第12章 复合焊 将两种基本焊接方法有机地复合（Hybrid） 在一起而形成的一种全新的焊接方法这种方法 既可发挥各自的优势，又能弥补单一焊接方法的 不足，还能产生能量协同效应，因此具有独特的 优势和良好的应用前景 12.1概述 12.1.1复合焊的概念及特征 复合焊具有以下特征: 1)构成复合焊的基本焊接方法是两种明显不同的焊 接方法，即其热源必须是两种物理性质不同和能量 传输机制不同的热源，而非同种热源有些焊接方 法虽然也具有双热源，但热源类型相同，如双钨极 TIG焊、双丝单弧埋弧焊等，不能列入复合焊的范 畴 2)构成复合焊的两种基本焊接方法的热源焊接时同 时作用于焊件的同一位置因为只有作用于同一位 置，才能产生热源的复合效应在图12-1所示的图 中，图12-1a所示的是复合焊，而图12-1b所示的则 不是复合焊，因为电弧此时主要是起着对激光焊焊 缝再次加热、熔化和填充金属的作用 图12-1两组热源作用位置的比较 3)构成复合焊的两种基本焊接方法的热源之间发生 激烈而复杂的复合效应，能产生很多新的性能例 如，激光-MIG复合焊时，由于激光与电弧叠加在一 起相互作用，使电弧的形态、熔滴过渡、热源的能 量作用都发生很大变化，因而对焊接熔深、焊接速 度、焊接质量都会产生很大影响。
12.1.2复合焊的优势 (1)复合焊可以充分发挥组成它的每种焊接方法的 优势，并克服不足 以激光-电弧复合焊为例，激光焊的热源具有高的能量密 度、极优的指向性以及可在透明介质中传导等优势，但也 具有劣势，如金属材料对激光的高反射率造成激光能量的 损失大、焊缝桥接能力差、设备成本高等；电弧焊的热源 具有电-热转化效率高、对焊件坡口加工装配精度要求相对 较低、设备成本较低等优势，但也具有热源能量密度低、 快速移动时电弧稳定性差等缺点但是，将两者复合以后 形成的激光-电弧复合焊则呈现出具有高的能量密度、高的 能量利用率、快速移动时高的电弧稳定性等特点，使得两 者的缺点得到克服，优势得到发挥 (2)复合焊能产生能量协同效应 当将两种不同的热源复合以后，待焊处的能量作用效 果大大增强,它显著大于两种热源分别单独作用时所产生的 能量作用效果，即1+12例如，当采用较低功率的激光- TIG复合焊焊接铝合金时，试验结果表明，复合焊后得到的 焊缝横截面积比分别用单独激光焊和TIG焊所得到的焊缝横 截面积之和还大，增加了75%又如，利用Nd3+:YAG激光与 等离子弧复合进行不锈钢表面合金化试验，试验结果表明， 两个热源共同作用的熔深大于两者单独作用所得到的熔深 的叠加。
图12-2是用激光-MIG复合焊焊接具有不同 错边高度板材的照片试验条件是：板材为 X50钢，厚度为10mm，接头开10单V形坡口， 钝边为1mm；CO2激光的功率为10.5kW;脉冲 MIG焊的送丝速度为5.2m/min ，保护气体为 Ar+He ，焊丝为G3Si1(注:瑞典伊萨公司的产 品)，直径为1.2mm 图12-2激光-MIG复合焊对板材对接 错边的适应性 a)无错边b)错边为2mmc)错边为4mm 由图12-2a可以看出，10mm厚 的钢板平板对接复合焊可以一次焊 透，这用单纯的激光焊虽然可以做 到，但是用单纯的MIG焊则是很困 难的; 由图12-2b、c可以看出，用激 光-MIG复合焊在错边分别为2mm和 4mm的情况下也能得到良好的焊缝 成形，这是用单纯的MIG焊无法做 到的，对于单纯的激光焊来说则是 不可想象的 12.1.3复合焊的种类 已见报道的有等离子弧-GMA复合焊、等离子弧-TIG 复合焊、激光-TIG复合焊、激光-MIG复合焊、激光-等离 子弧复合焊、TIG-MIG复合焊、电子束-等离子弧复合焊、 超声波-TIG复合焊、激光-摩擦复合焊、激光-高频复合焊、 激光-压力复合焊等。
