早期出现的激光-电弧复合焊技术实际上是一种联合焊接技术，激光与电弧之问在焊接方向上存在一定的问距，在焊接过程中，电弧与激光之问没有相互影响，分别作用于被焊工件。目前受到国内外研究者广泛关注的激光与电弧复合热源焊接主要是指耦合焊接方式，电弧与激光束同时作用在工件的同一区域，两者之问相互作用、影响，因而相对于前者这种复合方式下激光与电弧的作用机理更为复杂^［31］。

激光-电弧复合焊不是单热源的简单叠加，而是通过激光与电弧这两种物理性质、能量传输机制截然不同的热源相互作用、相互加强形成一种复合、高效的热源^［34］。其原理如图12-37所示。气体或固体激光（如CO2、Nd³⁺、YAG、Diode）和常规电弧（如MIG/MAG、TIG等）复合，共同作用于工件同一区域。当激光辐射在金属材料表面时，激光的一部分能量将在一个很薄的表层内被吸收并转换成热，使表面温度升高。当激光功率密度大于材料蒸发所需的临界功率密度时，凝固态物质蒸发^［32］。这样，在薄的加热层中所含的能量少，几乎激光所有供给的能量都用于使物质蒸发，然后使气体加热并加速，同时，蒸气的反冲作用在材料表面产生一定的反冲压力，使熔融金属表面下陷并形成小孔。形成小孔的力学条件是材料蒸发产生的压力必须达到一定的临界值，以克服表面张力、静压力和液体的流动阻力。材料的蒸发给激光作用空问提供了高温、高密度、低电离能的蒸发原子。这种高温金属蒸气因为热电离产生大量的自由电子。另一方面，材料表面的热发射也将提供大量电子。

图12-37 激光-电弧复合热源焊接原理图

这两种机制的共同作用可在材料表面上方产生一个较高的电子密度，在该环境下自由电子将通过电子-中性粒子吸收激光能量，使金属蒸气的温度升高，导致进一步的热电离。更多电子产生使金属蒸气对激光的吸收进一步加强，从而使温度急剧升高，金属蒸气在极短时问内被击穿而形成金属蒸气等离子体。等离子体对入射激光的吸收、折射以及散射作用会降低激光能量利用率^［32］。

1.电弧对激光的作用^［30］(www.daowen.com)

首先，在激光-电弧复合焊时，由于激光作用在焊接熔池中，这样可以大幅提高金属对激光的吸收，降低对激光的反射作用。复合焊接的焊接熔深比单一激光焊时提高了大约15％～20％，同时焊缝的表面成形也比单激光焊接时要好。

其次，激光-电弧复合焊大幅降低激光焊对装配精度的要求，提高了生产效率，并扩大了激光焊在工业上的应用范围。例如石油管道的厚度约10～15mm，问隙约为1mm，在石油管道的焊接中，若采用传统的电弧焊需要进行多道焊接，焊接效率很低；若采用激光焊，则由于焊接熔池搭桥能力太差，对焊接装配精度要求高，无法施焊；而采用激光-电弧复合焊不但可以焊接，而且提高焊接效率，增大熔深。

最后，电弧能够稀释激光焊接等离子体，降低等离子体对激光的屏蔽作用。外加电弧后，由于电弧等离子体密度较低，通常比激光致等离子体小几个数量级，相对低密度的电弧等离子体的掺入，使激光致等离子体被稀释，等离子体对入射激光的阻碍减小，从而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，激光作用产生的金属蒸气进入电弧区，由于金属蒸气电离能较低，更容易为电弧提供自由电子，同时激光致等离子体掺入电弧等离子体中，提高了电弧等离子体的密度，电弧中的自由电子密度再进一步相应提高，于是电弧通道的电阻降低，电弧的能量利用率提高，从而使总的能量利用率提高，熔深将进一步增加^［32］。

2.激光对电弧的作用

当焊接电弧电流较小或者焊接速度很高时，电弧就会处于不稳定状态，所以小电流焊接或者高速焊接过程不是很稳定。在激光-电弧复合焊中激光的加入起到了稳定电弧的作用，电弧激光吸引和压缩，增加了电弧的能量密度，使电弧更加稳定。