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(diǎn)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(jìn)行的鋁合金復(fù)合焊接實(shí)驗(yàn)，對焊接過程中的基本物理現(xiàn)象進(jìn)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(shí)熔深大焊速快等特點(diǎn)成為激光激光加工領(lǐng)域和焊接領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。具體來說，激光-電弧復(fù)合焊接有以下特點(diǎn)：

(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(shí)適當(dāng)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(shí)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(shí)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(diǎn)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(shí)現(xiàn)的激光-電弧旁軸復(fù)合。這種方法的優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)。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(diǎn)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(shí)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(jìn)行了初步的實(shí)驗(yàn)研究。

首先由一個(gè)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(jìn)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(shí)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(jìn)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(gè)圓形分布同軸對稱復(fù)合熱源。

1.實(shí)驗(yàn)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(jī)，焊接時(shí)工件接負(fù)。復(fù)合焊矩是由一組光學(xué)變換器件和一個(gè)焊接電極導(dǎo)入機(jī)構(gòu)組成，其中光學(xué)變換頭可以實(shí)現(xiàn)將激光束分為雙光束，然后再經(jīng)兩個(gè)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(huì)聚成一個(gè)激光光斑與電弧復(fù)合的同軸熱源。

在本文的焊接實(shí)驗(yàn)中，主要研究激光的引入