本發(fā)明涉及一種用于金屬材料的焊接、涂覆的焊炬裝置，確切地說，是涉及激光和等離子弧復合焊接的焊炬，以及采用本發(fā)明的激光和等離子弧復合焊接方法。

背景技術(shù)：

焊接是在各種金屬制造行業(yè)中至關(guān)重要、至今無法完全取代的加工制造技術(shù)。焊接作業(yè)是指在工件上產(chǎn)生高的能量密度形成熔池并移動熔池。因此，如果可以提高焊接工具與工件之間的能量耦合效率，即入射在工件上的能量密度，則可以獲得顯著的經(jīng)濟效益，這取決于所用的材料和焊接技術(shù)。

其中之一就是具有較高的能量耦合密度的等離子焊，等離子焊是指將被壓縮的等離子電弧用作能量源來熔化工件進行焊接的工藝技術(shù)，在焊接過程中，電離化氣體形成的等離子弧被壓縮，能量更加集中，高能量的等離子弧產(chǎn)生動態(tài)壓力，其電弧可以穿透熔融液池，因此也稱之為“小孔”焊接”。等離子焊的主要優(yōu)點是能夠進行一道次、相對快速的材料焊接，接頭準備工作最少。另外，因為等離子弧聚集在“小孔”內(nèi)，減小了工件內(nèi)的應(yīng)力或變形。

盡管等離子焊具有許多重要優(yōu)點，但仍存在幾項嚴重的局限性。等離子體電弧的能量密度制約了“小孔”的穿透深度、可焊材料厚度和焊接速度。另外，等離子焊接的“小孔”可能在某些操作條件下出現(xiàn)塌陷，由此造成焊縫質(zhì)量降低。

在等離子焊中，入射在工件上的能量密度是形成“小孔”的最重要參數(shù)。等離子焊接電流在10至250安培的范圍內(nèi)可以形成“小孔”，但這也取決于工件的材料和焊接速度。另外，等離子弧的能量密度、傳入工件上的熱斑點中的能量密度依賴于等離子弧內(nèi)的傳熱機理。當電弧溫度提高時，等離子電弧的輻射熱損失是主要因素，這樣就限制了等離子焊接作業(yè)的最高功率密度，也限制了焊接更厚板材或者提高焊接速度的能力。在常規(guī)的等離子弧焊過程中，對于約200A-250A的電流和約3-3.5KW的等離子功率密度而言，輻射熱傳遞是主導因素，因此，實際上無法利用現(xiàn)有技術(shù)獲得更高的等離子焊接功率密度，任何通過增大焊炬功耗來提高功率密度的嘗試都會降低焊接效率；如果嘗試提高焊接速度，等離子弧會變得不穩(wěn)定，工件上的熱斑會落在焊炬軸線之后，這是導致焊接質(zhì)量差的一個起因。

激光束焊是另一種利用高能量密度--激光束作為熱源進行焊接的高效精密加工方法。“小孔”模式的激光束焊接可以提供相對大的熔深，與其他熔焊方法相比，激光束焊接具有能量密度高熱輸入少、接頭區(qū)殘余應(yīng)力和變形小、熔化區(qū)和熱影響區(qū)窄，以及熔深大、焊縫組織細小、接頭性能好等優(yōu)點。此外，與（同樣地利用高能量密度焊接的）電子束技術(shù)相比，激光束焊接不需要真空條件，保護氣體種類及壓力范圍可方便選擇，可借助偏轉(zhuǎn)棱鏡或光導纖維將激光束引導到難以接近的部位進行焊接，操作靈活，可穿過透明材料聚焦焊接等，激光束可靈活控制 ,易于實現(xiàn)工件的三維自動化焊接。

激光束焊也具有幾項重大的制約條件。由于可焊材料厚度和穿透深度受制于被耦合至工件的激光束的功率和熱量，因此通常只能通過提高激光器功率來改善的焊接效果。激光束焊一般需要大型的高功率氣體激光器、固態(tài)激光器或二極管激光器以生成并維持“小孔”焊接的模式。

眾所周知，金屬等離子體對“小孔”內(nèi)壁所產(chǎn)生的壓力對焊接過程中維持“小孔”焊接模式是非常重要的。但是，如果等離子體密度過高會造成激光束反射；實際上，等離子體的密度變得過低或過高，都會導致降低焊接作業(yè)的效率。另外，在像金屬這樣的材料上啟動激光束焊，需要使用更高的激光束功率以形成“小孔”，但激光束的功率轉(zhuǎn)換效率都是很低的。

