一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬的制作方法

本发明涉及一种用于金属材料的焊接、涂覆的焊炬装置，确切地说，是涉及激光和等离子弧复合焊接的焊炬，以及采用本发明的激光和等离子弧复合焊接方法。

背景技术：

焊接是在各种金属制造行业中至关重要、至今无法完全取代的加工制造技术。焊接作业是指在工件上产生高的能量密度形成熔池并移动熔池。因此，如果可以提高焊接工具与工件之间的能量耦合效率，即入射在工件上的能量密度，则可以获得显著的经济效益，这取决于所用的材料和焊接技术。

其中之一就是具有较高的能量耦合密度的等离子焊，等离子焊是指将被压缩的等离子电弧用作能量源来熔化工件进行焊接的工艺技术，在焊接过程中，电离化气体形成的等离子弧被压缩，能量更加集中，高能量的等离子弧产生动态压力，其电弧可以穿透熔融液池，因此也称之为“小孔”焊接”。等离子焊的主要优点是能够进行一道次、相对快速的材料焊接，接头准备工作最少。另外，因为等离子弧聚集在“小孔”内，减小了工件内的应力或变形。

尽管等离子焊具有许多重要优点，但仍存在几项严重的局限性。等离子体电弧的能量密度制约了“小孔”的穿透深度、可焊材料厚度和焊接速度。另外，等离子焊接的“小孔”可能在某些操作条件下出现塌陷，由此造成焊缝质量降低。

在等离子焊中，入射在工件上的能量密度是形成“小孔”的最重要参数。等离子焊接电流在10至250安培的范围内可以形成“小孔”，但这也取决于工件的材料和焊接速度。另外，等离子弧的能量密度、传入工件上的热斑点中的能量密度依赖于等离子弧内的传热机理。当电弧温度提高时，等离子电弧的辐射热损失是主要因素，这样就限制了等离子焊接作业的最高功率密度，也限制了焊接更厚板材或者提高焊接速度的能力。在常规的等离子弧焊过程中，对于约200A-250A的电流和约3-3.5KW的等离子功率密度而言，辐射热传递是主导因素，因此，实际上无法利用现有技术获得更高的等离子焊接功率密度，任何通过增大焊炬功耗来提高功率密度的尝试都会降低焊接效率；如果尝试提高焊接速度，等离子弧会变得不稳定，工件上的热斑会落在焊炬轴线之后，这是导致焊接质量差的一个起因。

激光束焊是另一种利用高能量密度--激光束作为热源进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对大的熔深，与其他熔焊方法相比，激光束焊接具有能量密度高热输入少、接头区残余应力和变形小、熔化区和热影响区窄，以及熔深大、焊缝组织细小、接头性能好等优点。此外，与（同样地利用高能量密度焊接的）电子束技术相比，激光束焊接不需要真空条件，保护气体种类及压力范围可方便选择，可借助偏转棱镜或光导纤维将激光束引导到难以接近的部位进行焊接，操作灵活，可穿过透明材料聚焦焊接等，激光束可灵活控制 ,易于实现工件的三维自动化焊接。

激光束焊也具有几项重大的制约条件。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热量，因此通常只能通过提高激光器功率来改善的焊接效果。激光束焊一般需要大型的高功率气体激光器、固态激光器或二极管激光器以生成并维持“小孔”焊接的模式。

众所周知，金属等离子体对“小孔”内壁所产生的压力对焊接过程中维持“小孔”焊接模式是非常重要的。但是，如果等离子体密度过高会造成激光束反射；实际上，等离子体的密度变得过低或过高，都会导致降低焊接作业的效率。另外，在像金属这样的材料上启动激光束焊，需要使用更高的激光束功率以形成“小孔”，但激光束的功率转换效率都是很低的。

总的来说，激光束焊接技术存在以下典型的限制条件：

（1）需要非常精确的焊件位置（在激光束的聚焦范围内），焊件需使用相对复杂的夹治具，以确保激光束热斑与焊件的最终位置对准；对于厚度大于19mm的工件，生产线上不适合使用激光焊接。

