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原文為日本大阪大學S.Katayama先生撰寫，鬼斧翻譯。 2.1 簡介 激光電弧復合焊被認為是最有前景的連接工藝。它可以利用激光和電弧兩個特性，來補償激光焊接和電弧焊的缺點。 激光焊接具有高質量、高精度、高性能、高速度、良好的柔韌性和低變形的優點。另外，它還因易于與機器人、人力、全自動化的系統、生產線等相融合，而受到廣泛贊譽。激光焊接的應用，正在逐年增加。激光器及激光焊接的缺點，是激光裝置的成本高昂，難以焊接高反射或高導熱金屬，接頭間隙公差要求很小，以及在深熔焊的熔合區中易形成氣孔等焊接缺陷。 電弧焊最廣泛地用于材料連接。電弧焊設備便宜，且易于操作，且焊接過程非常穩定、有效。但在大多數情況下，電弧焊焊珠滲透淺，焊接速度慢，在高速焊接時，易于形成隆起的焊珠等。 另一方面，使用CO2、YAG、半導體、盤片或光纖激光器和TIG、MIG、MAG、等離子或其他電弧熱源等進行復合焊接，已經受到相當大的關注。它可以實現許多優點，例如更深的熔透、更高的焊接速度、更寬的接頭間隙公差、更好的焊道表面外觀、減少的焊接缺陷、更少的氣孔率以及其它的對各個過程缺點的補充。 在本章中，要了解激光電弧復合焊的基本原理，并在更好地了解其現象，電弧等離子體特性，激光誘導等離子體行為，激光束之間的相互作用的基礎上，正確利用復合焊工藝。將描述和詳細描述其引起的激光等離子體和電弧等離子體，液滴轉移，熔體流動，鍵孔行為和熔池中的氣泡產生，導致在熔合區中形成孔隙。 2.2 激光束與電弧的交互性與等離子特性 在激光電弧復合焊中，理解其物理現象是非常重要的。焊接時，所有的固體、液體、蒸汽和等離子體的所有狀態都存在于狹小的空間中。 激光-TIG復合焊 激光-MIG復合焊 在本章中，根據熱源布置不同，我們有不同的稱呼。如，當YAG激光光學頭在前，我們稱之為YAG激光-TIG電弧復合焊，而當TIG焊槍在前，我們稱之為TIG電弧-YAG激光復合焊。通常，在高功率密度的激光束的熔池中,會形成的匙孔，也會在空間上形成有具有光吸收的等離子體、蒸汽、超細顆粒或煙霧和飛濺物。在各自的焊接過程中，TIG電弧等離子體、MIG電弧等離子體以及來自MIG焊絲的液滴也會存在于熔池上方。 對TIG焊、YAG焊和復合焊，進行光譜測量分析。發現在TIG焊和YAG焊時，分別發現了中性氬（Ar）原子和Ar等離子體以及中性金屬原子的輻射。在混合焊接中，在匙孔入口上方，占主導地位的中性金屬原子的發射則比在激光焊接中更亮。在復合焊中，具有較短波長的光發射增加。這意味著混合焊接中的光溫度高于激光焊接。等離子體發射強度隨著電弧電流的增加而增加。 通過高速視頻觀測和電弧的電流或電壓測量，以確定電弧等離子體和激光誘導等離子體的行為以及其與激光束的相互作用。在復合焊期間，發現電弧電壓增加，且該增加的量與YAG激光功率成正比。朝向入射激光束的等離子體會影響電弧柱，使之變得更亮和更長，導致復合焊中的電弧電壓增加。在混合O2激光和脈沖MAG復合焊的情況下，電弧在低電壓下接近激光誘導等離子體，但在高壓下會覆蓋焊絲正下方的熔池。當激光束和熱源靠近時，激光誘導等離子體則充當電極或焊絲與基板之間電弧的電流路徑。電弧和激光等離子體之間的相互作用通常取決于激光和保護氣體的類型、電弧電流、電極和基板的間距、激光斑點和電極靶點的間距、電極的傾斜度。 在激光焊接期間，形成蒸發的金屬元素構成的蒸汽和等離子體（發光的），而在用氬氣（Ar）作保護氣的CO2激光焊接中，也形成氣體等離子體。