一種用于激光束和等離子弧復(fù)合焊接的焊炬的制作方法

本實(shí)用新型涉及一種用于金屬材料的焊接、涂覆的焊炬裝置，確切地說(shuō)，是涉及激光和等離子弧復(fù)合焊接的焊炬，以及采用本實(shí)用新型的激光和等離子弧復(fù)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(wú)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(dòng)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(jì)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(lái)熔化工件進(jìn)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(dòng)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(diǎn)是能夠進(jìn)行一道次、相對(duì)快速的材料焊接，接頭準(zhǔn)備工作最少。另外，因?yàn)榈入x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(diǎn)，但仍存在幾項(xiàng)嚴(yán)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(diǎn)中的能量密度依賴于等離子弧內(nèi)的傳熱機(jī)理。當(dāng)電弧溫度提高時(shí)，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(duì)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(dǎo)因素，因此，實(shí)際上無(wú)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(lái)提高功率密度的嘗試都會(huì)降低焊接效率；如果嘗試提高焊接速度，等離子弧會(huì)變得不穩(wěn)定，工件上的熱斑會(huì)落在焊炬軸線之后，這是導(dǎo)致焊接質(zhì)量差的一個(gè)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(jìn)行焊接的高效精密加工方法?！靶】住蹦Ｊ降募す馐附涌梢蕴峁┫鄬?duì)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(xì)小、接頭性能好等優(yōu)點(diǎn)。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(hù)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(dǎo)纖維將激光束引導(dǎo)到難以接近的部位進(jìn)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(shí)現(xiàn)工件的三維自動(dòng)化焊接。

激光束焊也具有幾項(xiàng)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(lái)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(duì)“小孔”內(nèi)壁所產(chǎn)生的壓力對(duì)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(huì)造成激光束反射；實(shí)際上，等離子體的密度變得過低或過高，都會(huì)導(dǎo)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(dòng)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(lái)說(shuō)，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(duì)復(fù)雜的夾治具，以確保激光束熱斑與焊件的最終位置對(duì)準(zhǔn)；對(duì)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(duì)于高反射性及高導(dǎo)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(dāng)進(jìn)行高能量焊接時(shí)，激光束焊接的性能會(huì)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(huì)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(jìn)行復(fù)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(fù)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(hù)焊GMAW或脈沖激光與熔化極氣體保護(hù)焊GMAW-P 復(fù)合焊接）、激光束與電弧同軸布置（典型的如激光與TIG電弧復(fù)合焊接）兩大類。

這些技術(shù)的特點(diǎn)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(fù)合，其中，激光束的高能量密度在復(fù)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(yuǎn)遠(yuǎn)寬于激光束，復(fù)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(lái)說(shuō)，激光束和電弧復(fù)合焊接有以下顯著的優(yōu)點(diǎn)：

(l)在電弧的作用下，復(fù)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(shí)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(dá)焊縫的深處，其次，電弧會(huì)增加金屬工件對(duì)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(shí)間，使熱影響區(qū)減??；同時(shí)，電弧能夠減緩熔池的凝固時(shí)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(duì)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(fù)合熱源可以提高焊接速度，當(dāng)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(fù)合焊接具有許多重要優(yōu)點(diǎn)，但仍存在幾項(xiàng)嚴(yán)重的局限性，這使得許多激光束電弧復(fù)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(fù)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(fù)合焊接焊炬結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但一般需要較大的布置空間，焊接系統(tǒng)也相對(duì)復(fù)雜。激光束與電弧之間存在一個(gè)夾角，這使得復(fù)合熱源在工件上的工作區(qū)域是非對(duì)稱的，電弧電流的變化會(huì)隨時(shí)地、且很容易地導(dǎo)致兩個(gè)熱源的耦合點(diǎn)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(dá)工件表面，當(dāng)電弧電流較大時(shí)，會(huì)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(shí)際應(yīng)用中，采用旁軸布置方式的激光束電弧復(fù)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。

與本實(shí)用新型接近的、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(duì)稱復(fù)合熱源的方法，采用分光鏡將入射激光分為2束對(duì)稱分布的激光束，熔化極氣體保護(hù)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(duì)稱地聚焦在焊絲送進(jìn)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(shí)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(duì)稱軸與電弧軸線很難實(shí)現(xiàn)重合，焊絲的送給對(duì)激光束到達(dá)工件的傳輸有很大影響等。與本實(shí)用新型接近的幾項(xiàng)激光束與電弧采用同軸布置方式的研究成果包括：