（2）对于高反射性及高导热性材料如铝、铜及其合金等，激光束焊接的应用受到限制。当进行高能量焊接时，激光束焊接的性能会受到等离子体的影响。

（3）能量转换效率通常低于10%；焊道凝固快，可能会产生气孔及脆化。

（4）设备昂贵。

为了消除或减少激光束焊接的缺陷,关于利用其它热源与激光束进行复合焊接的研究在八十年代就已经开始了，并且现在已经开始了一些工业应用，如激光束与电弧的复合焊接等，按照布置方式分类，主要有激光束与电弧旁轴布置（典型的如激光与熔化极气体保护焊GMAW或脉冲激光与熔化极气体保护焊GMAW-P 复合焊接）、激光束与电弧同轴布置（典型的如激光与TIG电弧复合焊接）两大类。

这些技术的特点是用激光束的能量直接作用于工件表面，并与GMAW或者TIG电弧复合，其中，激光束的高能量密度在复合效果中、尤其是在增加熔深、提高焊接效率方面起到了决定性作用。但是，由于GMAW或者TIG电弧的直径远远宽于激光束，复合焊接作业的焊缝表面质量则决定于GMAW或者TIG电弧。

总的来说，激光束和电弧复合焊接有以下显著的优点：

(l)在电弧的作用下，复合焊接降低了接头间隙的装配精度的要求，因此可以在较大的接头间隙下实现焊接。

增加了焊缝的熔深。在激光束的“小孔”模式下电弧可以到达焊缝的深处，其次，电弧会增加金属工件对激光束能量的吸收率，这也有利于增大焊接熔深。

激光束具有的高密度能量缩短了工件被加热的时间，使热影响区减小；同时，电弧能够减缓熔池的凝固时间，使得熔池的相变可以比较充分的完成。

激光束形成的“小孔”模式对电弧有吸引作用，使电弧的根部压缩，提高了电弧能量的密度。

(5) 与电弧焊接相比，激光束与电弧的复合热源可以提高焊接速度，当然，在这种情况下，就有可能采用较小功率的激光器，可以降低设备成本。

尽管激光束电弧复合焊接具有许多重要优点，但仍存在几项严重的局限性，这使得许多激光束电弧复合焊接工艺技术至今仍处于研究阶段，已经在工业领域应用的激光束电弧复合焊接技术也仅局限于很少的数量。

旁轴布置的激光束电弧复合焊接焊炬结构简单，但一般需要较大的布置空间，焊接系统也相对复杂。激光束与电弧之间存在一个夹角，这使得复合热源在工件上的工作区域是非对称的，电弧电流的变化会随时地、且很容易地导致两个热源的耦合点偏离，这使得控制双热源耦合稳定的难度增大；在旁轴布置的方式中，激光束要穿过电弧到达工件表面，当电弧电流较大时，会减弱激光束的能量，这也影响了这种方式的焊接效能的发挥，通常采用的解决方案只能是采用更大功率的激光器。另外，实际应用中，采用旁轴布置方式的激光束电弧复合焊接技术仍然需要比较精密的焊缝坡口精度才能保证高的焊接质量。

与本发明接近的、一些激光束与电弧采用同轴布置方式的研究成果包括：

一种同轴对称复合热源的方法，采用分光镜将入射激光分为2束对称分布的激光束，熔化极气体保护焊（MIG焊）电极由双光束中间送入。由于双光束是非封闭的，MIG电极的引入可以避开光束传输路径。聚焦系统将双光束从电极两侧对称地聚焦在焊丝送进方向前端的同一位置，在焊丝不影响光束传输的情况下实现激光与电弧同轴。该方法存在的不足是激光分光后每束激光束本身与电弧具有一定夹角，双激光束的对称轴与电弧轴线很难实现重合，焊丝的送给对激光束到达工件的传输有很大影响等。

