劉 揚(yáng)

（長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春，130022）

1 激光電弧-MAG 復(fù)合焊接熔滴過渡行為的過程

如圖1-1 為不同電弧功率下熔滴過渡形式與對應(yīng)的等離子體形狀，可以直觀的看出，盡管過渡十分緩慢但隨著電弧功率的增大熔滴過渡形式依次由短路過渡轉(zhuǎn)變?yōu)樯淞鬟^渡。當(dāng)激光能量( P=3kW)時，從圖1-1( a) ，( b) 可以看出，電弧功率低于4 kW 時，熔滴的下表面和右側(cè)表面產(chǎn)生波形線滴過渡幾乎停止，并呈現(xiàn)出逐漸偏向激光束的狀態(tài)，這是由于激光匙孔產(chǎn)生的大量金屬蒸氣對熔滴向上的推力和激光等離子體對熔滴的吸引力相平衡所導(dǎo)致的。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)熔滴過渡形式以短路過渡或顆粒過渡為主時容易引起相對性的熔池對流混亂，使液態(tài)狀態(tài)下的金屬靜壓力發(fā)生較大的波動并難以維持住鑰孔的平衡。當(dāng)維持平衡的靜壓力發(fā)生改變時，最終導(dǎo)致匙孔崩塌，一旦發(fā)生匙孔崩塌其內(nèi)部的金屬蒸氣將迅速噴涌而出，產(chǎn)生飛濺這將對焊接安全造成威脅。而且，較大顆粒的熔滴也會對熔池產(chǎn)生較大沖擊這都將對焊接產(chǎn)生潛在的影響。當(dāng)電弧功率持續(xù)增加到超過4. 6 kW 時，伴隨著等離子流力增加，電弧溫度升高的十分明顯，熔滴表面張力也隨之減小，熔滴過渡形式進(jìn)入下一階段射滴過渡，從圖1-1(d) ，(e)中可觀察到焊絲端部被拉長的液態(tài)金屬和其端部的細(xì)小熔滴，細(xì)小的熔滴從焊絲端部沿焊絲軸線以較高的速度射出。因此采用此種過渡形式使復(fù)合焊過程變得更穩(wěn)定，更容易獲得表面均勻度高且邊緣平滑的優(yōu)質(zhì)焊縫。

2 熔滴分離速度對熔滴過渡的影響

圖2-1 顯示了熔滴在激光—MAG 復(fù)合焊接中從電極分離的過程。用高速相機(jī)采集熔滴過渡過程熔滴從填料尖端不斷分離的圖像，采樣頻率為5000 幀/s。

圖2-1 熔滴分離過程

如圖2-1 所示，可以從圖中一系列的圖像計(jì)算出熔滴分離的速度Vd。其實(shí)，通過使用MB—標(biāo)尺軟件可以定量分析描述熔滴過渡行為中的熔滴直徑D。經(jīng)過擬合曲線計(jì)算出的熔滴分離速度Vd和熔滴直徑D 的比較，用如下公式表示：

其中I 是焊接電流，r 是逐漸變細(xì)的電極的有效半徑，γ 是表面張力系數(shù)（1.2 牛頓/米），是自由的通透性空間為熔融金屬填料的密度（7800 kg/cm3）。當(dāng)激光功率P=3kW，在圖2-2（a）和圖2-2（b）分別顯示出D 和Vd的對電弧的影響。在圖2-2 中的表（一）圖3-23（b）顯示了從統(tǒng)計(jì)分析的圖標(biāo)中可以分析出D 和Vd調(diào)整值。其中R 平方為0.98。

