王傳剛

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

激光－GMAW復(fù)合焊接電弧熱源形式對(duì)焊接過(guò)程參數(shù)及焊縫形狀的影響

王傳剛

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東青島266111）

激光-脈沖GMAW復(fù)合焊接和激光-連續(xù)GMAW復(fù)合焊接兩種熱源形式在復(fù)合焊接中使用范圍廣，應(yīng)用前景好。系統(tǒng)研究這兩種熱源形式和脈沖GMAW焊接以及連續(xù)GMAW焊接在焊接過(guò)程中的電參數(shù)變化特征及焊縫的形狀尺寸。結(jié)果表明，激光-脈沖GMAW復(fù)合焊接中電參數(shù)平穩(wěn)，焊接過(guò)程穩(wěn)定，可有效地促進(jìn)熔滴過(guò)渡，并且獲得的焊縫尺寸較理想，熔深大、余高小，但激光功率3 000 W的復(fù)合焊接短路時(shí)電參數(shù)波動(dòng)性增大。

激光-GMAW復(fù)合焊接；脈沖電弧；電參數(shù)；焊縫尺寸

0 前言

激光-電弧復(fù)合熱源焊接技術(shù)兼具激光焊的高焊速、低熱載、大熔深以及電弧焊的低裝配精度等優(yōu)勢(shì)，焊接速度快，厚板焊接能力、接頭橋接能力、熔池穩(wěn)定性和接頭冶金性能有所提高，保證了生產(chǎn)的高效性和焊接質(zhì)量的穩(wěn)定可靠。國(guó)內(nèi)外大量學(xué)者的研究結(jié)果表明，激光-電弧復(fù)合焊接能夠顯著提高激光的能量利用率、改善表面成形、抑制氣孔和飛濺等的產(chǎn)生、降低接頭裝配精度以及調(diào)節(jié)焊縫成分組織、改善焊接接頭力學(xué)性能等[1－3]。

激光-電弧復(fù)合熱源焊接中電弧能量主要用于熔化焊絲和形成熔滴[4]，對(duì)液態(tài)金屬的鋪展及熔池狀態(tài)具有重要作用。研究復(fù)合熱源耦合機(jī)理可為后續(xù)復(fù)合焊接過(guò)程的模擬提供理論模型，同時(shí)對(duì)控制焊接生產(chǎn)效率和接頭質(zhì)量具有重要意義。

長(zhǎng)春理工大學(xué)張斌等人研究了針對(duì)不同波長(zhǎng)激光在激光-MAG復(fù)合（激光前置）焊接中的熔滴行為的變化，發(fā)現(xiàn)激光功率增加的過(guò)程中熔滴過(guò)渡頻率的下降幅度會(huì)出現(xiàn)差異，分析認(rèn)為YAG激光比CO2激光產(chǎn)生的等離子體密度和壓強(qiáng)更低，有助于焊絲端部熔滴的形成和脫離，使熔滴過(guò)渡頻率更高。然而隨著激光功率的增大，YAG激光小孔中金屬蒸汽噴發(fā)速度大于CO2激光，即對(duì)熔滴的阻礙作用更強(qiáng)。因此，激光功率增加相同值時(shí)，YAG激光-MAG電弧復(fù)合焊接熔滴過(guò)渡頻率下降幅度更大。此外，本研究認(rèn)為熔滴的過(guò)渡行為主要取決于電弧形態(tài)，射滴過(guò)渡時(shí)呈鐘罩狀電弧狀態(tài)，而激光功率的變化、電弧電位梯度的變化和匙孔產(chǎn)生的高溫蒸汽是引起電弧形態(tài)發(fā)生跳邊的根本原因[5]。

焊縫截面形狀及組織是影響接頭性能的決定性因素，而熔池的凝固過(guò)程及焊縫的冶金性能主要取決于復(fù)合焊接過(guò)程中激光與電弧兩種能量源的熱循環(huán)過(guò)程。目前，針對(duì)如何將激光與電弧熱源有效結(jié)合進(jìn)行了大量試驗(yàn)，并分析各種工藝參數(shù)對(duì)焊縫形狀的影響。試驗(yàn)證明焊縫熔寬主要取決于電弧功率和熔滴的過(guò)渡形式，而熔深主要由激光功率決定[6-7]。