總的來說，激光束焊接技術(shù)存在以下典型的限制條件：

（1）需要非常精確的焊件位置（在激光束的聚焦范圍內(nèi)），焊件需使用相對復雜的夾治具，以確保激光束熱斑與焊件的最終位置對準；對于厚度大于19mm的工件，生產(chǎn)線上不適合使用激光焊接。

（2）對于高反射性及高導熱性材料如鋁、銅及其合金等，激光束焊接的應(yīng)用受到限制。當進行高能量焊接時，激光束焊接的性能會受到等離子體的影響。

（3）能量轉(zhuǎn)換效率通常低于10%；焊道凝固快，可能會產(chǎn)生氣孔及脆化。

（4）設(shè)備昂貴。

為了消除或減少激光束焊接的缺陷,關(guān)于利用其它熱源與激光束進行復合焊接的研究在八十年代就已經(jīng)開始了，并且現(xiàn)在已經(jīng)開始了一些工業(yè)應(yīng)用，如激光束與電弧的復合焊接等，按照布置方式分類，主要有激光束與電弧旁軸布置（典型的如激光與熔化極氣體保護焊GMAW或脈沖激光與熔化極氣體保護焊GMAW-P 復合焊接）、激光束與電弧同軸布置（典型的如激光與TIG電弧復合焊接）兩大類。

這些技術(shù)的特點是用激光束的能量直接作用于工件表面，并與GMAW或者TIG電弧復合，其中，激光束的高能量密度在復合效果中、尤其是在增加熔深、提高焊接效率方面起到了決定性作用。但是，由于GMAW或者TIG電弧的直徑遠遠寬于激光束，復合焊接作業(yè)的焊縫表面質(zhì)量則決定于GMAW或者TIG電弧。

總的來說，激光束和電弧復合焊接有以下顯著的優(yōu)點：

(l)在電弧的作用下，復合焊接降低了接頭間隙的裝配精度的要求，因此可以在較大的接頭間隙下實現(xiàn)焊接。

增加了焊縫的熔深。在激光束的“小孔”模式下電弧可以到達焊縫的深處，其次，電弧會增加金屬工件對激光束能量的吸收率，這也有利于增大焊接熔深。

激光束具有的高密度能量縮短了工件被加熱的時間，使熱影響區(qū)減小；同時，電弧能夠減緩熔池的凝固時間，使得熔池的相變可以比較充分的完成。

激光束形成的“小孔”模式對電弧有吸引作用，使電弧的根部壓縮，提高了電弧能量的密度。

(5) 與電弧焊接相比，激光束與電弧的復合熱源可以提高焊接速度，當然，在這種情況下，就有可能采用較小功率的激光器，可以降低設(shè)備成本。

盡管激光束電弧復合焊接具有許多重要優(yōu)點，但仍存在幾項嚴重的局限性，這使得許多激光束電弧復合焊接工藝技術(shù)至今仍處于研究階段，已經(jīng)在工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的激光束電弧復合焊接技術(shù)也僅局限于很少的數(shù)量。

旁軸布置的激光束電弧復合焊接焊炬結(jié)構(gòu)簡單，但一般需要較大的布置空間，焊接系統(tǒng)也相對復雜。激光束與電弧之間存在一個夾角，這使得復合熱源在工件上的工作區(qū)域是非對稱的，電弧電流的變化會隨時地、且很容易地導致兩個熱源的耦合點偏離，這使得控制雙熱源耦合穩(wěn)定的難度增大；在旁軸布置的方式中，激光束要穿過電弧到達工件表面，當電弧電流較大時，會減弱激光束的能量，這也影響了這種方式的焊接效能的發(fā)揮，通常采用的解決方案只能是采用更大功率的激光器。另外，實際應(yīng)用中，采用旁軸布置方式的激光束電弧復合焊接技術(shù)仍然需要比較精密的焊縫坡口精度才能保證高的焊接質(zhì)量。

與本發(fā)明接近的、一些激光束與電弧采用同軸布置方式的研究成果包括：

一種同軸對稱復合熱源的方法，采用分光鏡將入射激光分為2束對稱分布的激光束，熔化極氣體保護焊（MIG焊）電極由雙光束中間送入。由于雙光束是非封閉的，MIG電極的引入可以避開光束傳輸路徑。聚焦系統(tǒng)將雙光束從電極兩側(cè)對稱地聚焦在焊絲送進方向前端的同一位置，在焊絲不影響光束傳輸?shù)那闆r下實現(xiàn)激光與電弧同軸。該方法存在的不足是激光分光后每束激光束本身與電弧具有一定夾角，雙激光束的對稱軸與電弧軸線很難實現(xiàn)重合，焊絲的送給對激光束到達工件的傳輸有很大影響等。

