电弧复合焊接中，电弧热量主要集中在焊缝上部，最大焊速或焊接熔深主要取决于激光小孔效应:单位长度上过大的电弧热输人和过低的激光热输人将导致焊缝余高过大、焊缝深宽比变小和突兀的焊缝-母材过夜;反之将得到深宽比大、余高适中和焊缝-母材平滑过渡的焊缝。
(3) 接头间隙只能在一定范围内获得良好的焊缝成形，过大和过小都将导致焊缝缺陷。
(4) 工艺参数的选择方案可以归纳为三步:①根据焊接熔深(板厚)确定所需的激光功率，②通过激光功率、电弧电流和最大焊接速度的关系图选定所需的电流和焊接速度，③通过接头间隙与焊接速度、送丝速度的关系式确定接头间隙范围。
3/4/2008
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