激光复合焊在造船中的应用激光束焊接以其焊速快、变形小和易实现自动化等优点而广泛应用于结构钢焊接中。

电弧激光混合气体保护焊的主要优点是：在焊接较宽根部间隙时，弥合根部间隙能力大大增强，焊接速度大大提高。

激光焊和电弧焊长期以来都用于工业生产，在材料连接成形技术领域应用广泛。

根据能量传输的物理过程和所获得的能量流不同，这两种工艺各有各的应用领域。

激光焊是通过一个光导纤维电缆或反射镜，将能量以高能红外相干辐射的方式从激光源传输到加工工件。

电弧焊是通过弧柱，使热量以高能电流的方式传递到工件。

激光辐射得到的焊接热影响区非常窄且热影响区的深宽比（深焊效应）很大。

由于激光焊工艺的聚焦直径很小，致使它的间隙弥合能力较低，但从另一个方面来说，激光焊可以达到很高的焊接速度。

电弧焊工艺能量密度较低，但它能在工件表面形成较大的焦点，焊接速度较低。

将这两种工艺相结合，取长补短，发挥各自优势，不仅能获得较好的质量优势和生产效益，而且降低了成本。

这种复合焊接工艺在造船业中受到青睐。

另外不能忽视的原因是，该工艺焊缝容许的公差大、焊接速度较高，且能够达到良好的机械性能指标。

自20世纪70年代以来，人们就已经知道了如何将激光焊与电弧焊合并成一个混合焊接工艺，但是此后很长一段时间都没有开展进一步的研究工作。

目前，研究者已将注意力转移到该课题，并试图在激光焊和电弧焊的复合焊工艺中将两者的优势结合起来。

然而，在早期激光光源设备还未被证明适合于工业应用；如今，在很多制造企业，激光光源设备已成为标准设备了。

我们将激光焊与其他焊接工艺结合称之为“复合”焊接工艺。

这意味着激光束和电弧同时作用于一个焊接区，相互影响，相互支持。

研究目的之一在于弄清楚该复合工艺特性对焊接性能有多大提高。

运用CO2激光/电弧（GMAW熔化极气体保护焊）复合焊工艺的一个典型领域是造船业。

本文主要展示和讨论复合焊在造船领域的应用前景。

1 激光束焊接工艺的注意事项激光束焊不仅需要较高的激光功率，而且需要高品质的光束，才能获得理想的“深焊效应”。

有效光束可根据所需的聚焦直径大小进行调节。

每单位长度的能量E非常低，所以焊接变形小，也无需太大的焊后矫正。

当采用激光焊接大型工件时，如同采用先进的自动弧焊一样，离线编程、焊缝跟踪以及自适应焊接控制都是必须的。

焊缝最大根部间隙约为0.1-0.2mm时，焊接可以不添加焊丝。

但在焊接更大的间隙时则需要添加材料。

因此，在造船中运用添加焊丝的方式通常可将接头弥合能力提高到0.4mm。

对于工业应用来说，12kW的CO2激光器就能满足要求，激光通过反射镜组传输给工件。

激光束通过一个300mm焦距的聚焦模块投射到工件上。

这项研究采用的是一个4kW的YAG激光器和一个7kW的光纤激光器。

2 激光复合焊工艺焊接金属工件时，激光焊聚焦强度需在106W/cm2以上。

当激光束射到材料表面时，它将斑点加热到汽化温度，金属汽化逸出并在焊缝金属上形成一个汽坑。

焊缝根部间隙最显著的特征是较高的深宽比。

自由烧损电弧的能流密度稍微大于104W/cm2。

图1显示了激光复合焊的工作原理，尤其是复合焊时金属的移动状态。

图示中的激光束在接头上部将热传送到母材，电弧热也是如此。

不同的是，复合焊可以看作是两种工艺结合并同时作用于同一焊接区域。

根据电弧工艺或激光工艺的种类和工艺参数的不同，这两种工艺将以不同程度和不同形式相互影响。

图1 激光/GMAW焊示意图图2 激光电弧复合焊示意图由于激光焊工艺与电弧焊工艺的结合，焊缝熔深也相对加深，且焊接速度也相对加快（相对于单独运用其中每一种工艺而言）。

