经验| 激光-MIG/MAG电弧复合焊接，双效二合一

随着激光技术的迅速发展，激光器的成本降低，使得激光电弧复合焊接技术在航空航天、汽车、船舶、装备制造等现代工业中应用越来越广泛。

激光电弧复合焊接的种类很多，包括CO2/YAG激光与TIG电弧复合，CO2/YAG激光与MIG/MAG电弧复合, YAG 激光与等离子弧复合等，其中CO2/YAG激光与MIG/MAG电弧复合最复杂，应用也是最广。

我结合多年实践经验，跟大家聊聊激光-MIG/MAG电弧复合焊接的一些实际操作要点。

单独的激光焊接与MIG/MAG电弧焊接皆存在一定的局限性，将二者复合使用，可达成1+1＞2的效果。

激光与电弧复合的实质是激光光致等离子体和电弧的耦合，两者之间存在复杂的电、磁的相互作用。一方面，当激光光致等离子体和电弧在空间相遇后，形成一个带电粒子导电通道，激光光致等离子体中的带电粒子和金属蒸汽通过该通道进入电弧，导致激光光致等离子体的电子密度减小，降低对激光能量的吸收、反射和散射，提高对激光能量的利用；另一方面，激光光致等离子体为电弧提供了一个非常稳定的阴极斑点，能引导电弧偏向该点，同时，耦合的电弧的电离度和温度提高，有助于电弧稳定性的提高。

对于激光-MIG/MAG电弧复合焊接，由于涉及熔滴过渡，使得耦合更加复杂，要考虑耦合后对熔滴受力和过渡形式的影响，焊丝的末端熔化的液体金属在重力、表面张力、电磁力、等离子流力等各种力的作用下脱离焊丝进入熔池，形成熔滴过渡，如图1所示。

图1 激光-MIG/MAG电弧复合焊接的熔滴受力

为了使熔滴沿着焊丝轴向脱落，在平行于焊丝方向的促进熔滴过渡的合力大于阻碍熔滴过渡的合力，满足如下公式：

为金属熔滴的重力，为等离子流力，为电磁力，为表面张力，

为金属蒸汽对熔滴的反作用力，为电弧轴线与焊丝轴线的夹角，为焊丝轴线与重力方向的夹角。

耦合后将会引起熔滴受力的大小和方向发生变化，如果激光与电弧间距过大，使得形成电弧轴线与焊丝轴线的夹角 过大，将会导致沿着焊丝方向促进熔滴过渡的合力显著减小，使得熔滴过渡困难，导致不稳定的熔滴过渡形式，如果耦合好，将会促进熔滴过渡，使得射流过渡的临界电流降低。

因此，激光-MIG/MAG电弧复合焊接的优势主要包括：

（1）与单一激光焊接相比，激光电弧复合焊接具有更好的搭桥能力，能够适应较大的间隙；

（2）相对于电弧焊接，焊接速度显著提高，使得热输入较小，焊接变形小，保持了激光焊接的特点；

（3）与单一激光焊接比较，激光电弧复合焊的熔池凝固速度变慢，有利于消除气孔和裂纹缺陷，有利于改善热影响区组织和性能；

（4）由于电弧的作用，使得能够焊接高反射率、高导热系数材料；

（5）能够降低实现射流过渡的临界电流，实现小电流下稳定的焊接过程。

激光与电弧复合焊接的工艺参数众多，包括激光参数、电弧参数及激光与电弧耦合参数等，给焊接工艺的优化带来了一定的困难，但是如果抓住关键的工艺参数，那么就容易实现稳定的激光复合焊接过程。

保护气体主要有He、Ar及混合气体等，不同的保护气体的电离能不同，形成的等离子体大小不同。采用He作为保护气体，形成的等离子体小，有利于母材对激光能量的吸收，但是熔滴过渡复杂，易导致焊接飞溅，采用纯Ar做保护气体，形成的等离子体大，对激光的屏蔽作用大，同时也不适用于窄间隙坡口焊接，因而，一般选择He、Ar混合气体，既能实现稳定的焊接过程，又能提高能量利用率。

对于单道熔透焊接，为了充分利用激光能量密度高的优势，一般选择较大的激光功率，增加熔深，提高焊接效率；然而，对于厚板多层非熔透焊接，激光的作用主要是引导电弧深入坡口底部，实现窄间隙焊接，而不是增加熔深，如果激光功率较大，激光匙孔的深度较大，匙孔不稳定，匙孔闭合后形成的气泡来不及逸出，冷却凝固后形成气孔，因此，该种条件下，激光功率不宜过大。

例如，采用光纤激光-MIG电弧复合焊进行非熔透焊接，激光功率Lp分别为1.5 kW和3.5 kW，离焦量为-2 mm，焊接速度为1.2 m/min，送丝速度为6.6 m/min，焊缝X射线探伤影像如图2所示，可以看到，当激光功率较小时，没有发现气孔，焊缝内部质量好，当激光功率较大时，在X底片上可以看到沿着焊缝中心形成一串断续的气孔。

图2  光纤激光-MIG电弧复合焊焊缝X射线影像

激光与电弧间距是激光光致等离子体和电弧的耦合参数，如果激光与电弧间距过小，匙孔喷出的金属蒸汽形成的金属蒸汽反作用力将会阻碍熔滴过渡，造成较大的飞溅。然而，如果激光与电弧间距过大，由于激光光致等离子体和电弧的相互作用，电弧沿着焊丝轴向发生了弯曲，将会导致电磁力和等离子流力沿着焊丝轴向的分力减小，使得熔滴不断长大，当熔滴长大到一定程度时将会引起电弧和激光光致等离子体的分离以及导致短路，形成较大的飞溅，难以实现稳定的焊接过程，如图3所示。

图3 在较大激光与电弧间距下的电弧与等离子体的相互作用

图4为CO2激光与电弧间距较大时(DLA= 10 mm)，电弧和激光光致等离子体分离，电弧不稳定，使得熔滴过渡形式复杂，焊接过程不稳定，图5为CO2激光与电弧间距合适时(DLA= 4 mm)，形成了稳定的射流过渡。

图4 CO2激光-MIG电弧复合焊不稳定的熔滴过渡(DLA= 10 mm)

图5 CO2激光-MIG电弧复合焊稳定的熔滴过渡(DLA=4 mm)

因此，确定合适的激光与电弧间距非常重要，一般而言，激光功率和电弧功率较小时，形成的激光光致等离子体和电弧也较小，因此，选择较小的激光与电弧间距，随着激光功率和电弧功率的增加，最佳的激光与电弧间距也随着增加。

激光-MIG电弧复合焊是一种新型的焊接方法，具备激光焊接和电弧焊接的优点，焊接效率高、焊接质量好，尽管工艺参数众多，但是工艺参数调节范围宽，只要调节好关键工艺参数，容易实现稳定的焊接过程，激光-MIG电弧复合焊技术将会日益广泛应用于工业领域。