在此采用激光-脈沖GMAW復(fù)合熱源焊接與激光-連續(xù)GMAW復(fù)合焊接兩種方法焊接奧氏體不銹鋼301L材料，系統(tǒng)研究激光對(duì)兩種電弧參數(shù)及熔滴過(guò)渡的影響以及焊縫形狀的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料和方法

采用德國(guó)TRUMPF公司的TruDisk10002碟片激光器，焦距300 mm，輸出波長(zhǎng)1.06 μm，光束聚焦最小直徑0.4 mm。焊機(jī)為福尼斯Transpuls Synergic 4000。使用PhotronFastcam SA4高速攝影機(jī)觀測(cè)熔滴過(guò)渡模式，采集頻率5000幀/s，同時(shí)結(jié)合NIDAQ同步采集實(shí)時(shí)電流、電壓信號(hào)，以獲得電參數(shù)圖形。試驗(yàn)過(guò)程中保持焊槍、激光器、高速攝像機(jī)和背光源固定不動(dòng)，通過(guò)導(dǎo)軌帶動(dòng)試板平行移動(dòng)完成焊接。采用平板堆焊，沿焊接方向激光在前、電弧在后的復(fù)合熱源形式進(jìn)行焊接。試驗(yàn)板材為SUS301L奧氏體不銹鋼，填充焊絲為ER308L，焊絲直徑1.0mm，母材及填充焊絲成分如表1所示。試件尺寸為150mm× 80 mm×6 mm，焊前機(jī)械打磨試件表面。焊槍保護(hù)氣體為φ（Ar）95%+φ（CO2）5%，氣體流量25 L/min，焊槍傾角65°，激光器傾角95°。高速攝像機(jī)與焊接方向垂直，與試件水平面成30°。焊接工藝參數(shù)如表2所示。

表1 試驗(yàn)板材及填充焊絲化學(xué)成分 %

表2 焊接試驗(yàn)參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 脈沖GMAW焊與激光-脈沖GMAW復(fù)合焊電壓波形及熔滴過(guò)渡

脈沖GMAW焊熔滴的過(guò)渡周期主要由電流電壓的脈沖周期決定，在激光-脈沖GMAW復(fù)合焊接中激光能量對(duì)熔滴的過(guò)渡周期基本無(wú)影響。直流脈沖MAG和激光-脈沖GMAW復(fù)合焊接電壓概率密度如圖1所示。與脈沖MAG焊相比，激光-脈沖GMAW復(fù)合焊的曲線峰值右移，焊接過(guò)程中基值電壓由23V增至25 V。直流脈沖GMAW焊曲線有3個(gè)波峰，對(duì)應(yīng)的區(qū)間分別表示基值電壓、熔滴脫離焊絲時(shí)的電壓、脈沖峰值電壓。脈沖GMAW焊和激光-脈沖GMAW復(fù)合焊電壓波形如圖2所示，激光-脈沖GMAW復(fù)合焊脈沖電壓基值高于GMAW焊接基值。當(dāng)脈沖電壓波形下降為27 V時(shí)出現(xiàn)一個(gè)小“臺(tái)階”，此時(shí)熔滴從焊絲底部脫落。激光-脈沖GMAW焊接電壓概率密度曲線主要表現(xiàn)為脈沖基值和峰值區(qū)間的波峰，而熔滴脫離焊絲時(shí)刻的小波峰不明顯，因?yàn)樵摃r(shí)刻對(duì)應(yīng)的電壓值與脈沖基值電壓很接近，因此波峰下降趨勢(shì)變緩慢。同時(shí)，可觀察到激光-脈沖GMAW復(fù)合焊的基值電壓存在波動(dòng)性（見圖2b），即電弧較弱時(shí)激光對(duì)焊接導(dǎo)電空間有一定的影響。