美國(guó)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(fù)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(shí)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(shuō)，該系統(tǒng)所提高的耦合效率是因?yàn)榈入x子體回收了一部分通常會(huì)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(dá)到其沸點(diǎn)溫度時(shí)會(huì)產(chǎn)生金屬蒸氣羽，該蒸氣羽仍會(huì)對(duì)激光束發(fā)生遮擋效果；當(dāng)采用功率較低的激光器時(shí)，電弧動(dòng)態(tài)壓力可能不足以啟動(dòng)“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(fù)合焊接熱源的技術(shù)，即所謂的激光束與TIG復(fù)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(dá)工件表面，其復(fù)合原理如附圖所示。在復(fù)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(fù)合的焊接焊炬沒有旁軸復(fù)合的焊炬那么復(fù)雜，但是鎢極孔徑的大小、鎢極尖端與工件的距離都對(duì)焊接質(zhì)量有較大的影響，而且鎢極尖端的燒損會(huì)嚴(yán)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。

與本實(shí)用新型接近的、采用激光束與壓縮等離子電弧復(fù)合的、已經(jīng)公布的技術(shù)還包括美國(guó)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(diǎn)，即都是激光束與被壓縮的等離子電弧復(fù)合的焊接技術(shù)。

例如，美國(guó)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)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(dāng)圓錐電極被激光束輻射加熱時(shí)，保護(hù)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(diǎn)的能量密度。

相比前述各項(xiàng)同軸布置的激光束電弧復(fù)合焊接技術(shù)，該技術(shù)因?yàn)槭褂昧吮粔嚎s的等離子電弧，部分激光束對(duì)電極進(jìn)行輻射加熱，電流與電極被激光束加熱的綜合效果導(dǎo)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(jìn)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(fù)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(fù)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(shí)，由于電極結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同軸布置的激光束與電弧復(fù)合焊炬的制造復(fù)雜，難以形成標(biāo)準(zhǔn)化。

在上述技術(shù)的基礎(chǔ)上，美國(guó)專利US6,388,227提出了一種改進(jìn)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(gè)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(jìn)之處，在于將整體的環(huán)形電極分界為組合電極。同時(shí)，該技術(shù)方案提出了一種通過端部帶球形蓄熱體的正負(fù)電極實(shí)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(duì)激光束能量的吸收。

這項(xiàng)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(dāng)時(shí)的技術(shù)狀況，改進(jìn)的功效很難完美地實(shí)現(xiàn)，復(fù)合焊炬機(jī)構(gòu)仍然很復(fù)雜和昂貴，甚至幾乎無(wú)法重復(fù)制造。其局限性還在于，該方案針對(duì)交變極性的等離子電源所做的改進(jìn)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(fù)合技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，需要進(jìn)一步地克服當(dāng)前激光束等離子弧焊炬的上述制約條件和局限，同時(shí)適應(yīng)當(dāng)前多樣的新材料的焊接需要。

另外，對(duì)于大多數(shù)用戶來(lái)說(shuō)，由于工作條件的復(fù)雜性，很多情況下不得不需要采用不同的焊接方式來(lái)完成一項(xiàng)完整的焊接施工工作，例如在焊接焊縫底部和上部的時(shí)候。通常情況下的焊炬只能完成一項(xiàng)焊接作業(yè)，這使得焊接操作變得復(fù)雜，用戶需要購(gòu)買多個(gè)焊炬并且也花費(fèi)更多的時(shí)間來(lái)更換焊炬，影響了焊接效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本實(shí)用新型提供了一種用于激光束和等離子弧復(fù)合焊接的焊炬及其使用方法，通過本實(shí)用新型，可以在同一把焊炬上實(shí)現(xiàn)激光束等離子復(fù)合焊接、激光束等離子復(fù)合填絲焊接、激光束等離子MIG復(fù)合焊接等復(fù)合焊接操作，也可以完成激光填絲焊、激光MIG復(fù)合焊接、等離子MIG復(fù)合焊接等焊接操作，還可以單獨(dú)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(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用了如下技術(shù)方案：

一種用于激光束和等離子弧復(fù)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(hù)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(gè)等離子電極，兩個(gè)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(shí)的直徑。

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

進(jìn)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(hù)氣體，保護(hù)噴嘴與壓縮噴嘴之間輸入有保護(hù)氣體。

更進(jìn)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(diǎn)上，該銳角為20-80度。

更進(jìn)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(diǎn)與焊炬主體中心線的距離為D，D為3-15mm。

本實(shí)用新型具有的技術(shù)效果：

（1）、本實(shí)用新型提供了一種將激光束與被壓縮的等離子弧復(fù)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(fù)合焊接更高的復(fù)合熱源耦合效率。本實(shí)用新型實(shí)現(xiàn)上述機(jī)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(duì)簡(jiǎn)易的復(fù)合焊接焊炬，本實(shí)用新型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(shí)消除了一些激光焊接缺陷的焊接方法，同時(shí)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(yán)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）、利用本實(shí)用新型，使激光束等離子弧復(fù)合填絲焊接成為可能。這種激光束等離子弧復(fù)合填絲焊接方法極大地?cái)U(kuò)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(shí)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(kuò)展。

（3）、本實(shí)用新型還提供了一種激光束等離子弧復(fù)合MIG焊接方法，相比現(xiàn)有技術(shù)，本實(shí)用新型消除了一些現(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(fù)合焊接系統(tǒng)的設(shè)備成本。同時(shí)，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(fù)合MIG焊接方法非常適合于中厚板高強(qiáng)鋼的焊接，焊接質(zhì)量?jī)?yōu)于現(xiàn)有技術(shù)。

