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原文为日本大阪大学S.Katayama先生撰写，鬼斧翻译。 2.1 简介 激光电弧复合焊被认为是最有前景的连接工艺。它可以利用激光和电弧两个特性，来补偿激光焊接和电弧焊的缺点。 激光焊接具有高质量、高精度、高性能、高速度、良好的柔韧性和低变形的优点。另外，它还因易于与机器人、人力、全自动化的系统、生产线等相融合，而受到广泛赞誉。激光焊接的应用，正在逐年增加。激光器及激光焊接的缺点，是激光装置的成本高昂，难以焊接高反射或高导热金属，接头间隙公差要求很小，以及在深熔焊的熔合区中易形成气孔等焊接缺陷。 电弧焊最广泛地用于材料连接。电弧焊设备便宜，且易于操作，且焊接过程非常稳定、有效。但在大多数情况下，电弧焊焊珠渗透浅，焊接速度慢，在高速焊接时，易于形成隆起的焊珠等。 另一方面，使用CO2、YAG、半导体、盘片或光纤激光器和TIG、MIG、MAG、等离子或其他电弧热源等进行复合焊接，已经受到相当大的关注。它可以实现许多优点，例如更深的熔透、更高的焊接速度、更宽的接头间隙公差、更好的焊道表面外观、减少的焊接缺陷、更少的气孔率以及其它的对各个过程缺点的补充。 在本章中，要了解激光电弧复合焊的基本原理，并在更好地了解其现象，电弧等离子体特性，激光诱导等离子体行为，激光束之间的相互作用的基础上，正确利用复合焊工艺。将描述和详细描述其引起的激光等离子体和电弧等离子体，液滴转移，熔体流动，键孔行为和熔池中的气泡产生，导致在熔合区中形成孔隙。 2.2 激光束与电弧的交互性与等离子特性 在激光电弧复合焊中，理解其物理现象是非常重要的。焊接时，所有的固体、液体、蒸汽和等离子体的所有状态都存在于狭小的空间中。 激光-TIG复合焊 激光-MIG复合焊 在本章中，根据热源布置不同，我们有不同的称呼。如，当YAG激光光学头在前，我们称之为YAG激光-TIG电弧复合焊，而当TIG焊枪在前，我们称之为TIG电弧-YAG激光复合焊。通常，在高功率密度的激光束的熔池中,会形成的匙孔，也会在空间上形成有具有光吸收的等离子体、蒸汽、超细颗粒或烟雾和飞溅物。在各自的焊接过程中，TIG电弧等离子体、MIG电弧等离子体以及来自MIG焊丝的液滴也会存在于熔池上方。 对TIG焊、YAG焊和复合焊，进行光谱测量分析。发现在TIG焊和YAG焊时，分别发现了中性氩（Ar）原子和Ar等离子体以及中性金属原子的辐射。在混合焊接中，在匙孔入口上方，占主导地位的中性金属原子的发射则比在激光焊接中更亮。在复合焊中，具有较短波长的光发射增加。这意味着混合焊接中的光温度高于激光焊接。等离子体发射强度随着电弧电流的增加而增加。 通过高速视频观测和电弧的电流或电压测量，以确定电弧等离子体和激光诱导等离子体的行为以及其与激光束的相互作用。在复合焊期间，发现电弧电压增加，且该增加的量与YAG激光功率成正比。朝向入射激光束的等离子体会影响电弧柱，使之变得更亮和更长，导致复合焊中的电弧电压增加。在混合O2激光和脉冲MAG复合焊的情况下，电弧在低电压下接近激光诱导等离子体，但在高压下会覆盖焊丝正下方的熔池。当激光束和热源靠近时，激光诱导等离子体则充当电极或焊丝与基板之间电弧的电流路径。电弧和激光等离子体之间的相互作用通常取决于激光和保护气体的类型、电弧电流、电极和基板的间距、激光斑点和电极靶点的间距、电极的倾斜度。 在激光焊接期间，形成蒸发的金属元素构成的蒸汽和等离子体（发光的），而在用氩气（Ar）作保护气的CO2激光焊接中，也形成气体等离子体。