與本發(fā)明接近的幾項激光束與電弧采用同軸布置方式的研究成果包括：

美國專利US4,689,466描述了一種題為“激光束操作加工設(shè)備”的激光束與電弧同軸布置技術(shù)。該專利描述了一種激光和電弧復合焊接裝置，其中激光束經(jīng)過未收縮的噴嘴匯集到工件表面，環(huán)形的非熔化電極安放在噴嘴末端，在電極和工件表面之間形成電弧放電，輔助氣體經(jīng)過該噴嘴且在被電弧電離化時轉(zhuǎn)變?yōu)榈入x子體，等離子體可以吸收一部分反射的激光能量且將這部分能量傳遞給工件表面。在這種情況下，通常因反射而損失掉的一些激光束的能量被等離子體截獲后應(yīng)用于焊接過程，因此提高了加工效率。也就是說，該系統(tǒng)所提高的耦合效率是因為等離子體回收了一部分通常會損失掉的激光反射能量，耦合效率因此得到提高。

在上述技術(shù)中，由于激光束是與未收縮的電弧相互作用，而等離子體溫度低于等離子弧溫度，因此激光束吸收未收縮電弧的吸收能力是比較低的，如果減小激光器的功率，激光束產(chǎn)生的能量與工件之間的耦合效率并不顯著。另外，如前所述，待焊材料表面達到其沸點溫度時會產(chǎn)生金屬蒸氣羽，該蒸氣羽仍會對激光束發(fā)生遮擋效果；當采用功率較低的激光器時，電弧動態(tài)壓力可能不足以啟動“小孔”工作模式。

與之比較類同的，是一種采用空心鎢極（非熔化電極）形成的電弧與激光束作為復合焊接熱源的技術(shù)，即所謂的激光束與TIG復合焊接裝置。在空心鎢極的尖端與工件之間產(chǎn)生的等離子電弧是沒有被壓縮的，激光束從鎢極中心穿過環(huán)狀電弧到達工件表面，其復合原理如附圖所示。在復合焊接過程中，由于激光束從電弧中心穿過，因而沒有焊接方向性的問題，這尤其適合于三維零件的焊接。雖然調(diào)節(jié)同軸復合的焊接焊炬沒有旁軸復合的焊炬那么復雜，但是鎢極孔徑的大小、鎢極尖端與工件的距離都對焊接質(zhì)量有較大的影響，而且鎢極尖端的燒損會嚴重影響環(huán)狀電弧的形狀，影響焊接過程的穩(wěn)定性和焊縫形狀。

與本發(fā)明接近的、采用激光束與壓縮等離子電弧復合的、已經(jīng)公布的技術(shù)還包括美國專利US5,705,785和US6,388,227所述。這些技術(shù)融合了激光束焊炬與等離子弧焊炬的特點，即都是激光束與被壓縮的等離子電弧復合的焊接技術(shù)。

例如，美國專利US5,705,785描述了一種圓錐形式的非熔化電極，焊炬其余部分就像標準等離子弧焊炬那樣。其中，圓錐形電極的直徑小于激光束從中心穿過時的光斑直徑，使激光束可以部分地照射在圓錐形的電極上。當圓錐電極被激光束輻射加熱時，保護氣體被電離且形成等離子弧。激光束經(jīng)過噴嘴后聚焦在工件上，并且與電極和工件之間的等離子弧相互作用，形成了等離子-激光放電，從而提高了在工件焊點的能量密度。

相比前述各項同軸布置的激光束電弧復合焊接技術(shù)，該技術(shù)因為使用了被壓縮的等離子電弧，部分激光束對電極進行輻射加熱，電流與電極被激光束加熱的綜合效果導致了電子發(fā)射，形成等離子體氣體，等離子體氣體被壓縮、電離進而形成等離子弧，激光束沿其軸向與等離子弧相互作用，形成激光等離子復合放電，因此提高了激光束和等離子電弧的耦合效率。但其顯著的局限性在于，圓錐形電極的可靠性較低，這種電極比較復雜，生產(chǎn)制造的成本高，電極開孔有可能被焊接過程中的熔融金屬飛濺物污染；同時，由于電極結(jié)構(gòu)復雜，同軸布置的激光束與電弧復合焊炬的制造復雜，難以形成標準化。

在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，美國專利US6,388,227提出了一種改進方案：將整體的圓錐形式的電極改為由2根端部帶有球形蓄熱體的圓棒鎢極組合，圓棒鎢極的中心線與激光束的中心線形成一個銳界，并且距離激光束中心線的距離小于激光束的半徑。這種技術(shù)方案的改進之處，在于將整體的環(huán)形電極分界為組合電極。同時，該技術(shù)方案提出了一種通過端部帶球形蓄熱體的正負電極實現(xiàn)脈沖等離子電弧和脈沖激光束匹配的概念，目的是降低金屬蒸氣羽對激光束能量的吸收。