与本发明接近的几项激光束与电弧采用同轴布置方式的研究成果包括：

美国专利US4,689,466描述了一种题为“激光束操作加工设备”的激光束与电弧同轴布置技术。该专利描述了一种激光和电弧复合焊接装置，其中激光束经过未收缩的喷嘴汇集到工件表面，环形的非熔化电极安放在喷嘴末端，在电极和工件表面之间形成电弧放电，辅助气体经过该喷嘴且在被电弧电离化时转变为等离子体，等离子体可以吸收一部分反射的激光能量且将这部分能量传递给工件表面。在这种情况下，通常因反射而损失掉的一些激光束的能量被等离子体截获后应用于焊接过程，因此提高了加工效率。也就是说，该系统所提高的耦合效率是因为等离子体回收了一部分通常会损失掉的激光反射能量，耦合效率因此得到提高。

在上述技术中，由于激光束是与未收缩的电弧相互作用，而等离子体温度低于等离子弧温度，因此激光束吸收未收缩电弧的吸收能力是比较低的，如果减小激光器的功率，激光束产生的能量与工件之间的耦合效率并不显著。另外，如前所述，待焊材料表面达到其沸点温度时会产生金属蒸气羽，该蒸气羽仍会对激光束发生遮挡效果；当采用功率较低的激光器时，电弧动态压力可能不足以启动“小孔”工作模式。

与之比较类同的，是一种采用空心钨极（非熔化电极）形成的电弧与激光束作为复合焊接热源的技术，即所谓的激光束与TIG复合焊接装置。在空心钨极的尖端与工件之间产生的等离子电弧是没有被压缩的，激光束从钨极中心穿过环状电弧到达工件表面，其复合原理如附图所示。在复合焊接过程中，由于激光束从电弧中心穿过，因而没有焊接方向性的问题，这尤其适合于三维零件的焊接。虽然调节同轴复合的焊接焊炬没有旁轴复合的焊炬那么复杂，但是钨极孔径的大小、钨极尖端与工件的距离都对焊接质量有较大的影响，而且钨极尖端的烧损会严重影响环状电弧的形状，影响焊接过程的稳定性和焊缝形状。

与本发明接近的、采用激光束与压缩等离子电弧复合的、已经公布的技术还包括美国专利US5,705,785和US6,388,227所述。这些技术融合了激光束焊炬与等离子弧焊炬的特点，即都是激光束与被压缩的等离子电弧复合的焊接技术。

例如，美国专利US5,705,785描述了一种圆锥形式的非熔化电极，焊炬其余部分就像标准等离子弧焊炬那样。其中，圆锥形电极的直径小于激光束从中心穿过时的光斑直径，使激光束可以部分地照射在圆锥形的电极上。当圆锥电极被激光束辐射加热时，保护气体被电离且形成等离子弧。激光束经过喷嘴后聚焦在工件上，并且与电极和工件之间的等离子弧相互作用，形成了等离子-激光放电，从而提高了在工件焊点的能量密度。

相比前述各项同轴布置的激光束电弧复合焊接技术，该技术因为使用了被压缩的等离子电弧，部分激光束对电极进行辐射加热，电流与电极被激光束加热的综合效果导致了电子发射，形成等离子体气体，等离子体气体被压缩、电离进而形成等离子弧，激光束沿其轴向与等离子弧相互作用，形成激光等离子复合放电，因此提高了激光束和等离子电弧的耦合效率。但其显著的局限性在于，圆锥形电极的可靠性较低，这种电极比较复杂，生产制造的成本高，电极开孔有可能被焊接过程中的熔融金属飞溅物污染；同时，由于电极结构复杂，同轴布置的激光束与电弧复合焊炬的制造复杂，难以形成标准化。

在上述技术的基础上，美国专利US6,388,227提出了一种改进方案：将整体的圆锥形式的电极改为由2根端部带有球形蓄热体的圆棒钨极组合，圆棒钨极的中心线与激光束的中心线形成一个锐界，并且距离激光束中心线的距离小于激光束的半径。这种技术方案的改进之处，在于将整体的环形电极分界为组合电极。同时，该技术方案提出了一种通过端部带球形蓄热体的正负电极实现脉冲等离子电弧和脉冲激光束匹配的概念，目的是降低金属蒸气羽对激光束能量的吸收。

