寧杰，張林杰，張建勛

（西安交通大學(xué) 金屬材料強(qiáng)度國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，西安 710049）

隨著不可再生資源的日益減少，環(huán)保、高效、自動(dòng)化成為工業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵詞，激光技術(shù)的應(yīng)用迅速普及到制造業(yè)的許多領(lǐng)域[1]。在激光的應(yīng)用中，激光焊接技術(shù)作為一種先進(jìn)技術(shù)，是其核心內(nèi)容[2]。激光是一種高能高密度熱源，與傳統(tǒng)的電弧焊、手工焊相比具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。采用激光焊形成的焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄、變形小，并且具有生產(chǎn)效率高、控制靈活等優(yōu)點(diǎn)，與國(guó)家提倡的低能耗、短流程、高效率的工藝發(fā)展趨勢(shì)高度契合[3]，創(chuàng)造了可觀的經(jīng)濟(jì)效益[4]。

一般來(lái)講，材料的導(dǎo)熱性越好，其對(duì)激光的吸收率越低。紫銅作為一種優(yōu)質(zhì)導(dǎo)電材料，在常溫下對(duì)激光的吸收率極低，因此，要實(shí)現(xiàn)紫銅的激光深熔焊接需要很高的激光功率密度。紫銅對(duì)激光吸收率低，且紫銅激光焊接過(guò)程對(duì)工件表面的粗糙度和氧化物等非常敏感，導(dǎo)致紫銅激光焊接過(guò)程的穩(wěn)定性和工藝可重復(fù)性很差[5]，因此，為了將激光應(yīng)用于紫銅焊接，國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者設(shè)法通過(guò)各種方法提高紫銅焊接過(guò)程的能量耦合效率。比如，通過(guò)表面預(yù)處理、添加輔助材料或采用輔助氣流的方法有助于提高紫銅激光焊過(guò)程的熱效率。吳曉紅[6]通過(guò)對(duì)紫銅進(jìn)行激光掃描預(yù)處理，使其表面產(chǎn)生氧化銅薄膜，從而提高工件對(duì)激光能量的吸收率，達(dá)到了理想的焊接效果。Shimizukozo,Daurelio 與Giorleo 等分別研究了涂層對(duì)紫銅激光焊接的影響[7—8]。Hui-Chi Chen 等的研究結(jié)果表明，在紫銅表面制備納米復(fù)合層可以顯著降低反射損失[9]。B.Genc Oztoprak等[10]提出一種通過(guò)向熔池添加Stellite 6 粉體來(lái)提高能量耦合效率的方法。室溫下紫銅對(duì)波長(zhǎng)532 nm 的綠色激光吸收率達(dá)到30%～40%，這一特點(diǎn)被許多研究者注意到并加以利用。Elke Kaiser 等發(fā)現(xiàn)采用脈沖綠色激光可以在點(diǎn)焊紫銅時(shí)得到較高質(zhì)量的焊點(diǎn)，且具有較好的工藝可重復(fù)性[11]。Sebastian 等對(duì)比了紫銅綠色激光焊和紅外激光焊，發(fā)現(xiàn)采用綠色激光焊接，紫銅可以降低實(shí)現(xiàn)深熔焊的臨界功率，但是在小孔形成后的深熔焊過(guò)程中兩種焊接過(guò)程的能量耦合效率差別不大[12]。采用大功率激光器或綠色激光器可以實(shí)現(xiàn)紫銅深熔焊接，但是投資成本增大。近年來(lái)，功率調(diào)制激光焊和激光電弧復(fù)合焊被用來(lái)焊接紫銅。Andreas 等則對(duì)功率調(diào)制的方法做了比較細(xì)致的研究，通過(guò)對(duì)比500 Hz 功率調(diào)制和不調(diào)制時(shí)紫銅的焊接結(jié)果，發(fā)現(xiàn)對(duì)激光功率進(jìn)行正弦調(diào)制后焊縫中的氣孔數(shù)量明顯減少[13—16]，焊接過(guò)程穩(wěn)定性大大提高。西安交通大學(xué)進(jìn)行了紫銅的不預(yù)熱激光-電弧復(fù)合焊接研究[17—18]。Gao 等進(jìn)行了2 mm 厚紫銅的激光-CMT 復(fù)合焊[19—20]。

