激光的加入對激光-MIG復(fù)合焊熔滴過渡的影響研究

王秋影　邱培現(xiàn)　陳輝

摘要：對比研究3 kW激光的加入對鋁合金MIG焊熔滴過渡和過程穩(wěn)定性的影響，結(jié)果表明，激光的加入使焊接過程更穩(wěn)定。小電弧參數(shù)時，在等離子流力、電磁收縮力和激光匙孔金屬蒸汽反沖力的共同作用下，激光-MIG復(fù)合焊熔滴落點更靠近焊絲;大電弧參數(shù)時，等離子流力和電磁收縮力起主要作用，激光匙孔金屬蒸汽反沖力的作用可以忽略不計，激光加入前后熔滴均沿焊絲延長線落入熔池。

關(guān)鍵詞：MIG焊，激光-MIG復(fù)合焊，熔滴過渡

中圖分類號：TG456.7文獻標(biāo)志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0126-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.23

0 前言

焊接方法升級換代是提高鋁合金焊接接頭服役性能的重要手段。采用激光-MIG復(fù)合焊替代傳統(tǒng)MIG焊進行鋁合金焊接具有提高焊接效率、提高接頭強度、降低殘余應(yīng)力和變形等優(yōu)點[1-2]。要實現(xiàn)激光-MIG復(fù)合焊接技術(shù)在高速列車生產(chǎn)制造中的應(yīng)用，首先要解決焊接過程的穩(wěn)定性問題。在激光-電弧復(fù)合焊過程中，電弧形態(tài)和熔滴過渡的穩(wěn)定性不僅受電弧參數(shù)的影響，還受激光參數(shù)的影響。激光能量會影響電弧形態(tài)和電弧等離子體的熱傳導(dǎo)，影響電子密度和電流密度，使電弧長度、熔滴尺寸和速度發(fā)生改變[3]。因此，本文研究激光的加入對激光-MIG復(fù)合焊熔滴過渡和穩(wěn)定性的影響。

1 試驗材料與方法

采用IPG YLS-4000光纖激光器、KEMPPI Pulse 450 焊機和ABB IRB2600機器人組成激光-電弧復(fù)合系統(tǒng)，在厚10.5 mm鋁合金板上進行堆焊，焊絲為φ1.2 mm的ER5356。焊機選用單脈沖MIG焊模式，激光波長1 060 nm、光斑直徑200 μm、離焦量0 mm，激光在前、MIG焊槍在后，光絲間距為3～5 mm，保護氣為純度99.999%氬氣。采用Photron FASTCAM

SA4高速攝像機實時觀察熔滴過渡、電弧形態(tài)和熔池形貌。脈沖MIG焊焊接參數(shù)為：焊接速度0.54 m/min、送絲速度6 m/min或12 m/min;激光-MIG復(fù)合焊參數(shù)為：激光功率3 kW，焊接速度0.54 m/min、送絲速度6 m/min或12 m/min。

2 試驗結(jié)果

2.1 激光的加入對熔滴過渡的影響

當(dāng)送絲速度為 6 m/min時，觀察脈沖MIG焊和激光-MIG復(fù)合焊熔滴過渡過程，圖1和圖2為一個射滴過渡周期，熔滴過渡為一脈一滴。脈沖MIG焊熔滴從焊絲端頭分離到落入熔池的時間為5 ms（見圖1），而激光-MIG復(fù)合焊熔滴從焊絲端頭分離到落入熔池僅為1 ms（見圖2）。這是因為激光的加入改變了熔滴落點，兩種焊接過程熔滴的飛行距離不同。脈沖MIG焊時，熔滴落點在焊絲延長線的右側(cè)，如圖1d所示，落點到焊絲端部的連線與焊絲延長線的夾角為23°。激光-MIG焊復(fù)合焊時（見圖2），熔滴落點也在焊絲延長線的右側(cè)，如圖2c所示，落點到焊絲端部的連線與焊絲延長線的夾角為12°?？梢姡? kW激光的加入使得熔滴落點更靠后、熔滴飛行距離更短。

當(dāng)送絲速度為12 m/min時，熔滴過渡模式為射滴過渡，有時為短路過渡，均為一脈一滴。脈沖MIG焊和激光-MIG復(fù)合焊一個熔滴過渡周期分別如圖3、圖4所示?？梢?，脈沖MIG焊和激光-MIG復(fù)合焊過程的熔滴均沿焊絲延長線落入熔池，激光的加入并沒有明顯改變?nèi)鄣温潼c，熔滴從焊絲端頭分離后0.67 ms即落入熔池。

2.2 激光的加入對電弧參數(shù)的影響

加入激光對脈沖電流和電壓的影響如圖5、圖6所示?？梢钥闯?，送絲速度為6 m/min和12 m/min時，激光加入前后脈沖電流的基值和峰值均沒有明顯差別，激光加入前后脈沖周期的變化也不明顯;但送絲速度為12 m/min時的脈沖電流的基值和峰值高于送絲速度為6 m/min時的。

電參數(shù)的變化，尤其是電弧電壓的變化與熔滴過渡過程相互對應(yīng)，可反映焊接過程的穩(wěn)定性。由圖5可知，送絲速度為6 m/min時，脈沖MIG焊電流和電壓波動都較大，焊接過程不穩(wěn)定;3 kW激光的加入使脈沖電弧電流和電壓的波動減小，減少了短路過渡過程，焊接過程更穩(wěn)定。圖6表明，送絲速度為12 m/min時，脈沖MIG電流和電壓波動小于送絲速度為6 m/min時的，說明大電弧參數(shù)時焊接過程較為穩(wěn)定;3 kW激光的加入使得脈沖電壓波動減小，使焊接過程更加穩(wěn)定。