圖2-2（a）直徑D 的值隨電弧電流的升高而降低。然而，在電弧電流140A 至180 A 的區(qū)間里是實(shí)際曲線熔滴直徑比其MAG焊接的理論曲線的熔滴直徑大。結(jié)果表明，向上的軸向電磁力和金屬蒸氣噴射力產(chǎn)生的激光鎖孔對熔滴的增加有很大影響。因此，熔滴直徑的增大，熔滴分離速度也會下降。然而，金屬蒸氣在激光電弧-MAG 復(fù)合焊接過程中對熔滴的過渡行為有著顯著的影響。金屬蒸氣的吸收取決于工件的激光功率。當(dāng)電弧電流是140 ～180A 時，等離子體將通過與激光弧等離子體相互作用，這將稀釋帶電粒子和帶電激光等離子體粒子的密度。這將減少激光等離子散焦效果從而增強(qiáng)工件有效的吸收激光能量。因此，工件表面形成大量的金屬蒸汽，熔滴對金屬蒸氣的噴射力量加強(qiáng)的結(jié)果。結(jié)果表明，熔滴直徑為高于MAG 復(fù)合焊接。當(dāng)電流超過180A時，熔滴直徑的實(shí)際曲線低于在是相同的電流區(qū)間里的MAG 焊接的理論曲線。激光MAG 電弧在復(fù)合的過程誘導(dǎo)和壓縮的影響，這在熔滴過渡中占主導(dǎo)地位。

圖2-2（b）所示的曲線熔滴分離速度Vd和之前的計(jì)算方法有些不同。結(jié)果表明，復(fù)合焊接熔滴熔滴速度低于理論上計(jì)算的MAG 焊接中的速度。在MAG 焊接過程中，電弧等離子體的溫度和壓力下的移動熔滴不斷降低從而使熔滴從電極上脫落。相反，激光-MAG 復(fù)合焊接過程中，由于輻射產(chǎn)生金屬蒸氣，熔滴，溫度和激光鎖孔下方移動熔滴增加的壓力，使熔滴滴合力也隨之增加。因此，熔滴分離速度會下降。

圖2-2 熔滴直徑和熔滴分離速度

3 結(jié)論

通過以上分析在進(jìn)行激光電弧復(fù)合焊接的過程中，電弧能量作為一個重要參數(shù)將決定熔滴過渡形式，而激光能量對熔滴過渡頻率產(chǎn)生決定性影響。熔滴過渡模式對焊接的質(zhì)量與穩(wěn)定十分重要，射滴過渡的焊接穩(wěn)定性強(qiáng)于短路過渡。由對比實(shí)驗(yàn)可知，激光電弧復(fù)合焊接（P=1.6Kw，I=160A，v=0.8m/min）的熔深可達(dá)最大4.02 毫米，其優(yōu)點(diǎn)是焊接變形較小，電弧區(qū)深度增加明顯，可以達(dá)到激光區(qū)過渡光滑的要求，對比單熱源激光焊焊縫下部的激光區(qū)域?qū)挾葘捄芏啵@些都將對焊接效率、穩(wěn)定性和質(zhì)量提升起到很大作用。由此可見復(fù)合焊接能夠使兩種不同的熱源成功的融合并使其各自在焊接中發(fā)揮各自的優(yōu)勢，最大化的提高效率。

[1] 李妍,鄭麗,李琴蘭.高速M(fèi)IG/MAG 焊技術(shù)的現(xiàn)狀及近展[J].甘肅科技縱橫,2010, 39(6):58～59

[2] GrafT,Staufer H.Laser-hybrid welding drives VW improvements.[J].Welding Journal.2003,82(1):42 ～48

[3] 原國棟.不銹鋼復(fù)合鋼板焊接接頭中過渡層的焊接問題[J].熱加工工藝，2007,(7)：89 ～90

[4] 張立新，張彥芬.不銹鋼復(fù)合鋼板設(shè)備制造過程中幾個技術(shù)問題的探討[J].齊魯石油化工，2004，32(3)：216 ～219

[5] 國家石油和化工局.SH/T3527－1999.石油化工不銹復(fù)合鋼板焊接規(guī)程[S].北京.中國標(biāo)準(zhǔn)出版社.1999

[6] W.M.Steen.Arc augmented laser processing of materials.[J].Appl.Phys.1980,51(11):5636 ～5641.