（材料加工工程专业论文）yag激光mig电弧复合焊热源相互作用及熔滴过渡研究.pdf

摘要 激光一电弧复合焊是在2 0 世纪7 0 年代末由英国伦敦帝国大学的w s t e e n 提 出的一种新的焊接方法。这种焊接工艺综合了激光焊和电弧焊这两种焊接方法的 优点，又弥补了各自的不足，具有广泛的应用前景。目前世界各国的研究者对激 光一电弧复合焊做了大量的研究，但是对复合焊中热源的相互作用和熔滴过渡方 面的研究还比较少，因此有必要对此做深入的研究。 激光和电弧是两种物理特性完全不同的热源，具有各自的特点。当两种热源 同时作用在焊接位置时，不是简单的叠加作用，而是会发生相互作用。由于这种 相互作用的过程非常复杂，因此对其作用机理的详细研究非常困难，目前仍有很 多问题需要去研究。在激光一电弧复合焊过程中，熔滴过渡关系到焊接质量的好 坏和焊接过程的稳定，激光的加入改变了电弧力场、电磁场、熔池温度场以及表 面张力场等，这使得激光一电弧复合焊中熔滴过渡发生了变化，因此有必要对激 光一电弧复合焊的熔滴过渡过程进行研究。 本文搭建了y a g 激光一脉冲m i g 电弧复合焊接试验系统，进行了焊接试验并 同步采集了焊接过程中电信号和高速摄像信号。通过分析发现激光对脉冲m i g 电 弧具有明显的吸引、压缩和膨胀作用。这主要是因为y a g 激光作用在工件上会产 生大量金属蒸汽和少量等离子体，改变了电弧等离子体的形貌和状态，这也会影 响到电弧和焊接过程的稳定。 通过对复合焊接过程中的熔滴进行受力分析可知，激光改变了电弧力的大小 和方向，激光产生的金属蒸汽对熔滴产生了反冲力阻碍了熔滴过渡，电弧等离子 体会吸收穿过电弧的激光的能量，激光产生的金属蒸汽对熔滴也有热辐射的作 用，会促进熔滴的过渡，复合焊的熔滴过渡是在这种综合的作用下的结果。本文 分别对脉冲m i g 和直流m i g 的熔滴过渡进行了分析，对于一脉一滴，激光的加入 降低了熔滴的过渡频率变为两脉一滴；对于一脉多滴，激光的加入增加了焊丝的 熔化量，促进了熔滴过渡并使得熔滴过渡的颗粒半径减小；对于直流m i g 焊射 滴过渡，加入激光后熔滴过渡稳定，熔滴颗粒变得更加细小，形状不规则，这可 能是金属蒸汽的反作用力将熔滴打碎的原因。 关键词：y a g 激光复合焊热源相互作用熔滴过渡 a bs t r a c t i 脚e 卜a 托l i y 蜥d 、e i d i 呜i sa 鹏ww e i d i 哩p m c 鹤sn 埘p m p o s e db y 、ms 钯e n o f 血eb i i 缸s hi i n p e r i a iu n i 、r e 璐时i nn 舱i a 位7 0 so f1 9 出c e n 缸叮t h i sp m c 鹤sh 嬲 b o 血m ea d v 锄纽g eo fi 舔e rw e l d i n g 锄da 比w e i d i n g ，锄da i s oi i i m su pf o r 血e i r d e 6 c i e 眦i 铭，h 鼬b m a da p p l i 训o np m s p e c 伍a tp 麟e m 陀s e a 愆h e 略f 而ma l i 血e w o i i dh 删ed o 耻al o to f 豫s 翰比ho n 【脚e 卜a 旭w r e 呜，b u t 聘s 昀比ho n 也e m p l e x i n 钯聊c 戗o no fw e l d i n gh e a t u 鹏彻dn 聆t a l 蛔邺f e r 遗s t i n o te 肿唱h ，鲫i ti s 豫c 伪s a 叮幻d om o 佗s 加d yo n 衄s l 船e r 锄da 比a 聘t w oh e a ts o u 比鹤血a th a ，ec o m p l e 钯妙d i f f e 陀n tp h y s i c 蚰 c h 觚即钯r i s 6 鹤w h e n 血et ok a ts o u 鹏sw o i - 【o n 血ew o d 【p o s i 缸o n 幻g e 血e b 伍e y a 肥n o tas i m p ka d d i 缸v ee f r e c 毛b u tc o m p l e xi n 钯r 凇6 0 m b e c a 吣e 血j si n 蕾e m c v e p m 鼹i sv e 哕c o m p i i c 种e d ，也ed e t a i l e ds 缸母o f 山e k c h 锄i s mo f 迅m l e 迅v e 黟 d i 佑c u i t 山e 瞻a 聘s 