采用復(fù)合熱源焊接的方式，一方面更大限度地利用了兩種熱源的優(yōu)勢(shì)，提高焊接效率并改善了焊接質(zhì)量，但是將兩種不同的熱源復(fù)合后，各工藝因素和調(diào)制因素之間的相互作用會(huì)對(duì)焊接過(guò)程產(chǎn)生重要影響，增大了焊接過(guò)程的不可控性，因此，文中研究工藝參數(shù)與調(diào)制參數(shù)之間的相互作用對(duì)紫銅光纖激光-MIG復(fù)合焊的影響，得到優(yōu)化的工藝參數(shù)。文中研究結(jié)果對(duì)紫銅厚板深熔焊接的優(yōu)質(zhì)高效焊接具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。

1 試驗(yàn)

所用材料為軋制態(tài)8 mm 的T2 紫銅板?；瘜W(xué)成分如表1 所示。常溫下T2 紫銅對(duì)激光的吸收率極低，僅約為鋼的5%[6]，同時(shí)T2 紫銅的熱導(dǎo)率很高，約為鋼的8 倍，低吸收率和高熱導(dǎo)率導(dǎo)致其激光焊過(guò)程熱效率很低。焊絲為直徑1.2 mm 的HS201 銅焊絲，化學(xué)成分如表2 所示。

表1 T2 紫銅化學(xué)成分Tab.1 Chemical composition of T2 pure copper

表2 HS201 焊絲的主要化學(xué)成分Tab.2 Main chemical composition of HS201 wire

試驗(yàn)采用 IPG YLS-4000 型光纖激光器搭配KempArc SYN400 MIG 焊機(jī)完成激光-MIG 復(fù)合焊接，焊接裝置示意圖和焊接試驗(yàn)場(chǎng)景如圖1 所示。激光器光斑尺寸為0.2 mm，波長(zhǎng)為1070 nm，最大輸出功率為4300 W。采用UTG9000C 系列函數(shù)信號(hào)發(fā)生器實(shí)現(xiàn)對(duì)激光功率的正弦調(diào)制。焊接過(guò)程中激光頭向后傾斜10°防止反射光損害激光器光學(xué)元件。MIG 焊槍和激光頭采用旁軸復(fù)合方式。采用MIG 電弧在前、激光在后的焊接方式。

圖1 激光-MIG 電弧復(fù)合焊試驗(yàn)場(chǎng)景Fig.1 Experimental scene of laser-MIG hybrid welding

本研究將調(diào)制振幅A和調(diào)制頻率f作為第一變量和第二變量，將平均功率P、送絲速度R分別作為第三變量，分別設(shè)計(jì)兩組三元二次回歸正交試驗(yàn)來(lái)研究工藝參數(shù)與調(diào)制參數(shù)之間的相互作用對(duì)紫銅光纖激光-MIG 復(fù)合焊的影響，試驗(yàn)參數(shù)分別如表3 和表4 所示。焊后取橫截面，采用焊縫橫截面熔化區(qū)面積（AFZ）表征紫銅激光-MIG 復(fù)合焊接過(guò)程的熱效率[21]。焊后對(duì)試樣進(jìn)行X 射線探傷，采用氣孔數(shù)量來(lái)表征焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。除表3 和表4 中所列參數(shù)外，其余焊接參數(shù)保持不變。焊接過(guò)程中對(duì)熔池前沿、熔池后沿及剛凝固的焊縫及焊縫背面均采用氬氣進(jìn)行保護(hù)以減輕氧化，氣流量為20 L/min。