（4）、本實(shí)用新型的另一個(gè)重要的效果，是簡(jiǎn)化了復(fù)合焊炬電極結(jié)構(gòu)，便于制造、安裝和操作，包括更換電極。本實(shí)用新型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(jìn)一步減小尺寸，這將更加便于焊接施工，而且有利于降低復(fù)合焊炬的成本。

（5）、本實(shí)用新型的另一個(gè)重要的效果，是焊炬具有多項(xiàng)焊接功能，可以單獨(dú)地運(yùn)行某一種焊接方法的操作，也可以單獨(dú)地運(yùn)行某一種復(fù)合焊接方法的操作，這可以大大簡(jiǎn)化對(duì)某一具體工件的焊接操作，不需要對(duì)焊炬進(jìn)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(fù)雜的焊接工作。這對(duì)于自動(dòng)化焊接生產(chǎn)線來(lái)說(shuō)是很有意義的。

附圖說(shuō)明

下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明：

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例1所述的激光束與等離子弧復(fù)合焊炬。

圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例2所述的激光束與等離子弧復(fù)合填絲焊炬。

圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例3所述的激光束等離子弧與MIG復(fù)合焊炬。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說(shuō)明和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步描述：

實(shí)施例1

本實(shí)用新型的焊炬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(xué)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(gè)焦點(diǎn)FP。

在圖1中，焊炬主體110包括2個(gè)（或1個(gè)，或4個(gè)電極且兩兩相對(duì)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(hù)噴嘴，壓縮噴嘴120內(nèi)外（壓縮噴嘴120與保護(hù)噴嘴之間）都通入保護(hù)氣體。激光束114在2個(gè)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(gè)（或1個(gè)，或4個(gè)兩兩相對(duì)布置）電極130和230在壓縮噴嘴120的開孔上部組成一個(gè)狹縫，狹縫的寬度為d，2個(gè)（或1個(gè)，或4個(gè)兩兩相對(duì)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(yuǎn)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)實(shí)用新型人的試驗(yàn)測(cè)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(gè)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(huì)入射到電極狹縫的邊緣，最好效果是保證激光束在這個(gè)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(shí)便于電極安裝。至少1個(gè)電極可沿其縱軸線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這樣便于調(diào)整2個(gè)電極端部的狹縫寬度。

兩個(gè)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(gè)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(shí)便于電極安裝、不會(huì)使焊炬尺寸過于笨重。

為了運(yùn)行本實(shí)用新型的焊炬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(dǎo)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(diǎn)，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(diǎn)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(dǎo)致了電極130、230的端部發(fā)熱，由此增強(qiáng)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(fù)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(dú)的激光束或者等離子電弧而言，本實(shí)用新型焊炬提高了工件180表面的能量密度，進(jìn)而提高了耦合效率。

當(dāng)激光束114射入工件180時(shí)，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(hù)氣體的電離電位，增強(qiáng)了激光斑點(diǎn)上方處的等離子體導(dǎo)電性，使等離子弧進(jìn)一步收縮，因此提高了工件180處的能量密度和耦合效率。

復(fù)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(dāng)激光束114與等離子體相互作用且被其吸收時(shí)，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(qiáng)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(diǎn)；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(diǎn)，激光束與電弧復(fù)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(qiáng)了工件180對(duì)激光束114能量的吸收。

另外，本實(shí)用新型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)本實(shí)用新型，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(diǎn)的峰值溫度，因此會(huì)顯著延長(zhǎng)電極使用壽命。

實(shí)施例2

如圖2所示，在實(shí)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度至80度之間，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(shí)不會(huì)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(shí)施例3

如圖3所示，在實(shí)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(dǎo)電嘴430、送絲管431和保護(hù)氣套432，導(dǎo)電嘴430位于保護(hù)氣套432內(nèi)部并與432同心；該導(dǎo)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(diǎn)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(diǎn)和非熔化電極（130,230）的等離子電弧沖擊點(diǎn)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(jìn)行調(diào)節(jié)。

對(duì)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，本實(shí)用新型構(gòu)思可以不同方式實(shí)現(xiàn)。本實(shí)用新型的實(shí)施方式并不僅限于以上描述的實(shí)施例，而且可在權(quán)利要求的范圍內(nèi)進(jìn)行變化。而且應(yīng)該理解的是，本文所用的措辭和術(shù)語(yǔ)是用于說(shuō)明的，而不應(yīng)被認(rèn)為是限制性的。因此，參照附圖和所附說(shuō)明來(lái)更好地理解根據(jù)本實(shí)用新型的激光和等離子弧復(fù)合焊炬的組成部件、運(yùn)行和實(shí)施方法。應(yīng)該注意，在此所示的本實(shí)用新型示意圖只用于示范性目的，而并非想要是限制性的。