这项技术方案尝试尽可能全面地解决以往的技术方案的诸多缺陷，但限于当时的技术状况，改进的功效很难完美地实现，复合焊炬机构仍然很复杂和昂贵，甚至几乎无法重复制造。其局限性还在于，该方案针对交变极性的等离子电源所做的改进仅适用于一些轻金属焊接；带有球形蓄热体的圆棒形组合电极的制造、安装精度要求很高，电极更换困难。

显而易见，在上述诸多激光束电弧复合技术方案的基础上，需要进一步地克服当前激光束等离子弧焊炬的上述制约条件和局限，同时适应当前多样的新材料的焊接需要。

另外，对于大多数用户来说，由于工作条件的复杂性，很多情况下不得不需要采用不同的焊接方式来完成一项完整的焊接施工工作，例如在焊接焊缝底部和上部的时候。通常情况下的焊炬只能完成一项焊接作业，这使得焊接操作变得复杂，用户需要购买多个焊炬并且也花费更多的时间来更换焊炬，影响了焊接效率。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬及其使用方法，通过本发明，可以在同一把焊炬上实现激光束等离子复合焊接、激光束等离子复合填丝焊接、激光束等离子MIG复合焊接等复合焊接操作，也可以完成激光填丝焊、激光MIG复合焊接、等离子MIG复合焊接等焊接操作，还可以单独地完成激光束焊接、等离子（填丝或者不填丝）焊接、MIG焊接。

为达到上述目的，本发明采用了如下技术方案：

一种用于激光束和等离子弧复合焊接的焊炬，该焊炬包括：

a)焊炬主体，焊炬主体具有输入端、输出端及位于输入端和输出端之间的中空内腔，激光束从输入端入射从输出端射出；

b)设置在焊炬主体输出端的绝缘衬套，绝缘衬套底部上设置有与焊炬主体同一中心轴线、用于激光束穿过的开孔；

c)设置在绝缘衬套输出端的压缩喷嘴及包围在压缩喷嘴外面的保护喷嘴；压缩喷嘴具有以焊炬主体中心轴线为中心的通孔和截平面，压缩喷嘴的截平面垂直于焊炬主体中心轴线；

d）设置在绝缘衬套两侧的两个等离子电极，两个等离子电极在压缩喷嘴的通孔上方形成狭缝，狭缝中心线与焊接方向一致，焊炬主体中心轴线穿过狭缝中心，狭缝宽度小于所述激光束穿过该狭缝时的直径。

进一步，每个等离子电极的纵轴线和所述焊炬主体中心轴线形成一个朝向焊接工件的锐角，该锐角在2-89度之间。

进一步，所述狭缝宽度为0.1-1.5mm，所述狭缝距离所述压缩喷嘴的截平面的距离在1-5mm。

压缩喷嘴和所述等离子电极之间的区域内输入有保护气体，保护喷嘴与压缩喷嘴之间输入有保护气体。

更进一步，该焊炬还包括设置在焊炬主体下部的送丝管，送丝管设置在沿焊接方向的相反一侧，所述送丝管的纵轴线与所述焊炬主体中心线成锐角并相交于工件的焊接点上，该锐角为20-80度。

更进一步，还包括设置在焊炬主体下部、布置在焊接方向相反一侧的MIG焊接用的熔化极电极和喷嘴，所述熔化极电极位于所述喷嘴内部并与所述喷嘴具有同一轴线，所述熔化极电极与所述焊炬主体的中心轴线呈锐角布置，该锐角为0-45度。

熔化极电极的纵轴线与工件相交点与焊炬主体中心线的距离为D，D为3-15mm。

上述焊炬的使用方法，包括：在关闭所述激光束源的情况下可以单独地进行等离子电弧焊接操作；在关闭等离子源的情况下，调整所述等离子电极狭缝的宽度，就可以单独地进行激光束焊接操作。

在关闭所述激光束源的情况下可以单独地进行等离子电弧焊接、等离子电弧填丝焊接操作；在关闭等离子源的情况下，只需要调整所述等离子电极狭缝的宽度，就可以单独地进行激光束焊接、激光束填丝焊接操作。