这些复合焊方法中,既有由熔焊方 法与熔焊方法复合而成的复合焊方法,如等离子弧-GMA 复合焊、等离子弧-TIG复合焊、激光-TIG复合焊、激光- MIG复合焊、激光-等离子弧复合焊、TIG-MIG复合焊、 电子束-等离子弧复合焊等,也有由熔焊方法与非熔焊方 法复合而成的复合焊方法,如超声波-TIG复合焊、激光-摩 擦复合焊、激光-高频复合焊、激光-压力复合焊等 12.2等离子弧-GMA复合焊 12.2.1等离子弧-MIG同轴复合焊 1.等离子弧-MIG同轴复合焊的原理 等离子弧-MIG同轴复合焊的原理如图12-3所示 图12-3等离子弧-MIG同轴复合焊原理示意图 它一般使用两个直流电源，分别为等离子弧和MIG弧提 供能量，其中等离子弧焊电源为垂降的恒流电源，MIG焊电 源为平特性的恒压电源两者采用的接法均为直流反接保 护气体类型有纯氩气、纯氦气及氩气与少量其他气体（如 CO2气、氧气、氮气、氢气等）组成的混合气要根据被焊 材料的种类选择，一般情况下,当焊接低碳钢和低合金钢时, 选用氩气与少量CO2气的混合气；当焊接铝及铝合金时，选 用纯氩气或纯氦气；当焊接不锈钢时，选用氩气与少量CO2 气或氩气与少量氧气的混合气。
焊接时，等离子弧使用的是 转移弧，为防止等离子弧下移，环形水冷电极与喷嘴之间相 互绝缘 焊接时，等离子弧与MIG弧同轴燃烧，作用在一个 熔池上MIG焊的焊丝底端、熔滴和MIG弧都被包围在炽 热的等离子弧内部焊接时焊丝不仅被流过的电流和 MIG电弧加热，而且还被其四周的等离子弧加热，因而 使得焊丝的熔化速度加快同时，焊丝的电流能产生磁 场，可以使等离子弧进一步被压缩，提高弧柱的能量密 度，从而增加熔深另外，由于采用的均是直流反接， 能产生很强的“阴极破碎”作用，因此也能用于铝及铝 合金的焊接 2.激光-等离子弧复合焊的特点 (1)焊缝熔深较大在机械压缩、热压缩和磁压缩的作用 下，等离子弧本身即具有较强的穿透能力，再加上焊丝电 流产生的磁场作用使等离子弧进一步被压缩，因而穿透能 力进一步增强，使焊缝熔深明显增加研究表明，等离子 弧-MIG同轴复合焊可以达到单纯MIG焊的23倍 (2)能实现薄板的高速焊等离子弧-MIG同轴复合焊的焊 丝熔敷速度很快，有资料介绍，直径1.6mm的低碳钢焊丝 在大电流的情况下达到500g/min，再加上焊接熔深较大， 因此使得高速焊成为可能试验表明，等离子弧-MIG同轴 复合焊的焊接速度可以达到单纯MIG焊的数倍。
但由于等离 子弧电流增加受到限制，因此尚不适宜焊接较厚的焊件 (3)焊缝质量高焊接时有双电弧搅拌熔池的作用和比较 强烈的电弧对焊件表面的清理作用，有利于减少熔池中的 气体和夹杂物，从而能降低铝合金等导热性能好的材料在 焊缝中产生气孔和夹杂物的敏感性，使焊缝质量提高 (4)适宜焊接的材料范围较宽等离子弧-MIG同轴复合焊 不仅适宜低碳钢、低合金钢的焊接，而且适宜铝及铝合金、 铜及铜合金、镍基合金、不锈钢等材料的焊接 存在的缺点是:由于等离子弧与MIG弧是在同一把焊枪 内燃烧，且等离子弧采用直流反接形式，如果等离子弧电 流过大，枪内温度过高，易烧损环形水冷电极和枪体，因 此对焊枪内部零件的设计要求很高 12.2.2等离子弧-MIG/MAG旁轴复合焊 等离子弧-MIG/MAG旁轴复合焊是近年来由以 色列激光技术公司研究成功的一种高效复合焊方法, 亦被称为“Super-MIG焊接技术” 图12-4等离子弧-MIG/MAG旁轴复合焊原理示意图 1.等离子弧-MIG/MAG旁轴复合焊的原理 等离子弧-MIG/MAG旁轴复合焊的原理如图12- 4所示图中左侧为等离子焊枪，右侧为MIG/MAG 焊枪，两焊枪电极的轴线按一定的夹角布置。