激光焊接的情况和现象主要取决于激光的类型或波长、保护气和焊接条件。特别是激光焊接和使用高功率CO2激光的复合焊的情况下，建议使用氦（He）保护气体或具有高氦（He）含量的混合气体，而不使用氩（Ar）保护气。因为氩（Ar）等离子体会吸收入射激光能量，并使激光束发散。 在波长小于1.1μm的激光，能量的吸收（或衰减）由瑞利散射引起的。此外，先导光纤激光的折射角平均0.6mrad，最大约为2.5 mrad。由此，如果在波长约1μm的YAG、盘片或者光纤激光的情况下，激光等离子体通常被抑制在很小的尺寸，激光能量的衰减以及激光束对激光诱导等离子体或超细颗粒的折射都很小。 在YAG激光焊接和TIG-YAG激光复合焊接过程中，可以同时观测到反射的激光束与激光诱导等离子体的行为。在激光焊接和复合焊接过程中，反射光束的亮度和形状几乎相同。因此得出结论，在具有约1μm波长激光的复合焊接中，激光等离子体和电弧等离子体对入射激光束的屏蔽效应很小。激光束与氩（Ar）气等离子体或激光诱导等离子体之间的相互作用很小，主要是因为相互作用区域与板表面之间间距很短。也就是说，这种局部高温场可以使折射的影响最小化。 2.3 动态行为 在复合焊接期间，通过带有或者不带有给定波长滤波器的高速摄像机可以观察电弧和激光诱导等离子体的行为。在TIG-YAG激光复合焊（TIG焊枪作引导）期间，电弧有时集中在TIG电极附近的匙孔入口周围，除了激光诱导等离子体外，还会发生明亮的蒸汽。通常，电弧几乎不进入匙孔以到达底部。 针对低压和高压下YAG激光-MAG复合焊或MAG-YAG激光复合焊焊接钢，进行实验。发现：在低电压下，容易发生短路转移，在激光-MAG复合焊时会起严重的溅射；在高电压下，MAG-YAG激光复合焊时，焊丝在表面上方熔化，并且观察到从焊丝到熔池的平滑液滴转移，导致形成良好的深焊缝。 通常，在纯氩气（Ar）或氦气（He）中，钢和不锈钢的MIG焊接是不稳定的。因此，焊接时会在保护气体中添加少量氧气，例如氩气（Ar）中含2-5％的O2或氩气（Ar）中含20％CO2，形成混合气体。也就形成所谓的MAG焊。而对于钢或不锈钢的脉冲MIG-YAG激光复合焊或YAG激光-脉冲MIG复合焊，可以在纯Ar保护气体中也可以产生稳定的焊接。 在激光-TIG复合焊中，由于形成了足以容纳匙孔扩展的较宽熔池，因此抑制了在匙孔周围产生的伴随激光等离子体的飞溅。而在激光- MIG、，MAG或CO2电弧复合焊中，在电线短路液滴过渡的正常条件下，也容易产生飞溅。此外，在具有焊丝向前倾斜的激光-MAG复合焊时，液滴易于在熔融熔池前面的固体部分上飞溅，导致形成飞溅。因此，为了抑制混合激光-MIG、，MAG或CO2电弧复合焊过程中的飞溅，推荐采用脉冲电弧，将焊丝上的液滴过渡到熔池上或熔池前面。 2.4 溶液动态特性与熔池稳定性 在激光焊和复合焊过程中，通过高速视频和X射线透射观察，以确定熔池中的匙孔稳定性和熔池流动性。 为理解TIG-YAG复合焊接过程中熔池表面附近的流动性，用高速摄像机观察到ZrO2颗粒的运动。对在TIG电弧电流为100和200A的复合焊接期间，观察到的304不锈钢表面熔池流动特点。在100A时，ZrO2颗粒首先接近匙孔入口，但由于从入口喷射的激光诱导等离子体引起的流剪切应力，很快从锁孔入口流出。然而，颗粒可能由于表面张力驱动的流动和电磁对流而再次接近入口。在200A时，熔池的表面由于高的电弧压力而变得凹陷，并且ZrO2颗粒接近钥匙孔入口但由于除了等离子喷射之外的强电弧等离子体流而很快流到后熔池。