激光焊接的情況和現象主要取決于激光的類型或波長、保護氣和焊接條件。特別是激光焊接和使用高功率CO2激光的復合焊的情況下，建議使用氦（He）保護氣體或具有高氦（He）含量的混合氣體，而不使用氬（Ar）保護氣。因為氬（Ar）等離子體會吸收入射激光能量，并使激光束發散。 在波長小于1.1μm的激光，能量的吸收（或衰減）由瑞利散射引起的。此外，先導光纖激光的折射角平均0.6mrad，最大約為2.5 mrad。由此，如果在波長約1μm的YAG、盤片或者光纖激光的情況下，激光等離子體通常被抑制在很小的尺寸，激光能量的衰減以及激光束對激光誘導等離子體或超細顆粒的折射都很小。 在YAG激光焊接和TIG-YAG激光復合焊接過程中，可以同時觀測到反射的激光束與激光誘導等離子體的行為。在激光焊接和復合焊接過程中，反射光束的亮度和形狀幾乎相同。因此得出結論，在具有約1μm波長激光的復合焊接中，激光等離子體和電弧等離子體對入射激光束的屏蔽效應很小。激光束與氬（Ar）氣等離子體或激光誘導等離子體之間的相互作用很小，主要是因為相互作用區域與板表面之間間距很短。也就是說，這種局部高溫場可以使折射的影響最小化。 2.3 動態行為 在復合焊接期間，通過帶有或者不帶有給定波長濾波器的高速攝像機可以觀察電弧和激光誘導等離子體的行為。在TIG-YAG激光復合焊（TIG焊槍作引導）期間，電弧有時集中在TIG電極附近的匙孔入口周圍，除了激光誘導等離子體外，還會發生明亮的蒸汽。通常，電弧幾乎不進入匙孔以到達底部。 針對低壓和高壓下YAG激光-MAG復合焊或MAG-YAG激光復合焊焊接鋼，進行實驗。發現：在低電壓下，容易發生短路轉移，在激光-MAG復合焊時會起嚴重的濺射；在高電壓下，MAG-YAG激光復合焊時，焊絲在表面上方熔化，并且觀察到從焊絲到熔池的平滑液滴轉移，導致形成良好的深焊縫。 通常，在純氬氣（Ar）或氦氣（He）中，鋼和不銹鋼的MIG焊接是不穩定的。因此，焊接時會在保護氣體中添加少量氧氣，例如氬氣（Ar）中含2-5％的O2或氬氣（Ar）中含20％CO2，形成混合氣體。也就形成所謂的MAG焊。而對于鋼或不銹鋼的脈沖MIG-YAG激光復合焊或YAG激光-脈沖MIG復合焊，可以在純Ar保護氣體中也可以產生穩定的焊接。 在激光-TIG復合焊中，由于形成了足以容納匙孔擴展的較寬熔池，因此抑制了在匙孔周圍產生的伴隨激光等離子體的飛濺。而在激光- MIG、，MAG或CO2電弧復合焊中，在電線短路液滴過渡的正常條件下，也容易產生飛濺。此外，在具有焊絲向前傾斜的激光-MAG復合焊時，液滴易于在熔融熔池前面的固體部分上飛濺，導致形成飛濺。因此，為了抑制混合激光-MIG、，MAG或CO2電弧復合焊過程中的飛濺，推薦采用脈沖電弧，將焊絲上的液滴過渡到熔池上或熔池前面。 2.4 溶液動態特性與熔池穩定性 在激光焊和復合焊過程中，通過高速視頻和X射線透射觀察，以確定熔池中的匙孔穩定性和熔池流動性。 為理解TIG-YAG復合焊接過程中熔池表面附近的流動性，用高速攝像機觀察到ZrO2顆粒的運動。對在TIG電弧電流為100和200A的復合焊接期間，觀察到的304不銹鋼表面熔池流動特點。在100A時，ZrO2顆粒首先接近匙孔入口，但由于從入口噴射的激光誘導等離子體引起的流剪切應力，很快從鎖孔入口流出。然而，顆粒可能由于表面張力驅動的流動和電磁對流而再次接近入口。在200A時，熔池的表面由于高的電弧壓力而變得凹陷，并且ZrO2顆粒接近鑰匙孔入口但由于除了等離子噴射之外的強電弧等離子體流而很快流到后熔池。