提要：激光-電弧復(fù)合焊接因其焊接效率高、間隙適應(yīng)性好、焊縫成分和性能可控等優(yōu)點正在成為工業(yè)生產(chǎn)中最重要的激光焊方法。與目前常用的旁軸激光-電弧復(fù)合焊相比，激光-電弧同軸復(fù)合可以在工件表面提供對稱熱源，焊接質(zhì)量不受焊接方向影響而適于三維焊接。本論文介紹了作者研制的CO2激光與脈沖MIG同軸復(fù)合焊系統(tǒng)，以及用該系統(tǒng)進行的鋁合金復(fù)合焊接實驗，對焊接過程中的基本物理現(xiàn)象進行了觀察和分析，測定了焊縫的熔深、熔寬和焊縫斷面、結(jié)果顯示，同軸復(fù)合焊可以提高電弧穩(wěn)定性、提高熔化效率和改善焊縫成形。 關(guān)鍵詞：CO2激光，MIG，同軸復(fù)合焊，鋁合金 近年來，激光-電弧復(fù)合焊接因其間隙敏感性低、焊接適應(yīng)性好，同時熔深大焊速快等特點成為激光激光加工領(lǐng)域和焊接領(lǐng)域的研究熱點之一。具體來說，激光-電弧復(fù)合焊接有以下特點： (1)可降低工件裝配要求，間隙適應(yīng)性好。 (2)復(fù)合焊接利用電弧的復(fù)合作用，在保證大熔深的同時適當增加熔池寬度，降低凝固速度，有利于減小氣孔傾向。 (3)可以實現(xiàn)在較低激光功率下獲得更大的熔深和焊接速度，有利于降低成本。 (4)電弧對等離子體有稀釋作用，可減小對激光的屏蔽效應(yīng)，同時激光對電弧有引導(dǎo)和聚焦作用，使焊接過程穩(wěn)定性提高。 (5)利用電弧焊的填絲可改善焊縫成分和性能。對焊接特種材料或異種材料有重要意義。 這些優(yōu)點使得激光-電弧復(fù)合焊極可能成為解決鋁合金激光焊的最佳方法。激光-電弧復(fù)合焊包括CO2激光與TIG(或GTAW)、MIG(或GMAW)和等離子弧的復(fù)合，其中激光-MIG復(fù)合的應(yīng)用前景更為廣闊。激光與電弧的復(fù)合方法有兩種，一種是目前研究較多，相對容易實現(xiàn)的激光-電弧旁軸復(fù)合。這種方法的優(yōu)點是研制簡單，但存在(1)熱源為非對稱性，難以用于曲線或三維焊接，和(2)電弧與激光聚焦光斑的相互位置對焊接過程穩(wěn)定性影響大的缺點。另外一種就是激光-電弧的同軸復(fù)合。其中方法1是在鎢極中心加工一小孔，讓激光束從鎢極中心通過。這種方法的缺點是需要在鎢極加工中心孔，大大增加了鎢極的損耗，降低了電弧熱效率，而且無法用于激光與MIG的復(fù)合焊接。 本文研制出一種新的CO2激光-MIG同軸復(fù)合焊接技術(shù)。通過改變激光光束的功率密度分布，使電極處于功率密度為零的光束中心，這樣就可以在不影響光束能量傳播的條件下實現(xiàn)激光與電弧的同軸復(fù)合$這種復(fù)合方法適于CO2和YAG激光與TIG、MIG的任何一種組合，具有普遍性。本文利用激光-MIG同軸復(fù)合焊炬對鋁合金材料進行了初步的實驗研究。 首先由一個分光鏡將入射激光分為兩束對稱分布的光束。而MIG焊電極由雙光束中間送入。由于雙光束是非封閉的，電極的引入可以完全避開光束傳輸路徑。然后采用聚焦系統(tǒng)將雙光束從電極兩側(cè)對稱地聚焦在焊絲送進方向前端的同一位置，這樣就可以在焊絲不影響光束傳輸?shù)那闆r下實現(xiàn)激光與電弧的同軸。