一般 情况下，分别使用两个直流电源，等离子弧采用直 流正接，MIG/MAG电弧采用直流反接由于采用 旁轴式的布置以及等离子弧采用直流正接，可以克 服同轴式布置时易烧损电极和枪体的缺点，使得增 大等离子弧电流和在熔池中产生“小孔”成为可能 焊接时，先引燃等离子弧，后引燃MIG/MAG电弧等 离子弧一般采用联合型等离子弧，即先引燃非转移型等离 子弧，然后再引燃转移型等离子弧，而且在整个焊接过程 中非转移型等离子弧一直存在，这样，有利于在断续焊接 时，能迅速引燃用于焊接的转移型等离子弧，使焊接过程 稳定 焊接时，等离子弧处在MIG/MAG电弧的前面，由于其 具有很强的穿透能力，能在熔池中产生上下贯透的小孔， 并从背面喷出尾焰；当板子很厚时，则形成非穿透的锁孔 焊丝在MIG/MAG电弧和等离子弧的共同作用下能以很快的 速度熔化，填充到小孔中去这样，就使得等离子弧- MIG/MAG旁轴复合焊既拥有了等离子弧焊熔深大的优势， 又具有了比MIG/MAG焊熔敷速度更快的优点 图12-5等离子弧-MIG/MAG旁轴复合 焊焊接过程示意图 1焊件2等离子流3等离子喷嘴4熔融金属 5等离子弧中心6焊丝中心 7电极之间的夹角 8钨极9焊丝10MIG电弧11等离子弧 12焊丝电流(Iw)方向 13等离子弧电流(Ip)方向 14施加在等离子弧上的电磁力(F1)15施加在 MIG/MAG电弧上的电磁力(F2) 此外，由于等离子弧焊采用的 是直流正接，MIG/MAG弧采用的 是直流反接，焊接时等离子弧能受 到指向前方的电磁力F1(图12-5)作 用，能牵引等离子弧向熔池前方移 动，而且使等离子弧在高速焊接过 程中紧紧追随焊枪轴线，从而增加 等离子弧的刚度和稳定性，进而可 大幅度提升熔深和焊接速度，飞溅 也能得到控制。
2. 等离子弧-MIG/MAG旁轴复合焊的特点 (1)焊接熔深大，可以焊接较厚的 焊件试验结果表明，对于钢板,当 等离子弧-MIG旁轴复合焊的等离子 弧焊电流为200A、MIG焊电流为 400500A时，其一次焊接厚度可以 达到810mm；如果等离子弧焊电 流为400A、MIG焊电流为700800A 时，则可达到2025mm(图12-6)， 而 如 果 采 用 双 面 焊， 则 可 焊透 50mm厚的钢板因此，这项技术 可以取代适宜于厚板焊接的埋弧焊 方法 图12-6平板(厚度为 20.433mm) 对接单道焊接熔深示例 表12-1等离子弧-MAG旁轴复合焊和单纯MAG焊的焊接速度比较 (2)焊接速度快表12-1是分别采用等离子弧- MAG旁轴复合焊和单纯MAG焊焊接某汽车零件 时的焊接速度比较可以看出，在其他参数相 同的条件下，等离子弧-MAG旁轴复合焊比单纯 MAG焊提高了一倍以上 接头 类型 材料焊丝 保护气体 (体积分数) 复合焊焊 接速度 /(mm/min) MAG焊焊 接速度 /(mm/min) 对比 搭接 碳素钢,板厚为 4mm ER70S-6直径为 1.2mm Ar+20%CO21500700 焊接速度提 高1倍 角接 碳素钢,板厚为 4mm,管子壁厚为 3mm E70S-3 直径为0.9mm Ar+18%CO2 840360 焊接速度提 高1.3倍 (3)热影响区较窄，焊接残余变形小以取得相同的熔深为 标准选择焊接速度，使用等离子弧-MAG旁轴复合焊和单纯 的MAG焊分别在6mm厚的钢板上焊接，并测定焊接温度场， 其结果如图12-7所示。
从等温线的分布可以看出，等离子弧 -MAG旁轴复合焊的高温区域比单纯的MAG焊窄很多，这表 明焊接所形成的热影响区较窄,焊接残余变形也小 图12-7焊接6mm厚钢板时的焊接温度场比较 a) MAG焊b) 等离子弧-MAG旁轴复合焊 (4)焊接飞溅显著减少,焊缝质量优良等离子弧的存在， 显著提高了MIG/MAG弧的稳定性和熔滴过渡的稳定性， 同时MIG/MAG熔滴在小孔内过渡，这些因素都可减少 焊接飞溅 (5)可以完成多种形式的焊接如搭接焊、熔透焊、连 续焊、断续焊或点焊等 (6)适宜焊接的材料广可用于焊接钢铁材料、铝及铝 合金等多种材料 12.2.3等离子弧-GMA复合焊的应用 1.用等离子弧-MIG同轴复合焊。