在关闭所述激光束源、关闭所述等离子源的情况下，可以单独地进行MIG电弧焊接操作；在关闭所述等离子源、所述MIG电源的情况下，只需要调整所述等离子电极狭缝的宽度，就可以单独地进行激光束焊接、激光束填丝焊接操作；如果仅关闭所述等离子源，则可以进行激光束MIG复合焊接；如果关闭激光束源和所述MIG电源，则可以进行等离子电弧焊接、等离子电弧填丝焊接；如果仅关闭激光束源，则可以进行等离子MIG复合焊接；如果仅关闭MIG电源，则可以进行激光束等离子复合焊接、激光束等离子填丝焊接。

激光束等离子弧复合焊接焊炬，是利用激光束和等离子弧的耦合能量进行焊接操作的复合焊炬，利用本发明的装置，可以采用较小功率的激光器在工件表面获得高的复合热源耦合效率，消除了一些激光束焊接的缺陷，包括工件必须具备非常精确尺寸、焊道凝固快（可能有气孔及脆化）、设备昂贵等。利用本发明的装置，同时还消除了一些等离子焊接的缺陷，包括焊接效率较低、不能焊接较厚工件等。消除了现有一些激光束等离子复合焊接装置的缺陷，包括焊炬结构复杂、制造和安装难度大、应用范围较窄等。

所述焊炬，是以常规的等离子焊接焊炬为基础、接入激光束的复合焊炬，主要包括激光束光源和等离子电极、喷嘴和气体保护装置，激光束与等离子喷嘴采用同轴方式布置。在焊接起弧过程中，部分激光束入射在电极上，并在电极与喷嘴之间建立起等离子电弧，该等离子弧经过喷嘴被压缩后，与工件之间建立起工作电弧。因此，本发明也适用于采用脉冲式等离子焊接的情况。

等离子电极是指一种具有狭缝式形状的组合电极，并且，等离子电极的狭缝的中心线与焊接方向一致。在焊接过程中，激光束的一部分入射到电极上，激发电极形成高密度能量的等离子电弧，与电极电流产生的等离子电弧耦合叠加，形成能量密度较高的等离子电弧；激光束的另一部分穿过电极的狭缝，并穿过被压缩的能量密度较高的等离子电弧，并与并与这种等离子电弧共

狭缝式电极由2根（或1根，或数量更多）、端部具有多边形或矩形或长方形或椭圆形的电极组成，2根电极的轴线与激光束中心线互成锐界布置，在电极端部形成一个狭直的缝，该狭缝的中心线与焊接方向一致，狭缝的宽度小于激光束直径。在本发明中，由于只需要控制狭缝的宽度尺寸，因此比较容易实现电极的安装。同时，即使激光束沿狭缝中心线存在微量的移动，一部分的激光束也很容易穿过狭缝并在工件表面聚焦。

所述激光束等离子弧复合焊接技术的焊炬，其狭缝式电极的端部在朝向喷嘴的方向是平面的（可以通过对电极端部进行简单的加工得到该平面形状），该平面的形状是多边形或矩形或长方形或椭圆形。根据本发明，可以保证电极具有较大的面积发射电子流，同时，在焊接过程中，即使电极有部分烧损，只要不影响部分激光束穿过狭缝，就不会不妨碍焊接过程。

所述激光束等离子弧复合焊接技术的焊炬，其狭缝式等离子电极也可以由1根、端部具有锥度的多边形或矩形或长方形或椭圆形的电极组成，电极的轴线与激光束中心线成锐界布置，电极的端部在朝向喷嘴的方向是平面的。电极端部距离激光束中心线的距离小于激光束的半径。

在焊接铝合金、镁合金或者其它的需要采用变极性等离子电源的场合，本发明同样适用。同时，在等离子电极的端部涂覆钍、镧、锆等合金，有利于延长电极的使用寿命，也有利于提高焊接过程的稳定性。

