1.激光-MIG/MAG电弧旁轴复合焊

由于激光-MIG/MAG电弧复合存在着送丝和熔滴过渡等问题，大多数焊接设备都是采用旁轴复合方式进行焊接，其复合焊装置如图7-24所示。

在此方法中为了保证焊接过程稳定，关键是复合焊枪。德国库格勒公司生产的复合焊枪如图7-25所示。该焊枪采用反射式、直接水冷的方式，易于更换光学元件，焊接激光功率可超过40kW。为了避免近距离内电弧焊枪和激光束发生干涉，焊枪和激光束之间需保持足够的距离，并且有一定的倾斜角。通常，电弧轴线和激光束之间最小的理想角度在15°～30°之间。

图7-24 激光-MIG旁轴复合焊装置

图7-25 德国库格勒公司生产的复合焊枪

这种不同轴混合安装方式使空气容易进入焊接区域。为了解决这一问题，设计了一种被称为“一体化复合焊接喷嘴”的焊枪。该焊枪将激光束和MIG/MAG焊枪安装在同一冷却喷嘴上。保证了焊枪和激光束的距离，保护气通道与激光束同轴。通道内设置有扩散孔，使保护气在焊接区内均匀分布。这种“一体化复合焊接喷嘴”，避免了空气进入，有效地保护了焊接区域。又因供激光束通过的缝隙较小，在保护气体正压力作用下，激光束上方的空气不会进入焊接区。“一体化复合焊接喷嘴”已用于激光-MIG/MAG复合焊，如图7-26所示。

奥地利Fronius公司生产的激光-MIG复合焊枪如图7-27所示。该焊枪几何尺寸小，焊接时可以确保焊接的可达性；此外该焊枪具有良好的可拆卸性，便于安装到机器人上，焦距和焊枪有可调功能，调整精度为0.1mm。提高了效率，降低了成本。另外，该激光复合系统还具有较好的间隙容忍性、高的焊接速度以及非常好的技术性能。

为了解决飞溅污染问题，Fronius公司在防护玻璃前安装了“Crossiet”系统，可将飞溅转向90°，避免了飞溅物接触防护玻璃，保持了焊头的清洁。复合焊头带双循环水冷却系统，该系统的焊接电流为250A，激光器的功率为4kW。这种焊枪可实现四种焊接方法：激光-MIG/MAG复合焊、激光焊（不填丝）、MIG/MAG焊、激光热丝钎焊。

图7-26 一体化复合焊接喷嘴

图7-27 Fronius公司激光-MIG复合焊枪

2.激光-MIG/MAG电弧同轴复合焊

为了实现自动化和便于操作，近年来开发了一种激光-MIG焊接系统，如图7-28所示。该系统将激光束与MIG焊电弧电极同轴合并在一个焊枪中，降低了激光焊对焊件装配和焊缝跟踪精度的要求，可以焊接的坡口间隙达到0.8mm，同时由于电弧减缓了激光束照射部分的急剧冷却，可以防止焊接铝及铝合金时产生结晶裂纹及气孔等缺陷。该系统已成功地实现坡口焊接和铝及铝合金的焊接。

图7-28 激光-MIG焊接系统

与旁轴热源相比，激光复合MIG同轴热源，更大程度地降低了激光的被削弱程度；还克服了旁轴热源加热作用非对称性、作用点分离以及设备体积过大、要求高等缺点。

3.激光-MIG复合焊的焊接参数

激光小孔效应是决定最大焊接速度和焊接熔深的主要因素。电弧的主要作用是预热焊件来辅助激光能量密度的提高和填充焊缝金属。因此，应优先选择可靠的激光功率来保证全熔透焊缝的形成，随后选择较低的电弧热输入来形成良好的焊缝成形，这里有两种选择方式：低焊接电流、中等焊接速度或者高焊接电流、高焊接速度，并配以合适的接头间隙，否则将形成不良的焊缝成形，如过高的焊缝余高及气孔、咬边等缺陷，这些都将降低接头的力学性能。