這項技術(shù)方案嘗試盡可能全面地解決以往的技術(shù)方案的諸多缺陷，但限于當時的技術(shù)狀況，改進的功效很難完美地實現(xiàn)，復合焊炬機構(gòu)仍然很復雜和昂貴，甚至幾乎無法重復制造。其局限性還在于，該方案針對交變極性的等離子電源所做的改進僅適用于一些輕金屬焊接；帶有球形蓄熱體的圓棒形組合電極的制造、安裝精度要求很高，電極更換困難。

顯而易見，在上述諸多激光束電弧復合技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，需要進一步地克服當前激光束等離子弧焊炬的上述制約條件和局限，同時適應(yīng)當前多樣的新材料的焊接需要。

另外，對于大多數(shù)用戶來說，由于工作條件的復雜性，很多情況下不得不需要采用不同的焊接方式來完成一項完整的焊接施工工作，例如在焊接焊縫底部和上部的時候。通常情況下的焊炬只能完成一項焊接作業(yè)，這使得焊接操作變得復雜，用戶需要購買多個焊炬并且也花費更多的時間來更換焊炬，影響了焊接效率。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種用于激光束和等離子弧復合焊接的焊炬及其使用方法，通過本發(fā)明，可以在同一把焊炬上實現(xiàn)激光束等離子復合焊接、激光束等離子復合填絲焊接、激光束等離子MIG復合焊接等復合焊接操作，也可以完成激光填絲焊、激光MIG復合焊接、等離子MIG復合焊接等焊接操作，還可以單獨地完成激光束焊接、等離子（填絲或者不填絲）焊接、MIG焊接。

為達到上述目的，本發(fā)明采用了如下技術(shù)方案：

一種用于激光束和等離子弧復合焊接的焊炬，該焊炬包括：

a)焊炬主體，焊炬主體具有輸入端、輸出端及位于輸入端和輸出端之間的中空內(nèi)腔，激光束從輸入端入射從輸出端射出；

b)設(shè)置在焊炬主體輸出端的絕緣襯套，絕緣襯套底部上設(shè)置有與焊炬主體同一中心軸線、用于激光束穿過的開孔；

c)設(shè)置在絕緣襯套輸出端的壓縮噴嘴及包圍在壓縮噴嘴外面的保護噴嘴；壓縮噴嘴具有以焊炬主體中心軸線為中心的通孔和截平面，壓縮噴嘴的截平面垂直于焊炬主體中心軸線；

d）設(shè)置在絕緣襯套兩側(cè)的兩個等離子電極，兩個等離子電極在壓縮噴嘴的通孔上方形成狹縫，狹縫中心線與焊接方向一致，焊炬主體中心軸線穿過狹縫中心，狹縫寬度小于所述激光束穿過該狹縫時的直徑。

進一步，每個等離子電極的縱軸線和所述焊炬主體中心軸線形成一個朝向焊接工件的銳角，該銳角在2-89度之間。

進一步，所述狹縫寬度為0.1-1.5mm，所述狹縫距離所述壓縮噴嘴的截平面的距離在1-5mm。

壓縮噴嘴和所述等離子電極之間的區(qū)域內(nèi)輸入有保護氣體，保護噴嘴與壓縮噴嘴之間輸入有保護氣體。

更進一步，該焊炬還包括設(shè)置在焊炬主體下部的送絲管，送絲管設(shè)置在沿焊接方向的相反一側(cè)，所述送絲管的縱軸線與所述焊炬主體中心線成銳角并相交于工件的焊接點上，該銳角為20-80度。

更進一步，還包括設(shè)置在焊炬主體下部、布置在焊接方向相反一側(cè)的MIG焊接用的熔化極電極和噴嘴，所述熔化極電極位于所述噴嘴內(nèi)部并與所述噴嘴具有同一軸線，所述熔化極電極與所述焊炬主體的中心軸線呈銳角布置，該銳角為0-45度。

熔化極電極的縱軸線與工件相交點與焊炬主體中心線的距離為D，D為3-15mm。

上述焊炬的使用方法，包括：在關(guān)閉所述激光束源的情況下可以單獨地進行等離子電弧焊接操作；在關(guān)閉等離子源的情況下，調(diào)整所述等離子電極狹縫的寬度，就可以單獨地進行激光束焊接操作。