所述激光束等离子弧复合焊接技术的焊炬，在焊炬的沿焊接方向的另一侧布置送丝头（与送丝机连接），且送丝管的轴线与激光束中心线成锐角（该角度可调），则组成了激光束等离子弧复合填丝焊接焊炬。本发明的重点在于，如果采用熔化极气体保护焊（即MAG/MIG焊接方式）的送丝头，则成为一种激光束等离子弧与MIG复合焊接技术的焊炬；如果送丝机构不引入电流，则成为一种激光束等离子弧复合填丝焊接技术的焊炬。

所述激光束等离子MIG多功能复合焊炬，是指本发明焊炬所附带的各种焊接方法都可以在其它焊接方法关闭的情况下均可以100%地单独地运行，并且可以两两组合实现复合焊接操作。例如，当其它的焊接方法关闭，包括等离子电源关闭的情况下，可以通过调节等离子电极狭缝的宽度，使激光束全部地通过狭缝和压缩喷嘴，并且聚焦在工件上，从而实现单独的激光束焊接。除了激光束以外，等离子焊接和MIG焊接都可以在其它焊接方法关闭的情况下、且无需对焊炬做调整，即可以100%地单独地运行。例如，如果采用激光束等离子弧复合焊炬，除了所述激光束等离子弧复合焊接外，在其它焊接方法关闭的情况下，也可以单独地进行激光束焊接和等离子电弧焊接；如果采用激光束等离子弧复合填丝焊炬，除了所述激光束等离子弧复合填丝焊接外，在其它焊接方法关闭的情况下，则可以实现激光束焊接、激光束填丝焊接，以及等离子焊接和等离子填丝焊接；如果采用激光束等离子弧MIG复合焊炬，除了所述激光束等离子弧MIG复合焊接外，在其它焊接方法关闭的情况下，则可以实现激光束焊接、激光束填丝焊接、激光束等离子复合焊接、激光束等离子复合填丝焊接、激光束MIG复合焊接、等离子电弧焊接、等离子填丝焊接、等离子MIG复合焊接、MIG焊接操作等。

本发明具有的技术效果：

（1）、本发明提供了一种将激光束与被压缩的等离子弧复合焊接的方法和焊炬，其最重要的效果包括：在激光束和电流的双重作用下形成的更高能量密度的等离子电弧，在工件表面与激光束耦合，因此可以获得比常规的激光束与电弧复合焊接更高的复合热源耦合效率。本发明实现上述机理的方法是采用一种带狭缝的组合电极，利用这种制造、安装、操作相对简易的复合焊接焊炬，本发明提供了一种成本更低的、可以获得类似较高功率的激光束焊接能力和效率、同时消除了一些激光焊接缺陷的焊接方法，同时也提供了一种更高效的等离子焊接方法，不仅消除了一些等离子焊接的严重局限性，而且可以获得接近于激光束焊接的质量和效率。

（2）、利用本发明，使激光束等离子弧复合填丝焊接成为可能。这种激光束等离子弧复合填丝焊接方法极大地扩展了等离子焊接的应用范围，可以获得接近于激光束焊接的能力和效率，同时有利于改善焊缝和接头的性能，适合于焊接各种钢材和有色金属，焊接工件的厚度范围也得到扩展。

（3）、本发明还提供了一种激光束等离子弧复合MIG焊接方法，相比现有技术，本发明消除了一些现有技术的缺陷，可以用较小功率的激光器完成高效率的焊接作业，有利于降低激光束电弧复合焊接系统的设备成本。同时，由于具有比常规的等离子电弧更高的热源耦合效率，这种激光束等离子弧复合MIG焊接方法非常适合于中厚板高强钢的焊接，焊接质量优于现有技术。

（4）、本发明的另一个重要的效果，是简化了复合焊炬电极结构，便于制造、安装和操作，包括更换电极。本发明适合采用最新的激光器技术和等离子电源技术，焊炬可能进一步减小尺寸，这将更加便于焊接施工，而且有利于降低复合焊炬的成本。

（5）、本发明的另一个重要的效果，是焊炬具有多项焊接功能，可以单独地运行某一种焊接方法的操作，也可以单独地运行某一种复合焊接方法的操作，这可以大大简化对某一具体工件的焊接操作，不需要对焊炬进行调整或者仅需要很少的调整，就可以采用不同的焊接方法完成复杂的焊接工作。这对于自动化焊接生产线来说是很有意义的。