由于激光-MIG/MAG复合焊时，影响焊接过程的因素较多，焊接工艺相对比较复杂。焊接参数选择不当将导致其焊缝成形不规则、凹陷、烧穿等不良的焊缝成形。焊缝成形的好坏影响焊缝质量，只有焊缝成形好才具有优良的接头力学性能。因此，根据焊接要求来制订或选择焊接参数，以便更有效地控制焊缝成形极其重要。

选择焊接参数时可根据焊接熔深（板厚）确定所需的激光功率，通过激光功率、电弧电流和焊接速度的相互关系，选定所需的电流和焊接速度，通过接头间隙与焊接速度、送丝速度的关系确定接头间隙范围。

激光-MIG/MAG复合焊的焊接参数有激光器类型、焊接方向、激光离焦量、激光—电弧之间距离、激光与电弧能量的匹配、焊接电源的极性、保护气体成分以及MIG/MAG焊焊枪的倾角等。

（1）激光器类型的选择 在激光-MIG/MAG电弧复合焊中，以激光作为主热源，电弧为辅助热源，通过热源匹配，获得良好的焊接效果。CO₂激光器是最早用在复合焊中的激光器，其优点是功率大（可达50kW）。但CO₂激光器必须用光学系统传输，自动化程度较低，传输的安全性也较差。由于高功率CO₂激光的光致等离子体对激光能量屏蔽大，需要特殊的气体保护。Nd-YAG激光波长短，可以实现光纤传输（且距离长达70m），容易实现机器人焊接，焊接中等离子体屏蔽效应较弱，还可以实现几个工作站同时共享一个激光源，从而节省开机时间和成本。但是，Nd∶YAG激光相对价格高、功率低，最大功率为6kW（已有10kW的用于试验）。由于YAG激光器具有能够进行光纤传输、光致等离子体屏蔽作用小等特点，倾向于选用YAG激光器与电弧复合焊接。近年来，光纤激光器以其光束质量好、电光转换效率高、维护费用低、抽运寿命高及可光纤传输等显著优势，受到广泛的关注，得到了飞速的发展。单模光纤激光器在波长1070nm输出的激光功率可从几瓦到1000W，但通过光纤激光集聚，可以输出满足工业加工的大功率激光，实际使用的最高功率可达30kW。采用7kW的光纤激光与MIG/MAG电弧复合，进行工业纯钛和TC4钛合金不同厚度板、管不同接头的焊接。光纤激光可以以相当高的焊接速度焊透板厚10mm的钛合金，同时获得高质量的焊接接头，而且坡口间隙可以加大，并可实现高效率焊接。

（2）激光-MIG/MAG复合焊焊接参数的选择

1）焊接方向。根据激光与电弧的相对位置，焊接方向有两种：一是激光在电弧前面，称为激光引导电弧焊；另一种是电弧在激光前面，称为电弧引导激光焊。

其他焊接参数相同时，激光引导电弧焊比电弧引导激光焊形成的焊缝熔深和熔宽大，余高小。激光引导电弧焊要比电弧引导激光焊增加10%的焊缝熔深，并且焊缝成形比较美观。这是因为激光引导电弧焊时，激光作用在熔池前沿，有利于形成较大的熔深，同时，激光能量对焊件起到预热作用，提高了焊接熔池的流动性，使得液态熔池更容易向四周铺展，因此获得的熔宽比较宽。电弧引导激光焊时，激光作用在熔池后部，激光能量的传输容易受到熔滴过渡和熔池液态金属向后流动的影响，因此激光能量对熔深的影响就小。