2 結(jié)果與討論

2.1 激光功率變化對(duì)優(yōu)化調(diào)制參數(shù)的影響

依照表3 進(jìn)行焊接試驗(yàn)，得到的焊縫橫截面形貌分別如圖2 所示。橫截面熔化區(qū)面積結(jié)果如表3所示。

由表3 中的母材熔化區(qū)面積測(cè)量結(jié)果可以得到熔化區(qū)面積AFZ的回歸方程如式（1）所示。

表3 振幅-頻率-平均功率(A-f-P)回歸正交試驗(yàn)參數(shù)Tab.3 Experiment parameters for A-f-P regression test

表4 振幅-頻率-送絲速度(A-f-R)回歸正交試驗(yàn)計(jì)劃Tab.4 Schedule of (A-f-R) regression test

圖2 A-f-P 回歸正交試驗(yàn)焊縫橫截面形貌Fig.2 Cross-section morphology of A-f-P regression test

式中：A為振幅（W）；f為頻率（Hz）；P為平均功率（W）。

對(duì)回歸方程進(jìn)行顯著性檢驗(yàn)，結(jié)果表明該方程顯著度為99%以上，因此可以通過(guò)該回歸方程來(lái)預(yù)測(cè)熔化區(qū)面積隨平均功率、調(diào)制頻率及調(diào)制振幅的變化趨勢(shì)。使用該回歸方程計(jì)算各平均功率水平下熔化區(qū)面積隨調(diào)制振幅和調(diào)制頻率的演變，結(jié)果如圖3 所示。從圖3 可以看到，隨著平均功率增大，焊縫橫截面熔化區(qū)面積逐漸增大；當(dāng)平均功率和調(diào)制振幅一定時(shí)，調(diào)制頻率對(duì)熔化區(qū)面積的影響不大；平均功率為1671 W 和1800 W 時(shí)，當(dāng)調(diào)制頻率一定時(shí)，隨調(diào)制振幅增大，橫截面熔化區(qū)面積先增大后減小。平均功率繼續(xù)增大，在本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的調(diào)制振幅和調(diào)制頻率的變化范圍內(nèi)，隨著調(diào)制振幅的增大，熔化區(qū)面積持續(xù)增大，減小的趨勢(shì)不明顯。這也就是說(shuō)，調(diào)制振幅對(duì)焊縫橫截面熔化區(qū)面積的影響在一定程度上與平均功率的大小息息相關(guān)。

在700 Hz 的調(diào)制頻率下，提取不同激光功率下熔化區(qū)面積隨調(diào)制振幅變化關(guān)系，結(jié)果如圖4 所示。從圖4 可以看到，當(dāng)振幅約為平均功率的1/2～1/3 時(shí)，熔化區(qū)面積達(dá)到最大值，振幅繼續(xù)增大，熔化區(qū)面積減小。同時(shí)，對(duì)比不同焊接參數(shù)下的焊縫橫截面形貌，可以看到，5#,6#,7#,8#,10#熔深小，焊接過(guò)程為明顯的熱導(dǎo)焊過(guò)程，其余參數(shù)條件下的熔深均較大，為深熔焊。對(duì)比試驗(yàn)參數(shù)可以看到，本試驗(yàn)中熔深較小的幾組參數(shù)中平均功率的變化范圍為1800～3000 W，調(diào)制頻率變化范圍為200～1200 Hz，幾乎涵蓋了本試驗(yàn)設(shè)計(jì)的最大變化范圍，但是調(diào)制振幅分別為114 W 和200 W，處于本試驗(yàn)設(shè)計(jì)中較低水平，均遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于平均功率的1/3 大小，因此焊縫熔深較小，熔化區(qū)面積小，焊接過(guò)程熱效率低。由此可知，采用合適的調(diào)制振幅可以明顯提高焊接過(guò)程能量耦合效率。

圖3 熔化區(qū)面積隨振幅和頻率的演變Fig.3 Evolution of melting area with amplitude and frequency

圖4 不同平均功率下熔化區(qū)面積隨振幅變化(f=700 Hz)Fig.4 Evolution of melting area with amplitude under various average power (f=700 Hz)

