1.2 激光复合焊接的现状

20世纪70年代，英国W.M.Steen[6]等研究人员最先将激光复合热源焊接技术投入使用。从最近几年的研究状况来看，激光复合焊接技术的发展呈现出不可阻挡的态势，已成为研究的热门方向之一。随着研究的深入进行，有学者发现这种焊接方式不仅仅结合了两种不同焊接方式的优点，例如：激光焊的熔深大、焊接效率高；电弧焊的稳定性高等特点，又产生了新的附加效应。常用于激光复合焊接的激光发生器种类如下：Nd：YAG（钕：钇铝石榴石）激光、CO2激光、光纤激光；电弧焊种类有：TIG电弧、MIG/MAG电弧以及等离子电弧[7]。

具体来说，与单一焊接模式相比，激光电弧复合焊接拥有如下优势[8,9,10]：

(1)二者之间的相互作用使得复合焊接比单一热源焊接的熔深、熔宽更大，焊接速度更快；

(2)保持高效的前提下，获得优质接头；

(3)激光的引入可以有效抑制电弧可能出现的不稳定跳跃，提高焊接稳定性；

(4)相对于激光焊，复合焊接接头间隙的匹配精度以及冷却速率降低，有助于避免气孔、咬边、未熔合等缺陷；

激光复合热源焊接过程是一个很多物理化学反应相交错的过程，比如材料吸收热输入的效率，材料以何种方式、何种形态去吸收能量，等离子体与热源之间的相互作用，激光的“小孔效应”，熔池内传热过程等。充分了解这些过程的本质对深入理解复合焊接热过程可以起到探发幽微的作用。

1.2.1 激光与电弧的物理特征

在激光焊或电弧焊过程中，电弧直径或激光束的光斑直径会显著影响热源能量密度分布。激光束在焦点获得的最小半径一般与激光器类型、激光束特征波长、激光器聚焦系统等因素有关。复合焊的熔深主要由复合热源整体的热输入来决定[6,8]。电弧热输入受焊接速度和热源功率等一系列因素的影响。而激光能量密度的高低则主要受激光器种类的限制和制约。不同种类激光束的能量比较图如图1.1所示。

从图中可以看出，光纤激光器产生的激光波长与Nd:YAG激光波长相同时，在相同的大功率条件下，光束平行度高，能量良好。这说明光纤激光器拥有较高的能量密度，适用性强，应用前景广。

相较于常规电弧，激光束除了能量更高外，焦点半径也更小，一般数量级为毫米。用于焊接领域的激光，其光斑半径只有0.1mm甚至更小，是电弧半径的十分之一左右。因此，激光能量密度极高。另外，激光束在焊件表面的能量分布还可以通过改变其离焦量进行调节。1.2.2激光与电弧能量吸收率

激光被吸收的过程存在诸多条件的干扰和限制。由图1.2可知，钢对其能量的吸收效率与波长λ之间呈反比关系。同时，又可以发现其对CO2激光的能量吸收率远低于其他两种形式。当金属温度上升或表面粗糙度增加时，其对激光的能量吸收率也进而增大[8]。

一般认为金属主要通过菲涅尔效应(FresnelAbsorption)对施加于材料的激光进行吸收。在热导焊方式中，忽略其他因素的干扰，激光作用于工件表面，一部分能量被工件吸收，而剩余能量则被反射而损耗。在深熔焊方式中，激光因被多次利用，能量转换率有大幅度提高。就低碳钢而言，当焊接方式变为深熔焊后，其能量吸收率可由近30%提升至90%以上。

1.2.3激光与电弧的作用

如图1.3所示，在复合焊接过程中，激光与电弧之间的作用与影响十分剧烈，体现在：一是压缩电弧，提高其能量密度。二是对工件进行预热，以达到降低工件装配精度和提高对激光的吸收的目的[13]。激光加热焊件表面，可以使加热区域的局部金属迅速熔化并蒸发，从而在入射点四周产生大量等离子体。等离子体富集区域的带电粒子密度迅速上升，使其导电性能相对高于其它区域。如果电弧中心距离该域足够近，电弧在焊件表面的作用区域就会向入射点偏移，并提高焊接稳定性。电弧因吸收部分能量，等离子气氛中的中性粒子得到电离，弧柱直径得到更大程度上的压缩[13,14,15]。