但是，在CO₂激光-MIG/MAG复合焊时，电弧引导激光焊与激光引导电弧焊焊接时，焊缝熔深几乎没有变化。此外，激光-MAG短路过渡电弧复合焊时，电弧引导激光焊时焊缝熔深较深，而焊缝熔宽较窄。在激光-MIG复合焊焊接高反射率铝合金时，电弧引导激光焊与激光引导电弧焊相比，熔宽和熔深都有所增加，而前者更容易形成深熔小孔焊。

2）激光与电弧间距。激光与电弧间距一般以激光光斑中心到未起弧时焊丝延长线与焊件交点的距离表示。间距的大小决定了激光与电弧是否共同形成熔池，因此，激光与电弧间距是复合焊中一个重要的焊接参数。(www.daowen.com)

在激光-MIG/MAG电弧复合焊中，激光与电弧间距的选择应使得激光与电弧之间能产生有效的相互作用，使得激光作用于熔池的最低点。这意味着激光与电弧间距应在一定的范围内。当间距在2mm左右时激光与电弧之间的相互作用非常剧烈，电弧增强激光热源，使其扩大小孔的尺寸，从而使热量能够到达更深的区域，增大熔深。但当电弧正指向激光作用点时（即间距为0mm），因为电弧扰乱了小孔的平衡，而且电弧等离子体能够吸收和散射激光的能量，更多的激光能量用于焊丝金属的熔化，而用于穿孔的能量相对减少，所以，反而使熔深减少，熔宽增加。如果间距太大，当间距大于2mm时，两种焊接热源相互独立，不能相互作用，即电弧与激光是相互分离的，电弧对激光的影响非常小，仅仅相当于单独激光焊与MIG焊的叠加。

一般认为，获得最大焊缝熔深的激光与电弧间距为1～3mm。

3）离焦量。在复合焊中，由于MIG焊形成的熔池对激光的影响，激光焦点位置与单一激光焊的焦点位置可能不同。在复合焊中，激光焦点位置的变化对电弧的稳定性、焊缝的熔宽影响不大，但对熔深有较大的影响，存在一个获得最大熔深的最佳位置。一般来说负离焦量时焊件内部功率密度大于表面处，焦点处的高能量密度完全用于熔化母材，因此可以获得更大的熔深，另外负离焦量时，焊件与喷嘴端部较近，保护气体因流动路径的缩短而层流挺度增加，有利于进一步消除等离子体。为了增加熔深，焊接过程中一般都采用负离焦，但是，由于不同的激光器光束质量不一样，焊接过程中对离焦量的要求也不一样。

最佳离焦量的选取要视具体的工艺过程来定，与MIG焊的熔滴过渡形式有很大的关系。短路过渡时熔池液面高于焊件表面，粗滴过渡和喷射过渡时熔池液面下凹，低于焊件表面，所以，对于不同的熔滴过渡形式，复合时所选取的最佳离焦量是不同的。激光束焦点置于熔池最深处，电弧力将熔化金属排开，以获得最大熔深。

4）激光与电弧能量的匹配。激光与电弧能量的匹配对复合焊缝形貌的影响很重要，根据两个热源的能量之比，激光-MIG复合焊可以近似为MIG焊或激光焊。图7-29为典型的激光-MIG电弧复合焊的焊缝形貌。根据激光焊和常规MIG焊的焊缝形貌特征，可以将其分为两个区域：电弧区和激光区。显然，上半部分宽大的电弧区表明电弧热量主要作用在焊接熔池上半部分，而焊缝下半部分呈明显的激光深熔焊特征。

复合焊熔深的大小主要决定于激光小孔效应的强弱，小孔效应的提高取决于激光能量密度的提高。因而，激光功率主要影响焊缝熔深，电弧功率主要影响熔宽，当激光功率不变，将MIG/MAG电弧功率增加时，焊缝熔宽增加；当电弧功率不变，激光功率减小时，焊缝熔深减小。可见激光功率的变化对焊缝熔深影响较大。

