提要：激光-電弧復合焊接因其焊接效率高、間隙適應性好、焊縫成分和性能可控等優點正在成為工業生產中最重要的激光焊方法。與目前常用的旁軸激光-電弧復合焊相比，激光-電弧同軸復合可以在工件表面提供對稱熱源，焊接質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同軸復合焊系統，以及用該系統進行的鋁合金復合焊接實驗，對焊接過程中的基本物理現象進行了觀察和分析，測定了焊縫的熔深、熔寬和焊縫斷面、結果顯示，同軸復合焊可以提高電弧穩定性、提高熔化效率和改善焊縫成形。 關鍵詞：CO2激光，MIG，同軸復合焊，鋁合金 近年來，激光-電弧復合焊接因其間隙敏感性低、焊接適應性好，同時熔深大焊速快等特點成為激光激光加工領域和焊接領域的研究熱點之一。具體來說，激光-電弧復合焊接有以下特點： (1)可降低工件裝配要求，間隙適應性好。 (2)復合焊接利用電弧的復合作用，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，同時激光對電弧有引導和聚焦作用，使焊接過程穩定性提高。 (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。 這些優點使得激光-電弧復合焊極可能成為解決鋁合金激光焊的最佳方法。激光-電弧復合焊包括CO2激光與TIG(或GTAW)、MIG(或GMAW)和等離子弧的復合，其中激光-MIG復合的應用前景更為廣闊。激光與電弧的復合方法有兩種，一種是目前研究較多，相對容易實現的激光-電弧旁軸復合。這種方法的優點是研制簡單，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定性影響大的缺點。另外一種就是激光-電弧的同軸復合。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的復合焊接。 本文研制出一種新的CO2激光-MIG同軸復合焊接技術。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激光與電弧的同軸復合$這種復合方法適于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。然后采用聚焦系統將雙光束從電極兩側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的情況下實現激光與電弧的同軸。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與單束光一致且與電弧同軸。而一般旁軸復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合焊在工件表面提供一個圓形分布同軸對稱復合熱源。 1. 實驗方法 光束發散角為0.25mrad。激光束經光路系統傳輸到復合焊矩，并最終聚焦在工件表面。焊接系統采用自適應脈沖CO2焊機，焊接時工件接負。復合焊矩是由一組光學變換器件和一個焊接電極導入機構組成，其中光學變換頭可以實現將激光束分為雙光束，然后再經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量的影響，同時為防止出現類似鋁合金激光深熔焊時極易產生的小孔型氣孔，在實驗中將激光雙光束的會聚點設置在離焦位置，即不形成小孔效應(當然，從將來復合焊的實際應用出發，應當形成小孔效應以獲得最大熔深)。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合焊接實驗。脈沖MIG焊的規范：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焊前用化學方法清洗，焊后對焊縫斷面進行測量。 2 實驗結果和分析 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焊接規范下，隨者復合激光功率的增加，焊縫成形質量明顯提高。 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。當激光功率增加到1400W時，已經形成良好的焊縫表面形狀，且熔深增加。繼續增加激光功率至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-電弧復合焊也可以明顯提高熔深，并改善焊縫成形質量。 結論 研制了CO2激光-MIG同軸復合焊接系統，并對鋁合金激光-MIG復合焊接進行了實驗研究。與單純激光或MIG焊相比，激光-電弧復合焊可以明顯提高熔深，改善焊縫成形質量。 本文受清華大學機械工程系青年科學研究基金資助。