在關(guān)閉所述激光束源的情況下可以單獨地進行等離子電弧焊接、等離子電弧填絲焊接操作；在關(guān)閉等離子源的情況下，只需要調(diào)整所述等離子電極狹縫的寬度，就可以單獨地進行激光束焊接、激光束填絲焊接操作。

在關(guān)閉所述激光束源、關(guān)閉所述等離子源的情況下，可以單獨地進行MIG電弧焊接操作；在關(guān)閉所述等離子源、所述MIG電源的情況下，只需要調(diào)整所述等離子電極狹縫的寬度，就可以單獨地進行激光束焊接、激光束填絲焊接操作；如果僅關(guān)閉所述等離子源，則可以進行激光束MIG復合焊接；如果關(guān)閉激光束源和所述MIG電源，則可以進行等離子電弧焊接、等離子電弧填絲焊接；如果僅關(guān)閉激光束源，則可以進行等離子MIG復合焊接；如果僅關(guān)閉MIG電源，則可以進行激光束等離子復合焊接、激光束等離子填絲焊接。

激光束等離子弧復合焊接焊炬，是利用激光束和等離子弧的耦合能量進行焊接操作的復合焊炬，利用本發(fā)明的裝置，可以采用較小功率的激光器在工件表面獲得高的復合熱源耦合效率，消除了一些激光束焊接的缺陷，包括工件必須具備非常精確尺寸、焊道凝固快（可能有氣孔及脆化）、設(shè)備昂貴等。利用本發(fā)明的裝置，同時還消除了一些等離子焊接的缺陷，包括焊接效率較低、不能焊接較厚工件等。消除了現(xiàn)有一些激光束等離子復合焊接裝置的缺陷，包括焊炬結(jié)構(gòu)復雜、制造和安裝難度大、應(yīng)用范圍較窄等。

所述焊炬，是以常規(guī)的等離子焊接焊炬為基礎(chǔ)、接入激光束的復合焊炬，主要包括激光束光源和等離子電極、噴嘴和氣體保護裝置，激光束與等離子噴嘴采用同軸方式布置。在焊接起弧過程中，部分激光束入射在電極上，并在電極與噴嘴之間建立起等離子電弧，該等離子弧經(jīng)過噴嘴被壓縮后，與工件之間建立起工作電弧。因此，本發(fā)明也適用于采用脈沖式等離子焊接的情況。

等離子電極是指一種具有狹縫式形狀的組合電極，并且，等離子電極的狹縫的中心線與焊接方向一致。在焊接過程中，激光束的一部分入射到電極上，激發(fā)電極形成高密度能量的等離子電弧，與電極電流產(chǎn)生的等離子電弧耦合疊加，形成能量密度較高的等離子電??；激光束的另一部分穿過電極的狹縫，并穿過被壓縮的能量密度較高的等離子電弧，并與并與這種等離子電弧共

狹縫式電極由2根（或1根，或數(shù)量更多）、端部具有多邊形或矩形或長方形或橢圓形的電極組成，2根電極的軸線與激光束中心線互成銳界布置，在電極端部形成一個狹直的縫，該狹縫的中心線與焊接方向一致，狹縫的寬度小于激光束直徑。在本發(fā)明中，由于只需要控制狹縫的寬度尺寸，因此比較容易實現(xiàn)電極的安裝。同時，即使激光束沿狹縫中心線存在微量的移動，一部分的激光束也很容易穿過狹縫并在工件表面聚焦。

所述激光束等離子弧復合焊接技術(shù)的焊炬，其狹縫式電極的端部在朝向噴嘴的方向是平面的（可以通過對電極端部進行簡單的加工得到該平面形狀），該平面的形狀是多邊形或矩形或長方形或橢圓形。根據(jù)本發(fā)明，可以保證電極具有較大的面積發(fā)射電子流，同時，在焊接過程中，即使電極有部分燒損，只要不影響部分激光束穿過狹縫，就不會不妨礙焊接過程。

所述激光束等離子弧復合焊接技術(shù)的焊炬，其狹縫式等離子電極也可以由1根、端部具有錐度的多邊形或矩形或長方形或橢圓形的電極組成，電極的軸線與激光束中心線成銳界布置，電極的端部在朝向噴嘴的方向是平面的。電極端部距離激光束中心線的距離小于激光束的半徑。

在焊接鋁合金、鎂合金或者其它的需要采用變極性等離子電源的場合，本發(fā)明同樣適用。同時，在等離子電極的端部涂覆釷、鑭、鋯等合金，有利于延長電極的使用壽命，也有利于提高焊接過程的穩(wěn)定性。