一個(gè)脈沖周期內(nèi)GMAW焊接與激光-脈沖GMAW復(fù)合焊熔滴過(guò)渡高速攝像如圖3所示，圖2中的“小臺(tái)階”對(duì)應(yīng)的時(shí)刻如圖3a、圖3e所示。熔滴的突然斷開導(dǎo)致焊絲底部與熔池間距離增大，電壓增加，但在電路控制過(guò)程中波形應(yīng)下降，因此綜合表現(xiàn)為“臺(tái)階”狀，在概率密度圖中出現(xiàn)一個(gè)小波峰。圖3d、圖3h均為脈沖峰值時(shí)刻的大電流，使得電弧明亮，并促進(jìn)熔滴脫離焊絲。其余時(shí)刻為電流的基值時(shí)段，電弧較弱，焊接空間較暗，熔滴已脫離焊絲向熔池過(guò)渡。

圖1 脈沖MAG焊與復(fù)合焊接電壓概率密度

圖2 脈沖GMAW焊和激光-脈沖GMAW復(fù)合焊電壓波形

圖3 脈沖MAG焊接與激光-脈沖GMAW復(fù)合焊接熔滴過(guò)渡

2.2連續(xù)GMAW與激光-連續(xù)GMAW復(fù)合焊的電壓波形及熔滴過(guò)渡

送絲速度為7m/min時(shí)，直流MAG焊與激光-MAG（直流）復(fù)合焊接電壓概率密度如圖4所示。相較而言，連續(xù)GMAW焊接過(guò)程中電壓分布更加集中，表明短路過(guò)程規(guī)律性更強(qiáng)，熔滴過(guò)渡更穩(wěn)定。連續(xù)GMAW和激光－連續(xù)GMAW復(fù)合焊接電壓波形如圖5所示?？梢钥闯觯附舆^(guò)程均為短路過(guò)渡，且平均電流約145 A、平均電壓約23 V，焊機(jī)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能使得激光的加入并未導(dǎo)致電流、電壓產(chǎn)生較大變化。此外，短路過(guò)渡時(shí)電流和電壓波形較為穩(wěn)定。

圖4 直流GMAW焊與激光-GMAW（直流）復(fù)合焊接電壓概率密度

圖5 連續(xù)GMAW焊和激光-連續(xù)GMAW復(fù)合焊接電壓波形

高速攝像機(jī)拍攝的熔滴過(guò)渡圖像如圖6所示，熔滴脫離焊絲的整個(gè)過(guò)程中熔融金屬未發(fā)生頸縮現(xiàn)象，每個(gè)過(guò)渡周期內(nèi)熔滴過(guò)渡經(jīng)歷4個(gè)階段：a.焊絲與熔池短路接觸，電壓突然下降10～15 V，電流迅速增加至300 A以上。b.金屬液橋爆炸，產(chǎn)生的爆破力強(qiáng)迫熔滴脫離焊絲，向熔池過(guò)渡。c.電流恢復(fù)基值，燃燒電弧促進(jìn)焊絲熔化形成熔滴。d.焊絲再一次與熔池接觸，準(zhǔn)備下一次熔滴過(guò)渡。

當(dāng)外加激光與直流MAG電弧作用于同一熔池形成復(fù)合焊接時(shí)，隨著激光能量的變化，熔滴形態(tài)和電弧電參數(shù)會(huì)發(fā)生規(guī)律性變化。激光功率為3 kW時(shí)，一個(gè)過(guò)渡周期內(nèi)出現(xiàn)2次短路現(xiàn)象，使得電壓連續(xù)兩次突變，但只完成了一顆熔滴過(guò)渡，說(shuō)明熔滴與熔池短路接觸時(shí)有阻礙熔滴過(guò)渡的力增大，使過(guò)渡出現(xiàn)困難。一個(gè)周期內(nèi)熔滴非正常過(guò)渡圖像如圖6所示。熔滴長(zhǎng)大與熔池短路，電弧熄滅，此時(shí)熔滴表面光滑（見圖6a）；熔滴底部發(fā)生爆炸，引燃電弧，同時(shí)熔滴回彈，并且表面出現(xiàn)褶皺（見圖6b）；熔滴沿著焊絲向上凝聚，振蕩并長(zhǎng)大（見圖6c）；較大體積的熔滴與熔池再次短路（見圖6d）。