圖5 不同平均功率下熔化區(qū)面積最大值對(duì)應(yīng)的調(diào)制參數(shù)Fig.5 Modulation parameters corresponding to the largest melting area under various average power

為了進(jìn)一步得到最優(yōu)調(diào)制參數(shù)組合，分別提取不同平均功率下熔化區(qū)面積最大值對(duì)應(yīng)的調(diào)制振幅和調(diào)制頻率，結(jié)果如圖5 所示。從圖5 可以看到，隨著平均功率的逐漸增大，焊接過(guò)程熱效率較高的參數(shù)組合向“大振幅+低頻率”方向移動(dòng)。對(duì)焊縫進(jìn)行X 射線探傷檢測(cè)氣孔數(shù)量，同時(shí)對(duì)比各焊接參數(shù)下熔化區(qū)面積，結(jié)果如圖6 所示。從圖6 可以看到，熔化區(qū)面積較大并且氣孔數(shù)量較少的為1#（P=3000 W,A=1000 W,f=1200 Hz）和13#（P=3129 W,A=600 W,f=700 Hz）試樣。平均功率決定焊接過(guò)程激光能量輸入的總體水平，調(diào)制振幅決定瞬時(shí)熱輸入的大小，振幅1000 W為平均功率3000 W 試樣中瞬時(shí)功率最大的參數(shù)，而13#試樣的最大瞬時(shí)功率也大于4000 W，由此可見(jiàn)，激光瞬時(shí)功率增大可以提高焊接過(guò)程穩(wěn)定性，分析原因可能是大的激光功率可以減少電弧對(duì)小孔的影響，小孔形成和崩塌的次數(shù)減少，從而有助于減少因小孔引起的氣孔和飛濺等焊接缺陷。

圖6 平均功率回歸正交試驗(yàn)氣孔和熔化區(qū)面積結(jié)果Fig.6 Results of porosity and melting area of A-f-P regression test

2.2 送絲速度變化對(duì)優(yōu)化調(diào)制參數(shù)的影響

依照表4 進(jìn)行焊接試驗(yàn)，得到焊縫橫截面形貌，如圖7 所示。橫截面熔化區(qū)面積結(jié)果如表4 所示。

根據(jù)表4 可以得到熔化區(qū)面積AFZ的回歸方程：

式中：A為振幅（W）；f為頻率（Hz）；R為送絲速度（m/min）。

圖7 A-f-R 回歸正交試驗(yàn)橫截面形貌Fig.7 Cross-section morphology of A-f-R regression test

經(jīng)過(guò)方差分析可知該回歸方程在顯著水平0.01下顯著，即置信度為99%，因此可以用該回歸方程分析預(yù)測(cè)工藝參數(shù)變化對(duì)橫截面熔化區(qū)面積的影響。利用該三元二次回歸方程計(jì)算得到不同送絲速度下熔化區(qū)面積隨調(diào)制振幅和頻率的演變，結(jié)果如圖8 所示。從圖8 可以看到，隨送絲速度不斷增大，熔化區(qū)面積顯著增大，其中在送絲速度為10 m/min 處熔化區(qū)面積相對(duì)較低，送絲速度陡增。不同送絲速度下，振幅對(duì)熔化區(qū)面積的影響均先增大后減小。在較低的送絲速度時(shí)，同一振幅下隨調(diào)制頻率增大，熔化區(qū)面積減小，焊接過(guò)程熱效率降低。隨著送絲速度的增大，這種大頻率降低熱效率的現(xiàn)象有所減弱。