从汽坑逸出的金属蒸汽反作用于电弧的等离子区。

在加工等离子区对激光辐射的吸收仍然可以忽略不计。

根据两种电源输入比例的不同，整体工艺特性可以通过激光或电弧来确定其大小程度。

工件表面温度对激光辐射吸收的影响很大。

当达到汽化温度后，汽坑形成，几乎所有方向上的能量都被输入弧坑。

因此，汽坑形成所需能量由吸收的总能量和传导至工件其余部分的能量损失量确定。

在激光/GMAW焊接中，汽化不仅发生于工件表面，也发生于焊丝上，这就意味着有更多的金属蒸汽可用，反过来又推动了激光辐射的输入。

这种汽化避免了工艺过程的中途熄火现象发生。

造船工业中运用复合焊的先决条件是它必须有足够的间隙弥合能力。

这就是为什么此研究旨在探求最大根部间隙弥合能力的原因。

当根部间隙变化时，就需要调节不同的焊接工艺参数。

坡口根部间隙较大时，还需要调节激光功率。

而且，焊接速度或添加焊丝速度也需调整至实际的坡口大小，坡口大小根据坡口张角和根部间隙的大小不同而不同。

3 激光复合焊同其它焊接工艺的实验研究和比较3.1 激光复合焊同CO2激光焊的比较由于CO2激光器具有较高的效率（其效率达到20%）、操作相对简单以及可测量等优点，使它成为材料加工中最重要的激光器。

CO2激光器还具有输出功率高的特点，商业应用中能提供约50kW的能量。

采用Trumpt激光技术的CO2(12kW)和Fronius TPS500数字电源，MeyerWerft是供了如下实验结果。

实验室工作面积是4.5×13m采用一个夹紧装置，它能够焊接几何尺寸为2000mm×300mm。

所采用的材料是A级造船用钢，此钢板带底漆。

实验对象为对接焊缝和角焊缝，采用1G和2F位置，无底衬。

首先，研究了15mm厚的对接焊缝，分别采用埋弧焊、激光复合焊和加焊丝的激光焊三种工艺施焊，并比较各自焊接结果（如图3所示）。

埋弧焊工艺焊接时容许间隙弥合能力为2-5mm，材料厚度可达1 2mm。

采用激光复合焊工艺，焊接15mm厚的材料时间隙弥合能力为1mm，但焊接速度是埋弧焊工艺焊接速度的3倍，比带焊丝的激光焊工艺的焊接速度快2倍。

采用加焊丝的激光焊工艺，间隙弥合能力可以达0. 4mm，所焊材料厚度达15mm。

图3 激光复合焊与其它工艺的比较分别对5mm、8mm、12mm、15mm四种不同厚度材料进行实验，估算其最大根部间隙时的最大焊接速度。

另外，也对氦气和氩气等保护气体对激光/电弧焊工艺的影响进行了研究。

大功率CO2激光器焊接时，保护气体中氦气的百分率需占主要优势。

在造船业，德国Papenburg的Meyer造船厂就将激光/GMAW复合焊工艺用于龙门架制造（见图4）。

因此，在预加工过程中，甲板制造也可通过造船厂自主发展的复合焊接技术方法实现完全自动焊接。

因为这种焊接方法质量较好，它能无需翻转钢板就制造20m×20m剖面。

在预加工区域，共有两个对接焊接工位，焊接15mm厚钢板时焊接速度可达3.0m/min。

而且，设计了两个角焊缝位置，船舱和船壁的加强板长度20 m，厚度12mm。

图4 焊接系统和MeyerWerft上的角焊缝宏观断面焊接前，接头先用打磨机磨平，以保证工件较高的精度。

3.2 激光复合焊同光纤激光焊的比较材料加工市场上以IFGPhotonic的10kW高功率激光器占主要份额，IPGPhotonic的总部和工厂分别位于牛津和麻省，另外两个制造工厂在欧洲。