附图说明

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1为本发明实施例1所述的激光束与等离子弧复合焊炬。

图2为本发明实施例2所述的激光束与等离子弧复合填丝焊炬。

图3为本发明实施例3所述的激光束等离子弧与MIG复合焊炬。

具体实施方式

下面结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步描述：

实施例1

本发明的焊炬100包括焊炬主体110，其具有中心轴线111和空腔113。在焊炬主体110的一端上有光学系统，其包括透镜112。透镜112用于聚焦入射激光束114，从而光束114与焊炬主体110的中心轴线111共线且被聚焦于位于焊炬100之外的一个焦点FP。

在图1中，焊炬主体110包括2个（或1个，或4个电极且两两相对布置）电极130和230、压缩喷嘴120，压缩喷嘴外部还有圆锥形的、与压缩喷嘴120同心布置的保护喷嘴，压缩喷嘴120内外（压缩喷嘴120与保护喷嘴之间）都通入保护气体。激光束114在2个电极组成的狭缝处具有一定的半径r1，在压缩喷嘴120的开孔处具有一定的半径r2。

由电绝缘材料制作的绝缘衬套160设置在焊炬主体110的输出端。绝缘衬套160具有为通过激光束114的开孔以及用于安放电极130、230的空腔。

个（或1个，或4个两两相对布置）电极130和230在压缩喷嘴120的开孔上部组成一个狭缝，狭缝的宽度为d，2个（或1个，或4个两两相对布置）电极130和230的下端面距离压缩喷嘴120的开孔上表面的距离为h。

压缩喷嘴120的远端处的下截平面垂直于中心轴线111，其通孔具有半径R，该半径R大于激光束位于压缩喷嘴120开孔处的半径r2。半径R的范围最好是在0.5mm至5mm之间，不应阻挡激光束114通过压缩喷嘴。

根据发明人的试验测试，电极130和230在压缩喷嘴120的开孔上部组成的狭缝宽度d范围可在0.1mm至1.5mm之间；距离压缩喷嘴120的开孔上表面距离为h范围可在1mm至5mm之间；激光束114在2个电极组成的狭缝处的半径r1范围可在0.1mm至1.5mm之间，半径r1的数值应大于电极狭缝的宽度d的一半，因此部分激光束会入射到电极狭缝的边缘，最好效果是保证激光束在这个截面上入射到电极上的热量足够引燃电极和压缩喷嘴之间的等离子弧，同时便于电极安装。至少1个电极可沿其纵轴线往复运动，这样便于调整2个电极端部的狭缝宽度。

两个电极130、230的纵轴线131、231在压缩喷嘴120的截平面附近与中心轴线111相交。电极130、230的纵轴线132、232与中心轴线111形成一个朝向主体110的锐角A。锐角A的范围最优选是在2°至89°之间，最好效果是保证部分激光束入射在电极端部上且足够引燃电极和压缩喷嘴之间的等离子弧，同时便于电极安装、不会使焊炬尺寸过于笨重。

为了运行本发明的焊炬100，一般是在电极230和工件180之间建立电流。由外激光源(未示出)提供的激光束114穿过透镜112沿主体110的中心轴线111共线传播。压缩喷嘴120引导等离子体流，其与中心轴线111和激光束114共线，因此在工件180的表面上形成高能量密度斑点，即在非常小范围的区域具有源自焊炬100的高度聚集的能量。激光束114沿焊炬主体110的中心轴线111传播，电极130、230被部分激光束114加热并在压缩喷嘴之间的空腔里形成等离子弧，继而在压缩喷嘴120和工件180之间建立起被压缩的等离子弧；激光束114被聚焦到在焊炬主体110之外的焦点FP，在焊接主体110与工件180之间的区域内形成的被压缩的等离子体弧与透过压缩喷嘴120的激光束114相互作用且产生更加高度收缩的等离子体弧，其具有很高的能量密度且被传递至工件180。