一般认为随着电弧焊功率增大，输入焊接区域的能量随之增大，增大的能量使熔池中金属汽化速度加快。所以，单独增大电弧焊功率，等离子区离子密度增大，等离子效应增强。因此，当单独增大电弧焊功率时，输入焊接区的总能量增大，焊缝的熔深基本不变，但焊缝的宽度随之增大，使焊接桥接能力增强。相反当单独增加激光器功率时，焊缝的熔深增加，宽度减小。

图7-29 典型的激光-MIG电弧复合焊的焊缝形貌

5）保护气体。复合焊中，混合保护气体中的各气体成分产生的作用是不同的，选择合适的保护气体既能减少等离子体，又能增强电弧稳定性。为了减少等离子效应，可以采用具有较高电离能的氦气作为保护气体。然而，电离能相对低的氩气有利于提高电弧稳定性，因此，在选用保护气体时要综合考虑以上因素。CO₂激光在焊接区会产生高温高密度激光等离子体，吸收、反射和散射激光的能量，因此，必须减少这种等离子体。采用CO₂激光和MIG复合焊时，采用He50%～80%（体积分数，下同）与Ar、CO₂和O₂混合为理想的保护气体。因为保护气体He容易在焊缝形成咬边缺陷，而添加CO₂、O₂可以改善焊缝成形，提高焊缝质量。

在Nd∶YAG激光和MIG复合焊中，等离子体吸收激光能量不是一个主要的问题，因此，保护气体的选择由保护程度和电弧稳定性的需要来决定。采用Ar气保护或在Ar气中添加O₂1%～5%或CO₂20%也有利于熔滴过渡及减小飞溅。

6）激光与焊枪的夹角。在激光与MIG复合焊中，激光束的入射方向大都选择为垂直焊件，因为这种方式能获得最佳熔深。也有采用激光束非垂直入射的，采用激光倾斜一定角度可以防止反射回来的光损伤光镜，其次激光倾斜一定的角度可以减少等离子体对激光能量的吸收，从而可以提高激光能量的利用率，因为焊接过程中形成的等离子体一般上浮于熔池表面，激光垂直入射等离子体对激光的吸收散射将比较大，减弱激光的利用率；倾斜一定角度，激光穿透等离子层的深度就会减少。但是激光的倾斜角度又不能过大，过大的角度将会使激光直接作用在焊缝的熔融金属上，熔深反而会减少。

旁轴复合形式中为确保激光束能与电弧同时较好地作用于同一熔池，激光倾斜10°时，复合焊焊缝熔深达到最大。

焊枪与光束夹角通常选择在15°～50°之间。

7）接头间隙。不同接头间隙下的焊缝形貌如图7-30所示，随着接头间隙的增加，焊缝余高逐步降低，在间隙为1mm时焊件表面平齐，而在间隙为1.2mm时焊缝已经低于焊件表面，出现咬边现象。另外，焊缝和母材的过渡也逐渐变得平滑，但是在间隙增大为1.2mm时平滑度反而有所降低。这说明对应既定的焊接参数，接头间隙只能在一定范围内才能获得良好的焊缝成形。显然接头间隙的增加需要更多的填充金属来填补，也就是说，间隙的增加将有助于焊缝余高的降低，但是当间隙增加到一定程度时，对于固定的送丝量（电流），填充金属的数量不足以完全填满接头间隙，此时就会形成咬边。此外，接头间隙减少了熔池金属向下流动的阻力，有利于通过熔池金属的向下流动将焊接热量输入到焊缝下部，形成焊缝和母材的平滑过渡。但是当接头间隙增大到一定程度时，受激光光斑作用半径的局限，激光能量不能有效地传递到接头上，反而造成焊缝和母材的平滑度降低。

