赵熹华
1.引言
具备高速、低变形、精密、柔性化特征的激光焊接技术被认为是21世纪最有发展潜力的焊接方法，但是激光器功率等级、装配条件（间隙、错边、不等厚度等）、过程控制（焦点波动、光束对中等）、材料反射率（铝、镁、铜等）等诸多因素限制了激光焊接的实际工程实用范围，尤其在国防工业中的推广应用遇到极大困难。为拓宽激光焊接技术的应用领域，激光与其它方法的复合焊接技术成为各先进国家研究的重点，希望借助其它方法的焊接特点来弥补激光焊接的不足之处，充分发挥激光焊接的优越性，除此之外，借助复合热源的高能量效应，有望焊接两种单热源难以完成的接头形式，获得单热源不可能达到的高效焊接效果。
2．激光－电弧复合热源焊接
从目前国内外有关激光与其它方法的复合焊接技术研究情况来看，激光－电弧复合热源焊接技术是研究最为广泛、也最接近工程应用的一种。激光－电弧复合热源焊接过程中,激光在熔池中形成的匙孔吸引、压缩电弧，使得电弧的电流密度大大提高，提高焊缝熔深,并增强焊接过程的稳定性，由于电弧的介入，激光焊接对焊缝间隙的适应性大大提高。能量效应的大大增强，可以在获得同样焊接效果的条件下降低激光功率，也就意味着减少了激光设备的投资，降低生产成本。
激光－电弧复合热源焊接，一般是采用CO2和Nd:YAG激光。根据电弧种类的不同，激光与电弧的复合方法一般有LB－TIG、LB－MIG、LB－PA复合，LB－DA复合等。根据激光与电弧相对位置不同，一般又有旁轴复合与同轴复合之分。
2．1LB-TIG复合热源焊接
LB－TIG复合热源在高速焊接条件下，可以得到稳定的电弧，焊缝成形美观，减少了气孔、咬边等焊接缺陷的产生。尤其是低电流、高焊速和长电弧时，LB－TIG复合热源的焊接速度可达到激光焊接的两倍，这是常规TIG焊难以做到的。因此LB－TIG电弧复合热源主要用于薄板高速焊接，也可以用于不等厚材料的焊接。TIG焊的非熔化极特性使其更有利于与激光实现同轴复合焊接，日本Tishide与M.Nayama研制了一种电弧从两束激光中间穿过的YAGLB－TIG同轴复合的枪头，复合焊接时形成的锁孔直径是单独YAG焊接的1.5倍，非常有利于气体的溢出，对减少焊缝中的气孔非常有帮助。日本学者海野富男采用激光从电弧中间穿过的方式来实现TIG与激光的同轴复合，8根钨极在一定直径的圆环上呈45°均匀分布。钨极分别由独立的电源来供电，焊接过程中，根据焊枪移动的方向，控制其相应方向上的两对电极工作，形成前后方向热源。同轴复合解决了旁轴复合的方向性问题，非常适合于三维结构件的焊接。铝合金由于其反射率大、导热性好，激光焊接时需要功率等级高、易产生气孔、裂纹。采用复合热源焊接可有效解决这些问题，铝合金液态熔池的反射率低于固态金属，由于电弧的作用，激光束能够直接辐射到液态熔池表面，增大吸收率，提高熔深。采用直流反接（DCEP）可在激光焊之前清理氧化膜。此外，电弧形成的较大熔池在激光束前方运动，增大熔池与固态金属之间的湿润性，防止形成咬边。因而,激光－电弧复合热源焊接铝合金也成为复合热源焊接技术的一大研究热点。日本T.SHIDA与M.Hirokawa应用激光与TIG弧相复合解决了上述问题，10KWCO2激光与交流TIG复合焊接A5083铝合金，焊缝中没有气孔和缩孔出现，咬边现象也明显减小。
2．2LB-MIG复合热源焊接