所述激光束等離子弧復合焊接技術(shù)的焊炬，在焊炬的沿焊接方向的另一側(cè)布置送絲頭（與送絲機連接），且送絲管的軸線與激光束中心線成銳角（該角度可調(diào)），則組成了激光束等離子弧復合填絲焊接焊炬。本發(fā)明的重點在于，如果采用熔化極氣體保護焊（即MAG/MIG焊接方式）的送絲頭，則成為一種激光束等離子弧與MIG復合焊接技術(shù)的焊炬；如果送絲機構(gòu)不引入電流，則成為一種激光束等離子弧復合填絲焊接技術(shù)的焊炬。

所述激光束等離子MIG多功能復合焊炬，是指本發(fā)明焊炬所附帶的各種焊接方法都可以在其它焊接方法關(guān)閉的情況下均可以100%地單獨地運行，并且可以兩兩組合實現(xiàn)復合焊接操作。例如，當其它的焊接方法關(guān)閉，包括等離子電源關(guān)閉的情況下，可以通過調(diào)節(jié)等離子電極狹縫的寬度，使激光束全部地通過狹縫和壓縮噴嘴，并且聚焦在工件上，從而實現(xiàn)單獨的激光束焊接。除了激光束以外，等離子焊接和MIG焊接都可以在其它焊接方法關(guān)閉的情況下、且無需對焊炬做調(diào)整，即可以100%地單獨地運行。例如，如果采用激光束等離子弧復合焊炬，除了所述激光束等離子弧復合焊接外，在其它焊接方法關(guān)閉的情況下，也可以單獨地進行激光束焊接和等離子電弧焊接；如果采用激光束等離子弧復合填絲焊炬，除了所述激光束等離子弧復合填絲焊接外，在其它焊接方法關(guān)閉的情況下，則可以實現(xiàn)激光束焊接、激光束填絲焊接，以及等離子焊接和等離子填絲焊接；如果采用激光束等離子弧MIG復合焊炬，除了所述激光束等離子弧MIG復合焊接外，在其它焊接方法關(guān)閉的情況下，則可以實現(xiàn)激光束焊接、激光束填絲焊接、激光束等離子復合焊接、激光束等離子復合填絲焊接、激光束MIG復合焊接、等離子電弧焊接、等離子填絲焊接、等離子MIG復合焊接、MIG焊接操作等。

本發(fā)明具有的技術(shù)效果：

（1）、本發(fā)明提供了一種將激光束與被壓縮的等離子弧復合焊接的方法和焊炬，其最重要的效果包括：在激光束和電流的雙重作用下形成的更高能量密度的等離子電弧，在工件表面與激光束耦合，因此可以獲得比常規(guī)的激光束與電弧復合焊接更高的復合熱源耦合效率。本發(fā)明實現(xiàn)上述機理的方法是采用一種帶狹縫的組合電極，利用這種制造、安裝、操作相對簡易的復合焊接焊炬，本發(fā)明提供了一種成本更低的、可以獲得類似較高功率的激光束焊接能力和效率、同時消除了一些激光焊接缺陷的焊接方法，同時也提供了一種更高效的等離子焊接方法，不僅消除了一些等離子焊接的嚴重局限性，而且可以獲得接近于激光束焊接的質(zhì)量和效率。

（2）、利用本發(fā)明，使激光束等離子弧復合填絲焊接成為可能。這種激光束等離子弧復合填絲焊接方法極大地擴展了等離子焊接的應(yīng)用范圍，可以獲得接近于激光束焊接的能力和效率，同時有利于改善焊縫和接頭的性能，適合于焊接各種鋼材和有色金屬，焊接工件的厚度范圍也得到擴展。

（3）、本發(fā)明還提供了一種激光束等離子弧復合MIG焊接方法，相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明消除了一些現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，可以用較小功率的激光器完成高效率的焊接作業(yè)，有利于降低激光束電弧復合焊接系統(tǒng)的設(shè)備成本。同時，由于具有比常規(guī)的等離子電弧更高的熱源耦合效率，這種激光束等離子弧復合MIG焊接方法非常適合于中厚板高強鋼的焊接，焊接質(zhì)量優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。

（4）、本發(fā)明的另一個重要的效果，是簡化了復合焊炬電極結(jié)構(gòu)，便于制造、安裝和操作，包括更換電極。本發(fā)明適合采用最新的激光器技術(shù)和等離子電源技術(shù)，焊炬可能進一步減小尺寸，這將更加便于焊接施工，而且有利于降低復合焊炬的成本。

（5）、本發(fā)明的另一個重要的效果，是焊炬具有多項焊接功能，可以單獨地運行某一種焊接方法的操作，也可以單獨地運行某一種復合焊接方法的操作，這可以大大簡化對某一具體工件的焊接操作，不需要對焊炬進行調(diào)整或者僅需要很少的調(diào)整，就可以采用不同的焊接方法完成復雜的焊接工作。這對于自動化焊接生產(chǎn)線來說是很有意義的。