提取不同送絲速度下熔化區(qū)面積最大值對(duì)應(yīng)的調(diào)制參數(shù)，結(jié)果如圖9 所示。從圖9 可以看到，隨著送絲速度增大，熔化區(qū)面積最大值對(duì)應(yīng)的調(diào)制振幅略有增大，但整體變化幅度不大，保持在800 W 左右；不同的送絲速度下，熔化區(qū)面積最大值對(duì)應(yīng)的調(diào)制頻率均為低頻?？梢园l(fā)現(xiàn)，要達(dá)到較高的熱效率，送絲速度必須達(dá)到一定值（10 m/min）以上。在該送絲速度以上，熱效率最高區(qū)域?yàn)?00 W 振幅匹配低頻區(qū)域。對(duì)比各個(gè)參數(shù)條件下焊縫中氣孔數(shù)量和焊縫橫截面熔化區(qū)面積，結(jié)果如圖10 所示。從圖10 可以看到，該組試驗(yàn)中熔化區(qū)面積較大的參數(shù)大多焊縫中氣孔也多，而沒(méi)有氣孔的焊接參數(shù)熔化區(qū)面積也比較小，其中2#（R=8.5 m/min,A=1000 W,f=1200 Hz）,6#（R=8.5 m/min,A=200 W,f=1200 Hz）,8#（R=8.5 m/min,A=200 W,f=200 Hz）,10#（R=10 m/min,A=114 W,f=700 Hz）母材幾乎沒(méi)有熔化，只是電弧焊絲熔化堆砌在試板上，幾乎沒(méi)有激光作用。而熔化區(qū)面積較大的參數(shù)，比如3#試樣（R=11.5 m/min,A=1000 W,f=200 Hz），一方面送絲速度較大，焊接過(guò)程熱輸入增大，有助于提高焊接過(guò)程熱效率，增大熔化區(qū)面積，但是另一方面送絲速度較大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)沖擊熔池的熔滴數(shù)目增多，焊接過(guò)程中熔池小孔的不穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致形成氣孔的幾率增大。對(duì)比11#,12#,13#試樣可知，調(diào)制頻率隨氣孔的影響比較明顯，高頻時(shí)易產(chǎn)生氣孔。

圖8 不同送絲速度下熔化區(qū)面積隨振幅和頻率演變Fig.8 Evolution of melting area with amplitude and frequency under various wire feed rates

圖9 不同送絲速度下熔化區(qū)面積最大值對(duì)應(yīng)的調(diào)制參數(shù)Fig.9 Modulation parameters corresponding to the largest melting area under various wire feed rates

圖10 送絲速度回歸正交試驗(yàn)氣孔和熔化區(qū)面積結(jié)果Fig.10 Results of porosity and melting area of A-f-R regression test

3 結(jié)論

分別設(shè)計(jì)并進(jìn)行了平均功率和送絲速度與調(diào)制振幅和調(diào)制頻率的兩組回歸正交試驗(yàn)，統(tǒng)計(jì)了焊縫橫截面面積與各因素之間的變化關(guān)系，分析了不同焊接參數(shù)下焊縫中的氣孔數(shù)量，主要得到以下結(jié)論。

1）隨著平均功率增大，焊縫橫截面熔化區(qū)面積逐漸增大；當(dāng)調(diào)制頻率一定時(shí)，隨調(diào)制振幅增大，橫截面熔化區(qū)面積先增大后減小；當(dāng)振幅約為平均功率的1/3 時(shí)，熔化區(qū)面積達(dá)到最大值，焊接過(guò)程熱效率最高；另外，大的激光功率可以減少電弧對(duì)小孔的影響，有助于減少焊接缺陷；隨著平均功率增大，優(yōu)化的調(diào)制振幅增大，調(diào)制頻率減小。

2）隨著送絲速度增大，大熔化區(qū)面積區(qū)域增大；要達(dá)到較高的熱效率，送絲速度必須達(dá)到一定值（10 m/min）以上，在該送絲速度以上，熱效率最高區(qū)域?yàn)?00 W 振幅匹配低頻率區(qū)域；另一方面送絲速度較大時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)沖擊熔池的熔滴數(shù)目增多，焊接過(guò)程中熔池小孔的不穩(wěn)定性增加，導(dǎo)致形成氣孔的幾率增大；不同送絲速度下，優(yōu)化的調(diào)制振幅和調(diào)制頻率變化不大。