激光-電弧復合焊接是將激光和電弧這兩種不同的熱源耦合共同作用于同一區域。相對單一熱源，激光-電弧復合焊接具有熔深大、速度快、穩定性高、允許的坡口間隙大以及氣孔少等特點，在汽車、造船、橋梁、起重機械等領域得到了越來越廣泛的應用。

　　作為激光焊接的重要補充和發展，激光-電弧復合焊接相對激光焊接的優勢之一是通過焊接材料的添加，調整焊縫的合金元素成分，改善焊縫組織與性能。焊接材料添加的合金元素在焊縫中的均勻分布是體現激光-電弧復合焊接這一優勢的關鍵。然而，對于窄而深的激光-電弧復合焊焊縫，尤其是大板厚焊接結構條件下，實現合金元素的均勻分布是非常困難的。目前，激光-電弧復合焊接焊縫合金元素均勻化得到了越來越多的關注，但相關的研究結果較少。其中，利用CO2激光-MAG復合焊焊接了600MPa級高強鋼，對焊接接頭組織和性能進行了研究。他們發現，焊縫上部Mo、Mn元素的含量遠高于焊縫下部，合金元素的分布不均勻。而且，此研究中所采用的激光功率為2.4kW，焊縫熔深約為4mm，在這樣的情況下獲得均勻化的焊縫尚且較困難，可知對于中厚板激光-電弧復合焊接，熔深超過10mm，焊縫中合金元素的均勻化分布將更為困難。另外，采用附加磁場的方法“攪拌”熔池，促進了激光焊接熔池流動。盡管隨著勵磁電流的增大，激光焊縫中Si元素均勻化程度有所提高，但其仍存在明顯偏析現象，并沒有獲得合金元素的均勻分布。由上可知，實現激光-電弧復合焊焊縫合金元素的均勻化需要進行深入的研究和分析。

　　因此，本文研究了焊接工藝參數對CO2激光-熔化極氣體保護(GMA)復合焊焊縫合金元素分布的影響規律，并討論了熔池流動行為與合金元素分布的關系。

　　焊接試件為11mm厚的低碳鋼板，圖1所示的是CO2激光-GMA復合焊接試驗示意圖。焊接試驗采用平板熔透焊接方式，使用20kW的CO2激光器，聚焦透鏡焦距500mm，激光光軸垂直于試件表面，與GMA焊炬軸線呈35度。激光焦點位置位于試件表面，激光保護氣體為He氣，流量50L/min。利用脈沖GMA焊獲得一脈沖一滴的熔滴過渡方式，脈沖頻率、峰值電壓、基值電壓、峰值電流、基值電流和脈寬分別為200Hz、41V、36V、470~480A、90~100A和2.5ms，電弧保護氣體為He-38%、Ar-2%，流量為20L/min。焊接試驗中，激光-電弧距離為5mm，焊接材料為低合金焊絲，調節焊接速度、焊接方向、接頭形式和坡口間隙等工藝參數：
        (1)焊接速度分別為0.7、1.0和2.0m/min，為了實現熔透焊接，以上焊接速度對應的激光功率分別為7.5、8和12kW；
        (2)在激光功率為8kW、焊接速度為1.0m/min的條件下，焊接方向分別為激光在前(LL)和電弧在前(LA)，并采用平板堆焊(BOP)和I型坡口平板對接焊(I-butt)兩種接頭形式，I型坡口間隙分別為0、0.5、1.0mm。

     圖1  CO2激光-GMA 復合焊接試驗裝置(焊接方向為電弧在前)

圖2  X射線透射成像系統

　　由于焊接熔池流動會影響焊縫合金元素的分布，因此對激光-電弧復合焊接過程中熔池流動進行了觀察。利用高速攝影技術對試件表面的熔池流動進行了觀察，采用Al2O3顆粒作為示蹤粒子，Al2O3顆粒的移動代表了熔池表面的流動行為。同時利用X射線透射成像系統觀測了試件內部的熔池流動，X射線透射成像系統如圖2所示。焊接過程中，在試件上表面和下表面的焊道上放置鉑絲，由于鉑對X射線的吸收率大于鋼，液態鉑的流動表示了內部熔池的流動行為。