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。