在高强钢的MAG-CO2激光复合焊期间，也观察到这种熔体流动。 通过X射线实时传输系统，观察在复合混合焊接中的熔池比激光焊接中的熔池更长更宽。熔体流动在100和200A之间不同，导致不同的混合焊缝几何形状。 观测YAG激光或光纤激光和MIG复合焊接或CO2激光和MAG电弧复合焊接时，熔池内的熔化变化。高的电弧电流引起熔池的强烈流动，从而产生更宽的熔池。由于电弧电磁对流的影响，在复合焊时填充焊丝的混合比在激光焊更彻底。 研究CO2激光 - MAG和MAG-CO2激光复合焊焊接厚的高强钢板时的熔池流动性。在这些之间观察到不同的熔池流动。例如，在CO2激光-MAG复合焊接中，沿着匙孔壁的流动是主要的，但在MAG-CO2激光复合焊中，熔池表面上的向后流动是强烈的。考虑电弧等离子体流和表面张力引起的熔体流动性，证实了合金元素的分布因热源布置而不同。 研究YAG-MIG和MIG-YAG复合焊焊接A5052铝合金。在MIG-YAG复合焊接中实现了完全熔透或更高速度的完全熔透焊接。在YAG-MIG复合焊接中观察到更好的焊珠表面外观。因此，从更好的表面外观和更深的焊透性的观点来看，推荐混合YAG-MIG和MIG-YAG焊接用于生产铝合金焊接接头。 气孔的形成与抑制机制 对比研究304不锈钢，电弧电流对焊缝熔深、气孔形成趋势、匙孔行为及气泡的产生。在在空气中，采用100A和200A的复合焊时，随着电弧电流的增加，匙孔入口的直径变得略大。在YAG激光焊接中，可能由于来自前壁的强烈蒸发和/或深锁孔的坍塌，而从匙孔的底部产生气泡。气泡被固化前沿捕获，导致孔隙和孔隙的形成。 在100A时，匙孔略大且更深，因为表面张力驱动的流动和电磁流叠加在匙孔壁附近的熔体的向下流动上，此后熔池从匙孔尖端，沿着熔池底部流到后部。这些熔池流动会加深熔池底部，导致更深的焊缝。通常从较大的匙孔产生大气泡，以形成较大尺寸的孔。 在200A时，由于较高的电弧压力，熔池的表面凹入凹陷，匙孔入口直径大得多，并且由于电弧等离子体流导致的其他快速熔体流动导致熔池变宽，导致宽的焊缝。另外，减少了气泡的产生，导致孔隙率降低。对于304不锈钢钢的TIG-YAG激光复合焊，在200A时，气孔率降低归因于气泡的减少，熔池表面气泡消失。气泡形成趋势取决于电弧电流。在当前条件下，高电弧电流可以使匙孔更浅并且更稳定。 铝合金的激光-MIG复合焊接，已应用于汽车生产线。随着MIG电流的增加，焊珠变得越来越大。采用YAG激光-MIG复合焊和MIG-YAG激光复合焊，氩气（Ar）作为保护气，激光功率为3 kW，对A5052铝合金进行焊接，分别测试不同的激光斑点与电弧靶点间距。MIG-YAG激光复合焊，通常看起来比YAG激光-MIG复合焊更深和更大。YAG激光-MIG复合的焊缝表面外观总是优于MIG-YAG激光复合焊焊缝。在激光功率为3 kW，且高MIG电流（240 A）时，A5052混合焊珠的孔隙率降低。 在120 A处，产生大量气泡并被凝固前沿捕获，导致孔隙形成。另一方面，在240A处，可能产生一些气泡。但是，所有气泡都从熔池的凹面消失，导致无孔隙。因此，气泡消失的机理在浅焊缝中是有效的。在深熔透的MIG-YAG激光复合焊中，可以确定倾斜的激光束有利于降低孔隙率。 对于不锈钢焊接，TIG和MIG的高电弧电流诱导下的凹形熔池表面，抑制了气泡的形成，正如铝合金焊接中的气泡消失。 |
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