附圖說明

下面結(jié)合附圖對本發(fā)明進一步說明：

圖1為本發(fā)明實施例1所述的激光束與等離子弧復合焊炬。

圖2為本發(fā)明實施例2所述的激光束與等離子弧復合填絲焊炬。

圖3為本發(fā)明實施例3所述的激光束等離子弧與MIG復合焊炬。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖說明和具體實施方式對本發(fā)明作進一步描述：

實施例1

本發(fā)明的焊炬100包括焊炬主體110，其具有中心軸線111和空腔113。在焊炬主體110的一端上有光學系統(tǒng)，其包括透鏡112。透鏡112用于聚焦入射激光束114，從而光束114與焊炬主體110的中心軸線111共線且被聚焦于位于焊炬100之外的一個焦點FP。

在圖1中，焊炬主體110包括2個（或1個，或4個電極且兩兩相對布置）電極130和230、壓縮噴嘴120，壓縮噴嘴外部還有圓錐形的、與壓縮噴嘴120同心布置的保護噴嘴，壓縮噴嘴120內(nèi)外（壓縮噴嘴120與保護噴嘴之間）都通入保護氣體。激光束114在2個電極組成的狹縫處具有一定的半徑r1，在壓縮噴嘴120的開孔處具有一定的半徑r2。

由電絕緣材料制作的絕緣襯套160設(shè)置在焊炬主體110的輸出端。絕緣襯套160具有為通過激光束114的開孔以及用于安放電極130、230的空腔。

個（或1個，或4個兩兩相對布置）電極130和230在壓縮噴嘴120的開孔上部組成一個狹縫，狹縫的寬度為d，2個（或1個，或4個兩兩相對布置）電極130和230的下端面距離壓縮噴嘴120的開孔上表面的距離為h。

壓縮噴嘴120的遠端處的下截平面垂直于中心軸線111，其通孔具有半徑R，該半徑R大于激光束位于壓縮噴嘴120開孔處的半徑r2。半徑R的范圍最好是在0.5mm至5mm之間，不應(yīng)阻擋激光束114通過壓縮噴嘴。

根據(jù)發(fā)明人的試驗測試，電極130和230在壓縮噴嘴120的開孔上部組成的狹縫寬度d范圍可在0.1mm至1.5mm之間；距離壓縮噴嘴120的開孔上表面距離為h范圍可在1mm至5mm之間；激光束114在2個電極組成的狹縫處的半徑r1范圍可在0.1mm至1.5mm之間，半徑r1的數(shù)值應(yīng)大于電極狹縫的寬度d的一半，因此部分激光束會入射到電極狹縫的邊緣，最好效果是保證激光束在這個截面上入射到電極上的熱量足夠引燃電極和壓縮噴嘴之間的等離子弧，同時便于電極安裝。至少1個電極可沿其縱軸線往復運動，這樣便于調(diào)整2個電極端部的狹縫寬度。

兩個電極130、230的縱軸線131、231在壓縮噴嘴120的截平面附近與中心軸線111相交。電極130、230的縱軸線132、232與中心軸線111形成一個朝向主體110的銳角A。銳角A的范圍最優(yōu)選是在2°至89°之間，最好效果是保證部分激光束入射在電極端部上且足夠引燃電極和壓縮噴嘴之間的等離子弧，同時便于電極安裝、不會使焊炬尺寸過于笨重。

為了運行本發(fā)明的焊炬100，一般是在電極230和工件180之間建立電流。由外激光源(未示出)提供的激光束114穿過透鏡112沿主體110的中心軸線111共線傳播。壓縮噴嘴120引導等離子體流，其與中心軸線111和激光束114共線，因此在工件180的表面上形成高能量密度斑點，即在非常小范圍的區(qū)域具有源自焊炬100的高度聚集的能量。激光束114沿焊炬主體110的中心軸線111傳播，電極130、230被部分激光束114加熱并在壓縮噴嘴之間的空腔里形成等離子弧，繼而在壓縮噴嘴120和工件180之間建立起被壓縮的等離子??；激光束114被聚焦到在焊炬主體110之外的焦點FP，在焊接主體110與工件180之間的區(qū)域內(nèi)形成的被壓縮的等離子體弧與透過壓縮噴嘴120的激光束114相互作用且產(chǎn)生更加高度收縮的等離子體弧，其具有很高的能量密度且被傳遞至工件180。