LB－MIG复合热源焊接利用了填丝的优点，在提高焊接熔深、增加适应性的同时，还可以改善焊缝冶金性能和微观组织结构。MIG弧的方向性要比TIG弧方向性强，所以电弧与激光位置之间的关系尤为重要。激光作用于电弧，不仅改变电弧的形态，也改变熔滴的过渡方式。与LB－TIG相比，其焊接板厚更大、焊接适应性更高。通过调节电弧与激光的不同作用位置，可有效提高对间隙的容忍度，减少焊缝边缘的处理工作量。它的高适应性带来的优点在于，不仅对间隙、错边、对中偏离的敏感性降低,还可以减少焊接装夹、定位、焊后处理等许多工作。LB－MIG复合由于存在送丝，所以绝大多数是采用旁轴复合，Tishide在研究中发现，当电弧与激光的位置完全对准时,激光能量主要用于熔化焊丝而不是形成锁孔，很明显，改变激光与电弧相对位置可增大熔深。直缝焊接时，焊接方向对接头形状会有一定程度的影响，而且必须承认，在曲线焊缝焊接时，获得的熔深是不均匀的。美国海军连接中心针对厚钢板的复合热源焊接技术进行了系统的研究，在船板的加强筋焊接过程中对LB－MIG复合热源焊接与常规弧焊、激光焊进行比较研究，研究内容包括焊接效率、材料特性、焊缝变形等多方面的性能,以期将这一技术应用于美国海军典型船结构材料的焊接。焊接结果明显体现出复合热源的焊接优势，在该结构的焊缝总长度中50％应用激光－电弧复合热源焊接，其变形量仅为双丝焊的1/10，单道焊熔深可达15mm，双道焊熔深可达30mm，焊接6mm厚的T型接头时，焊接速度可达3m/min。
2．3LB-PA复合热源焊接
等离子弧(PA)具有刚性好、温度高、方向性强、电弧引然性好，加热区窄，对外界的敏感性小等优点，非常利于进行复合热源焊接。与激光复合进行薄板对接，不等厚板连接，镀锌板搭接，铝合金焊接，切割和表面合金化等方面的应用都获得了良好的效果。LB－PA复合焊接可以是旁轴复合，也可以是同轴复合。旁轴复合方式的基本原理与LB－TIG旁轴复合基本相似。同轴复合焊接有两种方式，一种是环状电极产生等离子弧，激光束从等离子弧的中间穿过，等离子弧在此主要有两个功能：a）通过额外的能量输入提高激光焊接的能力，从而提高整个焊接工艺的效率；b）等离子弧环绕在激光周围，可以获得较好的热分布模式，产生一个较好的热处理效果。另一种则是以空心电极方式将CO2激光与等离子弧进行同轴复合，激光束从空心的钨极中间穿过。同轴复合不仅节省空间，且无方向性，可在任意位置填充焊丝，大大提高焊速，增大间隙容限，提高焊接稳定性，减少焊接缺陷，尤其适合三维空间的零件的焊接。Coventry大学的先进连接中心多年来一直从事金属薄板的高速焊接研究，在针对汽车生产中薄板高速焊的研究中发现，激光高速焊接薄板的主要问题是焊缝成型不连续，焊道表面易出现隆起。采用等离子弧辅助激光在YAG和CO2激光器上进行薄板（0.16mm厚镀锌钢板）焊接，有效解决了激光高速焊带来的表面成型不连续问题，焊接速度比单独激光焊提高100％左右。而且，由于电弧与激光之间的相互作用，使得电弧非常稳定，即使焊接速度高达90m/min时电弧也没有出现不稳定状态，可以获得较宽的焊道和光滑的焊缝表面。
2．4LB-DA（激光束－双电弧）复合热源焊接
LB－DA复合热源焊接是将激光与两个MIG电弧同时复合在一起组成的焊接工艺。两个焊枪采用独立的电源和送丝机构，通过自己的供线系统分享焊接机头，每个焊枪都可相对另一焊枪和激光束位置任意调整。由于三个热源要同时作用在一个区域内，相互之间位置的排布尤为重要。为了使焊接头在垂直方向与其余配置相对于激光束的位置均可以重新定位，因此在研究与设计试验装置时需要精心考虑焊枪与激光束聚焦尺寸。在激光作用下，双电弧吸引在一起，三个热源作用于同一个熔池中。由于三个热源要同时作用在一个区域，相互之间位置的排布尤为重要。研究结果表明，在工件之间为零间隙焊接时，焊接速度比一般的LB－MIG复合热源提高33％，比埋弧焊提高800％。单位长度的能量输入比普通的LB－MIG复合热源减少25%，比埋弧焊减少83％。采用这种复合方法焊接，对于根部间隙为2mm的V型坡口厚板焊接时熔池底部无需支撑。对于5mm厚板22°坡口可一道焊完，且焊接过程非常稳定，远远超过普通LB－MIG复合热源的焊接能力。