公司技术核心是拥有独特的活性光导纤维和专利抽空技术，这种技术采用了多模二极管，使得二极管使用寿命大大提高。

设备由发射波长为1.07-1.08μm的镱涂多层纤维线圈制成，也可以用发射波长为1.2-1.8μm的铥涂层或者发射波长为1.54-1.56μm的铒涂层来替代镱涂层。

二极管能量通过与多层线圈接合的多模纤维传送到激活媒质。

由此，在活性纤维上直接产生一个激光空穴。

通过一个单模IPG纤维结束激光发射，这个单模纤维通常内径为6μm。

最终激光束衍射受到抑制，当配置数字瞄准仪时，可以产生非常平行的光束。

举例来说：100W单模纤维激光器，当校准至5mm直径的半角时，具有0.13弧度发射全角。

目前，工业用单模IPG纤维激光模块的最大功率为200W。

高功率可通过多个激光模块获得，采用一个专用的光束合并器将激光器发射的光束聚集在一起，就形成一束高品质光束。

比如说：一个1kW激光器可以由10个独立纤维激光器整合在一个通用合并器中形成。

虽然光束不是单模的，7-10m2的光束也比高功率固态激光器产生的光束好。

7kW纤维激光器的光束可以通过一个300μm断维传送，它可以输出不同的光束剖面，包括近似矩形形状的光束。

图5 长线型对接焊缝追踪示意图镱纤维激光器的效率为16%-20%。

虽然铒纤维激光器和铥纤维激光器的插座效率较底，但仍然比普通的YAG激光器效率高。

这些激光器产生的激光波长适合于不同的应用场合。

由于工业上对新型激光器（它需要同时具有Nd：YAG激光器的性能，且视力保护比CO2激光器更好）的需求，促进了激光器不断发展。

公司的单模连续波系统能产生50000Hz的脉冲（脉冲时间约1亿分之一秒）。

目前，短至亿分之一秒脉冲时间的脉冲、100ns时间内脉冲能量达1毫焦的脉冲以及能量达300W-10kW的多模连续波脉冲等3种超强脉冲都已经可用。

纤维激光技术对工业应用有几大优势。

一个4kW纤维激光器的占地面积仅为0.5m2，而普通的二极管Nd：YAG激光器占地面积则为11m2，而且，前者也无需冷却器。

由于无需更换闪灯或二极管，在整个使用周期内激光器不需要维护。

较高的效率大大降低了操作成本，更好的光束品质也使用户能获得比常用激光器足够小的光斑直径，且质量更高。

工作距离更长（1kW可聚焦至4英寸焦距50μm大小）。

1kW的输出功率纤维激光器的成本，低于或等于二极管YAG激光器的成本。

目前，大于1kW输出功率的纤维激光器的成本要高些。

然而，考虑其他因素——占地面积、冷却器、维护等成本，纤维激光器要比同等功率类型的Nd：YAG激光器的总成本更低。

在过去6个月，贝塔公司的欧洲工厂研制出了多种千瓦级的纤维激光器。

这些激光器在多工位基底上操作无瑕疵，显示出自身的可靠性并提供只有采用更大激光器才能获得性能数据。

一个2kW贝塔激光器可以以5m/min的速度搭焊1.2mm厚镀锌汽车用钢材，其焊接质量和焊缝性能可与4kW的二极管泵——棒型Nd：YAG激光器相媲美。

一个2kW纤维激光器发射最终光纤直径300μm可切割4mm厚度镀层钢铁，速度为1 0m/min，边缘干净，最大切割速度可达到10m/min。

Fronius焊接公司的研究开发部将7kW纤维激光器和电弧焊结合在一起的复合激光焊接工艺进行了实验，结果表明该工艺可焊接厚度8mm的非合金钢板和高合金钢板。

3.3 激光复合焊同4kW二极管固体激光焊的比较由于Nd：YAG激光器的输出功率大干4kW，且系统操作简单，因此对它的具体应用进行了研究。

研究显示，CO2激光器或Nd：YAG（钕）已经应用在实践和研究中了。

不足之处是等离子的保护问题，由于光波波长为1.06μm光束通过一个镜面非弹性系统引导，使得采用CO2激光器实践中的动态应用成为可能。