電極130、230組成的電極狹縫的寬度d小于激光束114的直徑（2 x r1）。利用這樣的幾何形狀構(gòu)型，一部分激光束114被電極130、230組成的狹縫邊緣區(qū)域吸收，這導致了電極130、230的端部發(fā)熱，由此增強電子發(fā)射，并在電極130和230與壓縮噴嘴120之間的腔室建立起等離子弧，從而完成了激光引弧。

在電極與壓縮噴嘴120之間形成的等離子電弧經(jīng)過噴嘴120壓縮后，與激光束114相互作用形成激光等離子復合放電，與工件180之間建立高能量的等離子弧，并且直接作用在工件180上。相比單獨的激光束或者等離子電弧而言，本發(fā)明焊炬提高了工件180表面的能量密度，進而提高了耦合效率。

當激光束114射入工件180時，工件180表面氣化形成表面等離子體射流。由于表面射流的電離電位低于一般的噴嘴和保護氣體的電離電位，增強了激光斑點上方處的等離子體導電性，使等離子弧進一步收縮，因此提高了工件180處的能量密度和耦合效率。

復合式激光和等離子弧相互作用也具有收縮并穩(wěn)定等離子弧的附加效果。與常規(guī)的等離子電弧相比，在被部分激光束附加加熱的情況下，電極尖端附近有更大的體積處于高溫，因此提高了等離子內(nèi)的電流密度。另外，當激光束114與等離子體相互作用且被其吸收時，沿激光束軸線的等離子體溫度和電流密度也被提高。

在激光束114與等離子弧之間增強的相互作用中發(fā)生的主要物理作用包括①等離子弧收縮產(chǎn)生更高的能量密度；②縮小工件180上的熱影響區(qū)域或熱斑點；③提高等離子體溫度；④提高等離子弧穩(wěn)定性；⑤減小能耗?？偟膬粜Ч窃诠ぜ?80上產(chǎn)生較高的能量密度斑點，激光束與電弧復合能量更高效地耦合并傳遞至工件180上。

眾所周知的是，通過等離子弧或等離子體射流形成透孔作為激光束114的黑面輻射體，由此增強了工件180對激光束114能量的吸收。

另外，本發(fā)明也采納一些成熟的技術(shù)方案，例如在鎢金屬制造的陰極表面涂覆例如釷、鑭和鋯的金屬氧化物，可以提高鎢極的使用壽命。根據(jù)本發(fā)明，由于電極被激光束加熱，使得電極熱斑尺寸增大，這就減輕了電極斑點的峰值溫度，因此會顯著延長電極使用壽命。

實施例2

如圖2所示，在實施例1的基礎(chǔ)上，焊炬100還包括了用于激光束等離子填絲焊的送絲管330，該送絲管330與焊炬主體100的中心軸線111呈銳角布置，且布置在焊炬100的沿焊接方向的相反側(cè)，送絲管330與焊炬主體100的中心軸線111之間銳角的范圍最優(yōu)選是在20°至80°之間，最好效果是保證焊絲與等離子弧在工件180上表面相交，同時不會使焊炬尺寸過于笨重。送絲管330的縱軸線332與焊炬主體的中心線111相交于工件180上表面。

實施例3

如圖3所示，在實施例1的基礎(chǔ)上，焊炬100還包括了用于激光束等離子MIG焊接用的熔化極電極導電嘴430、送絲管431和保護氣套432，導電嘴430位于保護氣套432內(nèi)部并與432同心；該導電嘴430與焊炬主體100的中心軸線111呈銳角布置，該銳角在0至60度范圍內(nèi)，且布置在焊炬100的沿焊接方向的相反一側(cè)，其縱軸線432與焊炬主體110的中心線111相交于工件180上表面之下，并與焊炬中心線111在工件180上表面的交點的距離為D；D被定義為熔化極電弧在工件180表面上的電弧沖擊點和非熔化電極（130,230）的等離子電弧沖擊點之間的距離，距離D的范圍在3至15mm內(nèi)，且該距離D可以根據(jù)不同焊接參數(shù)進行調(diào)節(jié)。

對于所屬技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員而言，隨著技術(shù)的發(fā)展，本發(fā)明構(gòu)思可以不同方式實現(xiàn)。本發(fā)明的實施方式并不僅限于以上描述的實施例，而且可在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進行變化。而且應(yīng)該理解的是，本文所用的措辭和術(shù)語是用于說明的，而不應(yīng)被認為是限制性的。因此，參照附圖和所附說明來更好地理解根據(jù)本發(fā)明的激光和等離子弧復合焊炬的組成部件、運行和實施方法。應(yīng)該注意，在此所示的本發(fā)明示意圖只用于示范性目的，而并非想要是限制性的。