激光－电弧复合热源技术的出现解决了激光焊接中存在的诸多问题，将激光焊接技术的应用提高到一个新的台阶，但是，面临航空、航天与武器制造业中的新材料、新结构的不断出现，它同样也存在着一些应用上的局限性。轻质化、高强度是飞行器发展的主要趋势，减重成为了各种新型号的首要解决问题，一些内部件必须采用可替换的高强度比材料，异种材料的焊接技术必不可少，如钛合金、铝合金、镁合金同种金属间连接及镁合金－铝合金、钛合金－不锈钢、高温合金－钢异种金属连接等。另一方面，在结构上采用蒙皮与骨架的新型设计来减轻重量，如某型号导弹的仪器舱体和钛合金空气舵均采用这种结构，在强度满足条件的前提下，通常希望骨架厚度越小越好。为保证接头强度，这种焊缝焊接时蒙皮必须完全焊透，结合面宽度与焊缝在骨架中的深度都有一定要求，因此，焊接过程的同步加压、焊缝形状控制等是保证焊接质量的关键因素。
3．激光－电阻复合热源焊接
3．1LB－RSW（激光束－电阻缝焊）复合热源焊接
2003年吉林大学赵熹华教授在国内外首先提出\"激光－电阻缝焊（LB－RSW）\"复合焊接方法新概念，并初步实现了原理性试验，申报了发明专利。众所周知，激光焊接是获得窄而深焊缝的最佳焊接方法，与电阻缝焊技术相结合的复合焊接可将两种焊接方法的优势充分发挥，通过电阻缝焊的加压与预热作用，可有效保证激光焊接的焊缝质量，降低激光能量，从而获得高质量、高效率的焊接效果，激光－电阻缝焊复合焊接技术在某些异种材料的焊接和蒙皮与骨架结构的特殊接头焊接方面比国内外当前广为重视的激光－电弧复合热源焊接方法具有更大优势，不过，这一复合方法的特殊应用潜力尚未被人们所意识到，国内外还没有类似的研究报道。
LB-RSW复合焊接系统主要由复合机头、焊接操作机、激光器、阻焊电源、控制系统等部分组成。
焊缝在激光束被工件吸收等作用所形成的激光焊热源和大量电流流过被焊工件所形成的电阻焊热源的共同作用下形成。
3．2LB－HFRW（激光束－高频焊）复合热源焊接
LB－HFRW是在高频焊管的同时，采用激光束对尖劈（会合点）进行加热，从而使尖劈在整个厚度方向上加热更均匀，这有利于进一步提高焊管的生产率和质量。
4．激光－搅拌摩擦复合热源焊接
为了降低搅拌摩擦焊（FSW）中对工件夹紧压力和转轴能量的要求，可以预先在转轴工作的前方用一个能量为700W的多模Nd：YAG激光对待焊工件进行预热，通过激光在转轴之前对材料的加热、加热、软化，焊接时焊件摩擦生热所需的夹紧力大大缩小，移动旋转轴的动力也可大大减少，并且这种工艺的组合可以显著降低搅拌头自身的损耗。
LB-FSW复合热源焊接又称为激光辅助搅拌摩擦焊，该技术发明于2002年。
5．结束语
由于激光束与其它热源（电弧热、电阻热、摩擦热等）复合焊接新技术具有突出的优越性。例如，高速度，较低的激光功率，改善某些材料（铝合金、异种材料等）的焊接性，使焊接成本大大降低等。近年来国内外学者和研究机构开展了大量的应用基础研究工作，一些著名企业已开始工程应用。因此，激光与其它热源复合焊接技术，具有广阔的发展和应用前景。