电极130、230组成的电极狭缝的宽度d小于激光束114的直径（2 x r1）。利用这样的几何形状构型，一部分激光束114被电极130、230组成的狭缝边缘区域吸收，这导致了电极130、230的端部发热，由此增强电子发射，并在电极130和230与压缩喷嘴120之间的腔室建立起等离子弧，从而完成了激光引弧。

在电极与压缩喷嘴120之间形成的等离子电弧经过喷嘴120压缩后，与激光束114相互作用形成激光等离子复合放电，与工件180之间建立高能量的等离子弧，并且直接作用在工件180上。相比单独的激光束或者等离子电弧而言，本发明焊炬提高了工件180表面的能量密度，进而提高了耦合效率。

当激光束114射入工件180时，工件180表面气化形成表面等离子体射流。由于表面射流的电离电位低于一般的喷嘴和保护气体的电离电位，增强了激光斑点上方处的等离子体导电性，使等离子弧进一步收缩，因此提高了工件180处的能量密度和耦合效率。

复合式激光和等离子弧相互作用也具有收缩并稳定等离子弧的附加效果。与常规的等离子电弧相比，在被部分激光束附加加热的情况下，电极尖端附近有更大的体积处于高温，因此提高了等离子内的电流密度。另外，当激光束114与等离子体相互作用且被其吸收时，沿激光束轴线的等离子体温度和电流密度也被提高。

在激光束114与等离子弧之间增强的相互作用中发生的主要物理作用包括①等离子弧收缩产生更高的能量密度；②缩小工件180上的热影响区域或热斑点；③提高等离子体温度；④提高等离子弧稳定性；⑤减小能耗。总的净效果是在工件180上产生较高的能量密度斑点，激光束与电弧复合能量更高效地耦合并传递至工件180上。

众所周知的是，通过等离子弧或等离子体射流形成透孔作为激光束114的黑面辐射体，由此增强了工件180对激光束114能量的吸收。

另外，本发明也采纳一些成熟的技术方案，例如在钨金属制造的阴极表面涂覆例如钍、镧和锆的金属氧化物，可以提高钨极的使用寿命。根据本发明，由于电极被激光束加热，使得电极热斑尺寸增大，这就减轻了电极斑点的峰值温度，因此会显著延长电极使用寿命。

实施例2

如图2所示，在实施例1的基础上，焊炬100还包括了用于激光束等离子填丝焊的送丝管330，该送丝管330与焊炬主体100的中心轴线111呈锐角布置，且布置在焊炬100的沿焊接方向的相反侧，送丝管330与焊炬主体100的中心轴线111之间锐角的范围最优选是在20°至80°之间，最好效果是保证焊丝与等离子弧在工件180上表面相交，同时不会使焊炬尺寸过于笨重。送丝管330的纵轴线332与焊炬主体的中心线111相交于工件180上表面。

实施例3

如图3所示，在实施例1的基础上，焊炬100还包括了用于激光束等离子MIG焊接用的熔化极电极导电嘴430、送丝管431和保护气套432，导电嘴430位于保护气套432内部并与432同心；该导电嘴430与焊炬主体100的中心轴线111呈锐角布置，该锐角在0至60度范围内，且布置在焊炬100的沿焊接方向的相反一侧，其纵轴线432与焊炬主体110的中心线111相交于工件180上表面之下，并与焊炬中心线111在工件180上表面的交点的距离为D；D被定义为熔化极电弧在工件180表面上的电弧冲击点和非熔化电极（130,230）的等离子电弧冲击点之间的距离，距离D的范围在3至15mm内，且该距离D可以根据不同焊接参数进行调节。

对于所属技术领域的技术人员而言，随着技术的发展，本发明构思可以不同方式实现。本发明的实施方式并不仅限于以上描述的实施例，而且可在权利要求的范围内进行变化。而且应该理解的是，本文所用的措辞和术语是用于说明的，而不应被认为是限制性的。因此，参照附图和所附说明来更好地理解根据本发明的激光和等离子弧复合焊炬的组成部件、运行和实施方法。应该注意，在此所示的本发明示意图只用于示范性目的，而并非想要是限制性的。