一、激光焊原理

    激光焊采用激光作為焊接熱源，機(jī)器人作為運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。激光熱源的特殊優(yōu)勢(shì)在于，它有著超乎尋常的加熱能力，能把大量的能量集中在很小的作用點(diǎn)上，所以具有能量密度高、加熱集中、焊接速度快及焊接變形小等特點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)薄板的快速連接。

    當(dāng)激光光斑上的功率密度足夠大( >106 W/ cm2 )時(shí)，金屬在激光的照射下迅速加熱，其表面溫度在極短的時(shí)間內(nèi)升高至沸點(diǎn)，金屬發(fā)生氣化。金屬蒸氣以一定的速度離開金屬熔池的表面，產(chǎn)生一個(gè)附加應(yīng)力反作用于熔化的金屬，使其向下凹陷，在激光斑下產(chǎn)生一個(gè)小凹坑。隨著加熱過(guò)程的進(jìn)行，激光可以直接射入坑底，形成一個(gè)細(xì)長(zhǎng)的“小孔”。當(dāng)金屬蒸氣的反沖壓力與液態(tài)金屬的表面張力和重力平衡后，小孔不再繼續(xù)深入。光斑密度很大時(shí)，所產(chǎn)生的小孔將貫穿于整個(gè)板厚，形成深穿透焊縫。小孔隨著光束相對(duì)于工件而沿著焊接方向前進(jìn)。金屬在小孔前方熔化，繞過(guò)小孔流向后方，重新凝固形成的焊縫。

二、激光焊接方法的特點(diǎn)

    激光焊接方法具有如下特點(diǎn)：

    ( 1) 能量密度高、適合于高速焊接。

    ( 2) 焊接時(shí)間短、材料本身的熱變形及熱影響區(qū)小，尤其適合高熔點(diǎn)、高硬度加工。
    ( 3) 無(wú)電極、工具等的磨損消耗。
    ( 4) 對(duì)環(huán)境無(wú)污染。
    ( 5) 可通過(guò)光纖實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、普通方法難以達(dá)到的部位、多路同時(shí)或分時(shí)焊接。
    ( 6) 很容易改變激光輸出焦距及焊點(diǎn)位置。
    ( 7) 很容易搭載到機(jī)器人裝置上。

    激光復(fù)合焊接技術(shù)具有顯著的優(yōu)點(diǎn)。對(duì)于激光復(fù)合焊接，優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在： 無(wú)燒穿時(shí)焊縫背面下垂的現(xiàn)象，適用范圍更廣；對(duì)于激光- MIG 焊接，優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在： 較高的焊接速度、熔焊深度大、產(chǎn)生的焊接熱少、焊縫的強(qiáng)度高、焊縫寬度小及焊縫凸出小，從而使得整個(gè)系統(tǒng)的生產(chǎn)過(guò)程穩(wěn)定性好，設(shè)備可用性好及焊縫準(zhǔn)備工作量和焊接后焊縫處理工作量小，焊接生產(chǎn)工時(shí)短、費(fèi)用低、生產(chǎn)效率高。

三、激光- 電弧復(fù)合熱源焊接的主要形式

  1. 激光- TIG 復(fù)合焊接

    激光與TIG 復(fù)合焊接的特點(diǎn)是：

    ( 1) 利用電弧增強(qiáng)激光作用，可用小功率激光器代替大功率激光器焊接金屬材料。
    ( 2) 在焊接薄件時(shí)可高速焊接。
    ( 3) 可增加熔深，改善焊縫成形，獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭。
    ( 4) 可以緩和母材端面接口精度要求。

   例如，當(dāng)CO2 激光功率為0. 8kW，TIG 電弧的電流為90A ，焊接速度2m/ min 時(shí)，可相當(dāng)5kW 的CO2 激光焊機(jī)的焊接能力，5kW 的CO2 激光束與300A 的TIG 電弧復(fù)合，焊接速度0. 5 ～5m/ min 時(shí)，獲得的熔深是單獨(dú)使用5kW 的CO2 激光束焊接時(shí)的1. 3 ～1. 6 倍。