3 討論

熔滴過渡行為與熔滴的受力密切相關(guān)，MIG焊和激光-MIG復(fù)合焊熔滴受力示意如圖7所示。MIG焊熔滴過渡受重力Fg、表面張力Ft、等離子流力Fp和電磁收縮力Fem的共同作用（見圖7a），激光-MIG復(fù)合焊熔滴過渡還受激光匙孔金屬蒸汽反沖力Fv的作用（見圖7b）。其中，F(xiàn)em、Fp和Fg促進熔滴過渡，F(xiàn)t和Fv阻礙熔滴過渡，F(xiàn)em、Fp和Fv是決定熔滴過渡的主要因素[4-5]。

電磁收縮力Fem的計算公式為[6]：

Fem=I2f2（1）

式中 μ0為介質(zhì)磁導(dǎo)率;I為焊接電流;f2為電弧形態(tài)系數(shù)。電弧形態(tài)系數(shù)f2取決于電弧傳導(dǎo)角度，電弧形態(tài)影響電磁力的大小及方向[4]。電磁收縮力Fem與電流I的平方呈正比。

等離子流力Fp的計算公式為[6]

Fp=CDAp（2）

式中 CD為等離子體流拖拽系數(shù);Ap為作用在熔滴上的電弧傳導(dǎo)區(qū)面積;ρf為等離子流密度;vf為等離子流速度。等離子流力的方向與電弧形態(tài)有關(guān)[4]。等離子流力Fp與電弧傳導(dǎo)面積Ap呈正比。

激光匙孔金屬蒸汽反沖力Fv的計算公式為[6]

Fv=CDAp（3）

式中 CD為匙孔金屬蒸汽拖拽系數(shù);Ap為熔滴在垂直于匙孔金屬蒸汽流動方向上的投影面積;ρv為匙孔金屬蒸汽密度;vv為匙孔金屬蒸汽的流動速度。激光匙孔金屬蒸汽反沖力Fv的大小與光-絲間距和激光功率有關(guān)[4]。

電磁收縮力Fem和等離子流力Fp都是電弧力，對熔滴過渡有很大影響。根據(jù)式（1）、式（2），電弧形態(tài)和電流大小的變化是分析激光加入前后熔滴所受電磁收縮力Fem和等離子流力Fp的大小和方向的關(guān)鍵因素。

激光對電弧有吸引和壓縮作用。一方面，激光的加入使工件上方產(chǎn)生了大量的金屬蒸汽，大量的金屬蒸汽聚集在匙孔上方使局部電導(dǎo)率高，電弧沿電阻最小的路徑傳導(dǎo)，使電弧彎曲、電弧根部靠近匙孔[7]。另一方面，激光加入后，部分激光能量被電弧等離子體吸收，使電弧等離子體進一步電離，增加電弧的電離度，電弧被吸引的同時被壓縮，能量密度增加[8]。所以，激光的加入提高了電弧穩(wěn)定性、電弧的功率密度，并提高了熔化效率。

送絲速度為6 m/min時，激光引入前后熔滴都包裹在電弧中（見圖1、圖2），電弧傳導(dǎo)面積不變，等離子流力Fp的大小不變;激光加入前后脈沖電流沒有明顯差別（如圖5所示），激光-MIG復(fù)合焊時熔滴所受的電磁收縮力Fem與脈沖MIG焊相差不大;而激光-MIG復(fù)合焊熔滴還受激光匙孔金屬蒸汽反沖力Fv的作用，使得熔滴落點遠離匙孔。電弧形態(tài)的變化也影響熔滴受力，激光加入后電弧弧柱區(qū)體積減小，電弧收縮，使得熔滴所受合力方向靠下，熔滴落點靠后[4]。因此，送絲速度為6 m/min 時，3 kW激光的加入改變了熔滴的落點位置，脈沖MIG焊和激光-MIG復(fù)合焊熔滴落點均在焊絲延長線右側(cè)，但激光-MIG復(fù)合焊熔滴落點位置更靠后。

送絲速度為12 m/min時，激光加入前后熔滴等離子流力Fp和電磁收縮力Fem不變。但是，送絲速度12 m/min時脈沖電流遠大于送絲速度為6 m/min時的（如圖5、圖6所示），熔滴所受的電磁收縮力Fem顯著增大。脈沖MIG焊時，熔滴在合力作用下沿焊絲延長線落入熔池;激光-MIG復(fù)合焊時，與等離子流力Fp和電磁收縮力Fem對熔滴的促進作用相比，激光匙孔金屬蒸汽反沖力Fv對熔滴過渡的阻礙作用可以忽略不計，熔滴過渡行為主要受電弧力的影響。而且，隨著電弧參數(shù)的增大，電弧挺度增大，加入激光對電弧形態(tài)的影響也不如送絲速度為6 m/min時明顯，電弧形態(tài)變化對熔滴受力的影響也不明顯。因此，送絲速度為12 m/min 時，3 kW激光的加入沒有改變?nèi)鄣温潼c位置，激光加入前后熔滴均沿焊絲延長線落入熔池。

4 結(jié)論

（1）激光的加入有可能影響熔滴過渡過程。焊接速度為0.54 m/min、送絲速度6 m/min時，3 kW激光加入后，激光匙孔金屬蒸汽的反作用力使熔滴落點更靠近焊絲延長線，縮短了熔滴從焊絲尖端分離到落入熔池的時間;送絲速度為12 m/min時，熔滴過渡主要受電弧力的影響，3 kW激光的加入對熔滴過渡幾乎無影響。

（2）激光的加入使激光-MIG復(fù)合焊焊接過程更穩(wěn)定。

參考文獻：

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