從圖6e～6h可以看出，一個(gè)過(guò)渡周期內(nèi)熔滴與熔池發(fā)生多次短路。與直流MAG焊短路過(guò)渡相比，熔滴短路后出現(xiàn)的回彈現(xiàn)象可能與激光能量有關(guān)，激光熱源能量的增加使熔池上方空間內(nèi)金屬蒸汽密度增大，向上的金屬蒸汽對(duì)熔滴過(guò)渡的阻礙作用增強(qiáng)。試驗(yàn)中直流MAG焊以及復(fù)合焊中熔滴均未發(fā)生頸縮現(xiàn)象，說(shuō)明促進(jìn)熔滴過(guò)渡的電磁收縮力較弱。而熔滴主要受重力和表面張力作用，尺寸較大。

2.3 不同熱源形式對(duì)焊縫尺寸的影響

圖6 連續(xù)GMAW焊接與激光-連續(xù)GMAW復(fù)合焊接熔滴過(guò)渡

在送絲速度7m/min、焊接速度1.2m/min條件下，連續(xù)GMAW焊接、脈沖GMAW焊接、激光-連續(xù)GMAW和激光-脈沖GMAW（激光功率3 kW）焊接4種熱源焊接形成的焊縫截面尺寸如圖7所示。由于連續(xù)GMAW焊接過(guò)程中電弧對(duì)熔池的沖擊和攪拌作用較小，焊縫熔深淺、熔寬窄、余高大。而相同條件下脈沖GMAW焊縫的變化明顯，熔寬增加、余高減小，即脈沖電弧的作用有利于增加焊縫熔寬和熔深，減小余高。同時(shí)，激光作用對(duì)熔深影響最大，對(duì)熔寬和余高影響不顯著。

圖7 不同熱源形式下的焊縫尺寸對(duì)比

3 結(jié)論

通過(guò)試驗(yàn)對(duì)比分析脈沖電弧焊接與激光-脈沖GMAW復(fù)合焊接、連續(xù)電弧焊接與激光-連續(xù)GMAW復(fù)合焊接過(guò)程中的電壓變化和熔滴過(guò)渡狀態(tài)，以及4種熱源形式下焊縫尺寸的變化規(guī)律。結(jié)果表明，脈沖電弧可促進(jìn)熔滴過(guò)渡，有利于增加焊接的穩(wěn)定性。在連續(xù)電弧焊接的短路過(guò)渡中，激光功率3 000W的復(fù)合焊接短路時(shí)電參數(shù)波動(dòng)性較大。4種復(fù)合焊接熱源中，激光-脈沖GMAW復(fù)合焊接形成的焊縫熔深和熔寬大，余高小。

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Effect of laser-GMAW compound welding arc heat source form on the welding process parameters and the weld shape

WANG Chuangang
（CSR SIFANG Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

Laser-pulse GMAW and laser-continuous GMAW welding possessed good application prospect and wide use.The changes of electric parameters and the weld shape size in the process of these two kinds of heat source form and pulse GMAW welding and continuous GMAW welding were systematically researched.The results showed that the electricity parameter was smooth and the welding process was stable that could enhance the transition of droplets and ideal weld dimension with big penetration and low excess weld metal could be obtained in the laser-pulse GMAW welding.The electricity parameter increased in volatility when the welding process was in short circuit of the laser power was 3 000 W.

laser-GMAW welding；pulse arc；electricity parameter；weld dimension

TG444+.72

B

1001－2303（2017）08－0119-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.24

2017-03-20

王傳剛（1963—），男，學(xué)士，主要從事材料應(yīng)用方面的研究和技術(shù)工作。E-mail：wangchuangang@cqsf. com。

本文參考文獻(xiàn)引用格式：王傳剛.激光-GMAW復(fù)合焊接電弧熱源形式對(duì)焊接過(guò)程參數(shù)及焊縫形狀的影響[J].電焊機(jī)，2017，47（08）：119-123.