复合与激光-电弧热源的焊接技术应用

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  指定前需了解的五个要点
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  激光-电弧复合热源的实际作用
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  接头准备与装配规则
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  激光功率、电弧电流与焊接速度的设定
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  哪些材料适合复合焊，哪些不适合
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  从焊道到成品机加工零件
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  如何区分优质与劣质复合焊缝
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  激光-电弧复合焊与 TIG、纯激光的对比

激光-电弧复合热源将聚焦激光束与 GMAW 电弧置于同一熔池。激光钻出深熔小孔，电弧添加填充金属并拓宽熔池，使接头能容忍纯激光无法桥接的间隙。两个热源作用于同一熔池，而非两道独立焊缝。

实际收益是速度下的熔深。6 mm 碳钢上，复合焊头以 4 至 6 kW 激光功率、180 至 220 A 电弧电流，可在约 3 至 6 m/min 下单道完成 I 形对接接头。同一接头用多道 TIG 需四至六道，工位耗时多得多。

热输入是影响下游的关键数值。复合焊输入板材约 0.2 至 0.5 kJ/mm，同厚度多道 TIG 更高。热输入低意味着热影响区更窄、角变形更小，因此复合焊缝在机加工前往往需要更少的校直。

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  激光决定熔深小孔熔深由激光功率和焦点位置控制。
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  电弧决定容差填充丝与电弧压力可桥接小间隙和错边。
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  两者共用同一熔池热源间距 2 至 4 mm，使电弧处于小孔区内。

复合焊线上的焊接技术应用始于装配台，而非激光头。无间隙 I 形对接接头需要高激光功率和紧凑焦点。将间隙开至 0.5 mm，电弧便分担部分熔深任务。这是工艺工程师在每个新零件上做的权衡。

切割边必须清洁。氧化皮、氧化物和切割熔渣会吸收激光能量，导致断续未熔合。不锈钢和铝在焊接前一小时内用溶剂擦拭接头面。6 mm 以上碳钢对接合面轻度打磨，去除最严重的氧化皮。

点固焊需能撑过整道焊接。薄板每 150 至 250 mm 点固一次，8 mm 以上板材每 300 至 400 mm 一次。焊头移动前用塞尺检查错边。接头处 1 mm 台阶会使焊缝偏离中心，留下根部缺陷，再大的光束功率也无法弥补。

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  间隙 0.5 至 1.0 mm复合焊在此范围表现良好。超过 1.5 mm 需加填充或更换工艺。
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  错边小于 0.5 mm焊接开始前用塞尺或千分表测量。
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  清洁接合面不锈钢和铝用溶剂擦拭；碳钢轻度打磨。
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  点固间距薄板 150 至 250 mm，厚板 300 至 400 mm。

将三个主要参数视为联动组合。提高激光功率可提高焊接速度，但前提是电弧能跟上填充。电弧电流提得过高，熔池过于流动，导致焊趾咬边和热影响区变宽。首次试焊时，工艺窗口比多数人预想的更窄。

4 mm 不锈钢起点：激光 3 至 4 kW、电弧 120 至 160 A、焊接速度 4 至 5 m/min、焊丝 1.0 至 1.2 mm、送丝 6 至 8 m/min。8 mm 碳钢起点：激光 6 至 8 kW、电弧 200 至 240 A、焊接速度 2 至 3 m/min。这些是起点，不是配方。每台设备和每种气体配比都会使其偏移。

保护气体影响两个热源。富氦混合气改善不锈钢和铝的激光耦合。富氩混合气稳定碳钢电弧。复合焊枪流量 20 至 30 L/min，不锈钢背面保护另加 10 至 15 L/min，可覆盖多数工况。流量过大会引起紊流和气孔。

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  激光功率4 至 8 kW 可在实用速度下单道覆盖 4 至 8 mm 钢。
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  电弧电流120 至 240 A，取决于厚度、送丝和接头间隙。
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  焊接速度2 至 6 m/min。速度越快，需更高激光功率和更紧的装配。
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  焦点位置焦点置于上表面下方 0 至 2 mm，以保证小孔稳定。

碳钢和低合金钢最容易匹配。激光吸收率适中，电弧稳定，工艺速度快，意外少。304 和 316 不锈钢也焊接良好，但需要富氦保护气，通常还要拖罩来保持根部清洁。铝在 4 到 6 kW 下可行，但反射率高，同样熔深需要更高功率。

钛及其合金可以焊接，但只能在充气舱内或使用完整拖罩。氧含量超过几百 ppm 就会使焊缝变脆。没有舱体能力的工厂不应报钛复合焊接的活，因为风险在焊缝，不在机床。

高反射或高导热的金属不是好选择。铜和黄铜在固态光源波长下反射大部分激光能量，小孔不稳定。这类材料通常电子束焊或搅拌摩擦焊是更好的路线。如果零件小、接头简单，常规 TIG 焊可能仍是最便宜的方案。

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  适合碳钢、低合金钢、304 和 316 不锈钢、6061 铝。
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  有条件钛需要完全惰性保护。铝需要更高功率。
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  不适合铜、黄铜和高反射合金。改用其他工艺。

多数复合焊接组件不是最终形状。它们要上 CNC 做端面铣削、镗孔或车螺纹，焊缝必须经受住这一步。焊缝金属通常比母材硬，端面铣刀磨损更快，如果焊缝位于薄壁上还可能振刀。规划切削路径，让刀具先进入母材，再以稳定进给穿过焊缝。

留余量。焊接接头很少正好在图纸预期的位置。热收缩会使零件偏移零点几毫米。在焊缝相邻面留 0.3 到 0.5 mm，给精加工余量去除，把零件带回名义尺寸。跳过这一步，首件在接头处就会偏小。

对于焊后需要严格公差的零件，机加工前去应力是更安全的顺序。碳钢上，550 到 620 °C 保温后缓冷，足以降低残余应力，使精加工保持尺寸。不锈钢上，同样处理需注意避免敏化。如果零件在服役中会承受振动或热循环，这一步不可省略。

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  留 0.3 到 0.5 mm 余量焊缝相邻面在冷却中会偏移。精加工修正它。
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  穿过焊缝进给从母材进入，跨焊道保持进给恒定。
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  先去应力碳钢在精加工前 550 到 620 °C 处理。

目视检查能及早发现多数复合焊接问题。看焊趾线是否平滑、有无咬边。焊趾咬边通常意味着电弧电流过大或行走速度过快。窄而尖的焊道、指状深熔，说明激光在干全部活，电弧从未耦合。这种焊缝侧壁熔合差。

也要看根部。全熔透接头上，根部焊道宽度均匀一致说明小孔稳定。根部忽宽忽窄说明焦点位置漂移或间隙沿焊缝变化。两者都是装配或工装问题，不是焊接参数问题。

对关键接头，射线或超声检测能确认肉眼看不到的东西。气体湍流产生的气孔、边缘错位导致的未熔合、高拘束引起的裂纹，都会在底片上显现。一次 RT 的成本，相比机加工后发现焊缝开裂的代价，微不足道。

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  焊趾线平滑咬边说明电弧电流过高或行走过快。
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  根部宽度均匀根部收缩说明焦点漂移或沿焊缝间隙变化。
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  关键接头做 RT 或 UT能发现肉眼漏掉的气孔、未熔合和裂纹。