在高強鋼的MAG-CO2激光復合焊期間，也觀察到這種熔體流動。 通過X射線實時傳輸系統，觀察在復合混合焊接中的熔池比激光焊接中的熔池更長更寬。熔體流動在100和200A之間不同，導致不同的混合焊縫幾何形狀。 觀測YAG激光或光纖激光和MIG復合焊接或CO2激光和MAG電弧復合焊接時，熔池內的熔化變化。高的電弧電流引起熔池的強烈流動，從而產生更寬的熔池。由于電弧電磁對流的影響，在復合焊時填充焊絲的混合比在激光焊更徹底。 研究CO2激光 - MAG和MAG-CO2激光復合焊焊接厚的高強鋼板時的熔池流動性。在這些之間觀察到不同的熔池流動。例如，在CO2激光-MAG復合焊接中，沿著匙孔壁的流動是主要的，但在MAG-CO2激光復合焊中，熔池表面上的向后流動是強烈的。考慮電弧等離子體流和表面張力引起的熔體流動性，證實了合金元素的分布因熱源布置而不同。 研究YAG-MIG和MIG-YAG復合焊焊接A5052鋁合金。在MIG-YAG復合焊接中實現了完全熔透或更高速度的完全熔透焊接。在YAG-MIG復合焊接中觀察到更好的焊珠表面外觀。因此，從更好的表面外觀和更深的焊透性的觀點來看，推薦混合YAG-MIG和MIG-YAG焊接用于生產鋁合金焊接接頭。 氣孔的形成與抑制機制 對比研究304不銹鋼，電弧電流對焊縫熔深、氣孔形成趨勢、匙孔行為及氣泡的產生。在在空氣中，采用100A和200A的復合焊時，隨著電弧電流的增加，匙孔入口的直徑變得略大。在YAG激光焊接中，可能由于來自前壁的強烈蒸發和/或深鎖孔的坍塌，而從匙孔的底部產生氣泡。氣泡被固化前沿捕獲，導致孔隙和孔隙的形成。 在100A時，匙孔略大且更深，因為表面張力驅動的流動和電磁流疊加在匙孔壁附近的熔體的向下流動上，此后熔池從匙孔尖端，沿著熔池底部流到后部。這些熔池流動會加深熔池底部，導致更深的焊縫。通常從較大的匙孔產生大氣泡，以形成較大尺寸的孔。 在200A時，由于較高的電弧壓力，熔池的表面凹入凹陷，匙孔入口直徑大得多，并且由于電弧等離子體流導致的其他快速熔體流動導致熔池變寬，導致寬的焊縫。另外，減少了氣泡的產生，導致孔隙率降低。對于304不銹鋼鋼的TIG-YAG激光復合焊，在200A時，氣孔率降低歸因于氣泡的減少，熔池表面氣泡消失。氣泡形成趨勢取決于電弧電流。在當前條件下，高電弧電流可以使匙孔更淺并且更穩定。 鋁合金的激光-MIG復合焊接，已應用于汽車生產線。隨著MIG電流的增加，焊珠變得越來越大。采用YAG激光-MIG復合焊和MIG-YAG激光復合焊，氬氣（Ar）作為保護氣，激光功率為3 kW，對A5052鋁合金進行焊接，分別測試不同的激光斑點與電弧靶點間距。MIG-YAG激光復合焊，通?？雌饋肀萗AG激光-MIG復合焊更深和更大。YAG激光-MIG復合的焊縫表面外觀總是優于MIG-YAG激光復合焊焊縫。在激光功率為3 kW，且高MIG電流（240 A）時，A5052混合焊珠的孔隙率降低。 在120 A處，產生大量氣泡并被凝固前沿捕獲，導致孔隙形成。另一方面，在240A處，可能產生一些氣泡。但是，所有氣泡都從熔池的凹面消失，導致無孔隙。因此，氣泡消失的機理在淺焊縫中是有效的。在深熔透的MIG-YAG激光復合焊中，可以確定傾斜的激光束有利于降低孔隙率。 對于不銹鋼焊接，TIG和MIG的高電弧電流誘導下的凹形熔池表面，抑制了氣泡的形成，正如鋁合金焊接中的氣泡消失。 |
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