需要說明的是，雖然分光后每束光束本身與電弧具有一定夾角（該夾角在允許焊槍送進的前提下盡可能小），但由于雙光束的對稱軸與電弧軸線重合，經(jīng)聚焦后的光束分布在工件表面附近的激光的能量分布已經(jīng)與單束光一致且與電弧同軸。而一般旁軸復(fù)合焊的電弧是傾斜作用在工件表面，為工件提供的是非對稱熱源，而本文提出的同軸復(fù)合焊在工件表面提供一個圓形分布同軸對稱復(fù)合熱源。 1. 實驗方法 光束發(fā)散角為0.25mrad。激光束經(jīng)光路系統(tǒng)傳輸?shù)綇?fù)合焊矩，并最終聚焦在工件表面。焊接系統(tǒng)采用自適應(yīng)脈沖CO2焊機，焊接時工件接負。復(fù)合焊矩是由一組光學(xué)變換器件和一個焊接電極導(dǎo)入機構(gòu)組成，其中光學(xué)變換頭可以實現(xiàn)將激光束分為雙光束，然后再經(jīng)兩個聚焦鏡將雙光束聚焦在同一位置，而焊絲（電極）則從雙光束中間送入，并處于光束中心，最終可以在工件表面會聚成一個激光光斑與電弧復(fù)合的同軸熱源。 在本文的焊接實驗中，主要研究激光的引入對鋁合金焊接質(zhì)量的影響，同時為防止出現(xiàn)類似鋁合金激光深熔焊時極易產(chǎn)生的小孔型氣孔，在實驗中將激光雙光束的會聚點設(shè)置在離焦位置，即不形成小孔效應(yīng)(當然，從將來復(fù)合焊的實際應(yīng)用出發(fā)，應(yīng)當形成小孔效應(yīng)以獲得最大熔深)。另外，在實驗中進行了激光在電弧前方和電弧在激光前方的復(fù)合焊接實驗。脈沖MIG焊的規(guī)范：焊接電25V，焊接電流150A，送絲速度5.5m/min，焊絲直徑1.2mm激光功率1000W，1400W和1800W，焊接速度0.3m/min。焊后對焊縫成形進行觀察和測量。 實驗中使用的材料是純鋁板，厚度為5mm焊前用化學(xué)方法清洗，焊后對焊縫斷面進行測量。 2 實驗結(jié)果和分析 在單純激光焊接條件下，由于鋁的反射率很高，很難形成焊縫。在脈沖MIG焊接規(guī)范固定(焊接電流150A，焊接電壓25V，送絲速度為5.5m/min)而改變激光功率的條件下獲得照片可以看出，在相同的MIG焊接規(guī)范下，隨者復(fù)合激光功率的增加，焊縫成形質(zhì)量明顯提高。 在單獨MIG焊時，熔深較淺，焊縫鋪展效果最差。激光功率1000W時，雖然熔深沒有明顯變化，但焊縫鋪展效果已大大好轉(zhuǎn)。當激光功率增加到1400W時，已經(jīng)形成良好的焊縫表面形狀，且熔深增加。繼續(xù)增加激光功率至1800W，熔深明顯增加。 可以看出，隨激光功率增加，熔深和焊縫寬度均增加，而堆高則略有下降。這是因為隨激光功率增加，總體熱輸入增加，因此熔深和焊縫寬度均增加。而送絲速度不變，因此堆高減少。 可見，激光與電弧的前后關(guān)系對焊縫成形的影響并不一致，其影響機理還需進一步深入研究。 以上結(jié)果表明，即使在較低的激光功率密度作用下，與單純激光或MIG焊相比，激光-電弧復(fù)合焊也可以明顯提高熔深，并改善焊縫成形質(zhì)量。 結(jié)論 研制了CO2激光-MIG同軸復(fù)合焊接系統(tǒng)，并對鋁合金激光-MIG復(fù)合焊接進行了實驗研究。與單純激光或MIG焊相比，激光-電弧復(fù)合焊可以明顯提高熔深，改善焊縫成形質(zhì)量。 本文受清華大學(xué)機械工程系青年科學(xué)研究基金資助。