    2. 激光- 等離子弧復(fù)合焊接

    激光等離子復(fù)合焊接采用如圖3 所示的同軸方式。等離子弧由環(huán)狀電極產(chǎn)生，激光束從等離子弧的中間穿過(guò)，等離子弧主要有兩個(gè)功能： 一方面為激光焊接提供額外的能量，提高焊接速度，進(jìn)而提高整個(gè)焊接過(guò)程的效率；另一方面等離子弧環(huán)繞在激光周圍，可以產(chǎn)生熱處理的效果，延長(zhǎng)冷卻時(shí)間，也就減少了硬化和殘余應(yīng)力的敏感性，改善了焊縫的微觀組織性能。

3. 激光- MIG 復(fù)合焊接

    激光- MIG 復(fù)合焊的基本原理如圖4 所示。除了電弧向焊接區(qū)輸入能量外，激光也向焊縫金屬輸入熱量。激光復(fù)合焊技術(shù)并不是兩種焊接方法依次作用，而是兩種焊接方法同時(shí)作用于焊接區(qū)。激光和電弧在不同程度和形式上影響復(fù)合焊接的性能。在激光- MIG 復(fù)合焊接時(shí)，揮發(fā)不僅發(fā)生在工件的表面，同時(shí)也發(fā)生在填充焊絲上，使得更多的金屬揮發(fā)，從而使激光的能量傳輸更加容易。

    MIG 焊的特點(diǎn)在于電源成本低，焊縫橋聯(lián)性好，電弧穩(wěn)定性好，易于通過(guò)填充金屬改善焊縫結(jié)構(gòu)。而激光束焊的特點(diǎn)在于熔深大，焊接速度高，熱輸入低，焊縫窄，但焊接更厚的材料需要更大功率的焊接激光器。同時(shí)激光復(fù)合焊接的熔池比MIG 焊的要小，工件變形小，大大減少了焊后糾正焊接變形的工作。激光- MIG 復(fù)合焊接，會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)獨(dú)立的熔池，而后面的電弧輸入的熱量同時(shí)起到了焊后回火處理的作用，降低焊縫硬度( 尤其是焊鋼) 。由于激光復(fù)合焊接的焊接速度非常高，因此可以降低生產(chǎn)時(shí)間和生產(chǎn)成本。

4. 雙激光束焊接技術(shù)

    在激光焊接過(guò)程中，由于激光功率密度大，使得焊接母材被迅速加熱熔化、氣化，生成高溫金屬蒸氣。在高功率密度激光的繼續(xù)作用下，很容易生成等離子體云，不僅減小工件對(duì)激光的吸收，而且使焊接過(guò)程不穩(wěn)定。如果在較大的深熔小孔形成后，減小繼續(xù)照射的激光功率密度，而已經(jīng)形成的較大深熔小孔對(duì)激光的吸收較多，結(jié)果激光對(duì)金屬蒸氣的作用減小，等離子體云就能減小或消失。

    因而，用一束峰值功率較高的脈沖激光和一束連續(xù)激光，或者兩束脈沖寬度、重復(fù)頻率和峰值功率有較大差異的脈沖激光對(duì)工件進(jìn)行復(fù)合焊接，在焊接過(guò)程中,兩束激光共同照射工件，周期地形成較大深熔小孔，然后適時(shí)停止一束激光的照射，可使等離子體云很小或消失，改善工件對(duì)激光能量的吸收與利用，加大焊接熔深，提高焊接能力。

四、結(jié)語(yǔ)

    激光復(fù)合焊將兩種焊接方法結(jié)合起來(lái)，它采用了兩者各自的優(yōu)點(diǎn)，獲得了最佳的焊接效果，更高的焊接速度與良好的焊縫搭橋能力。它是目前最先進(jìn)的焊接方法之一，實(shí)現(xiàn)了高焊接速度與良好焊接質(zhì)量的完美結(jié)合。激光復(fù)合焊技術(shù)是汽車工業(yè)中一種全新的焊接技術(shù)，尤其是對(duì)于激光束焊無(wú)法實(shí)現(xiàn)或在經(jīng)濟(jì)上不可行的裝配間隙要求。它具有寬廣的應(yīng)用范圍和高效的特性,同時(shí)減少投資成本、縮短生產(chǎn)時(shí)間、節(jié)約生產(chǎn)成本和提高生產(chǎn)率，具有更強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。