图7-30 不同接头间隙下的焊缝形貌

8）焊接速度。提高焊接速度，虽然能够稳定激光小孔，但热输入下降，焊缝熔深会有减少。而且焊接速度过大，熔滴过渡不稳定，容易引起熔池的不稳定。降低焊接速度可加大熔深，但若焊接速度过低，熔深却不会增加，反而使熔宽增大，而且将会使焊接过程不稳定，容易造成飞溅。因为复合焊维持小孔存在的主要动力是金属蒸气的反作用力。在焊接速度低到一定程度后，热输入增加，熔化金属越来越多，当金属蒸气所产生的反作用力不足以维持小孔的存在时，小孔不仅不再加深，甚至崩溃，因而熔深不会增大。所以，对一定激光功率和一定厚度的某特定材料都有一个合适的焊接速度范围，并在其中选定某一速度值时可获得最大熔深。

最大焊接速度随着激光功率和电弧电流（功率）的增加而增加。当电流一定，最大焊接速度的提高幅度随着激光功率的增加而增加。换句话说，激光功率能够更大程度地提高最大焊接速度。

在激光功率较低时，只能在低焊接速度下才能熔透焊缝，此时焊缝表面宽度和余高较大，焊缝和母材的过渡也很突兀，存在少量气孔；如果焊接速度过高，将导致焊缝不能完全熔透，且在焊缝中布满气孔。但是，随着激光功率和焊接速度的增加，焊缝和母材的过渡平滑，焊缝深宽比增大，焊缝宽度和余高明显减小，没有气孔存在。

9）送丝速度（焊接电流）。电弧有直流电弧以及直流脉冲电弧，电弧的形式对复合焊的熔深、熔宽有很大的影响，在相同的工艺条件下焊缝的熔深、熔宽以及焊接过程中的稳定性都有很大的不同。

因为送丝速度直接对应于焊接电流，随着送丝速度的增加，焊接电流增加，电弧吸收散射激光的能力也随之增加，对激光的屏蔽作用增强，激光不能穿透电弧反而使熔深减少。当送丝速度比较小时，激光起主要作用，形成的焊缝比较窄，有点类似于单独激光焊的焊缝。只有在焊接电流合适时，激光与电弧之间的相互作用才会比较明显，熔深才能达到最大，焊接过程才能最稳定。

电弧焊电源选择直流焊机和交流焊机所得到的焊缝熔深有较大的差别。在其他焊接参数相同的情况下，直流脉冲电弧焊的熔深大于交流脉冲电弧焊的熔深。脉冲电弧比直流电弧的熔深要大。

4.激光-MAG复合焊过程的实时监测

在激光-电弧复合焊过程中产生焊接缺陷是不可避免的，为了在焊接过程中能及时发现缺陷的产生，工业应用中最感兴趣的技术之一就是焊接缺陷的实时监测技术。

焊接过程实时监控系统如图7-31所示。通常采用传感器来检测激光-电弧复合焊过程中的焊接缺陷。采用温度和等离子体传感器能够监测到电弧参数（电流、电压和保护气体流动速率）的变化，这些变化将导致焊丝填充过多、严重飞溅和不正确焊趾，还可以监测到激光束与焊件相对位置的变化，以及激光束焦点位置变化所导致的咬边和未焊透缺陷。等离子体传感器可检测由于保护气体不足造成的气孔。监控评估系统可以自动监测焊接过程，在实际应用中，当任何一个传感器检测到一个信号超出特定（用户设定）误差值的情况下可以报警。在具体生产时，安全工作容错度主要由设定好的生产流程和具体对焊接质量的要求程度来决定。当一个收到的信号超过了预置的限定值，系统将报警显示失败信号。通过这种方式，所有焊件的信息反馈都可以记录下来作为质量评价，这样任何可能存在缺陷的焊件就可以被隔离检查，由于存在缺陷的焊件可以在最初阶段就被识别出来，因而能迅速地采取补救措施。需要注意的是，由于监测器对一些缺陷的响应是相似的，因此需要操作员对缺陷可能的情况具有一定的认识才能对反馈的信息进行分析。

图7-31 焊接过程实时监控系统