6 ui 瑚i 呵p m b i e i 璐n e e d 幻b es 钿d i e d h 血ei 器e r a 比h y b d w e m i n gm d c 姻s ，血em e 衄i 吣f e r 远他l a 由e d 幻也ew e i d i n gq i l a i i 锣锄dm es 切b i u 锣o f w e m i n gp m c 鹤s l 嗣嘲rc h 粕g 鹳血ea 朋f o 陀e6 e m ，e l e c 臼d m a g n e 石c6 e l 也钯m p e 咖旭 6 e m 锄ds u l i f - a c e 钯吣i o no f 脚l 把np o o l ，e 位，w h i c hc h 锄g 的山el a 始r - a 托w e l d i n g d m p l e t i ti se s s e n 6 m 幻s 钿d y 血ei 聃包d 伽m s f e rp m c 鹤so fi 私e r a 聘l 矽b r i dw r e l d i n g 1 n h i sp a p e rb u i l 伽ay a g l a s e r - p u b e dm i g 舭蚵晰dw e i d i n gs y 咖m 锄d s y n c h m n o 璐c o i l e c 位dm ee l e c t r i cs i g 瑚i l s 锄d 血eh i g h - s p e e ds i g 硼l i so f 山ea 嵋t h e 锄a l y s i ss h o w s 也甜l 勰e 卜p u b e 剐ga 坨i so b l ，i o i 岱妙稚国c 伽，m p 他鼹e d a n d 既p 锄d e d 蚵血el a s e ln i s 话i 删n b rb e c a 璐ey a g i 嬲e r w o 她仙也ew 0 1 p i e c ew p m d 佻eai o t0 f 腓伽v a p o ra n das 嗽u 锄吼to fp l a s m a w h i c hc 蛔i 呜鹤也e 咖i p h o l o g y 锄dm es 触o fm ep i 嬲撇a k ，删a b o 时钕t 山es 讪n 时o fa 托柚d w e h i n gp m c 伪文 t h m u g h 血ea 硼崎s 迭o fm ef o 佗ew o d 玛o n 血ed m p i e ti n 恤ei 黟b d dp m c e 髂， i 嬲e rp o w e rc h a n g e sm e 略嬲u 聘m e m 删d i 把c 矗o no f 协ea 嵋t h en 舱t a lv a i 抑r p m d u c e db yl a s e r 仰血ed m p l e tp m d u c e d 他c o i l h i n d e 略d m p i e t 臼a 璐i 6 0 n 柚da b s o m 血m u g h 血ea 托p l 舔眦i 嬲e re n e r g y ，i 必e 卜p m d u c e dm e 伽v a p o ro n 血ed 巾p i e ti s 妯s o 血em l eo fm e m l a l 聊i i “o n ，w p m m o 钯d m p l e t 晌施i 石o n ，m e 伽臼翟幡f e ro fh y b r i d w e 埘吨b 恤e 埔s 山to fs u c he i e m e 鹏n i sp a p e r 蝴妙z e d 血ep u i s ea n dd c 加g s 腓伽臼锄s f e r f 0 rad m p l e to fap u l s e ，血el a s e rd e c m 嬲e s 出e 蛔煅i 6 0 n 他q u e n c y w h i c hm a l 嘲ad m p i e to fap u b ei n 幻t w op u b ead m p ；f o ram u l t i d m p i e to fap u b e ， 协ei 勰e ra d d s 恤en 硷l t i n gc a p i 锣o f 协ew i 把，蛐dp m m o 钯s 血ed m p l e t 呦s i 6 0 n 他q u e n 呵锄dd e c 瞻a s 髓n 帕d m p l e t 耐i 吣；f o rd cm i gw e i d i 哩，l a s e ra d d s 血e s 切蜥i i 锣o fd m p l e t 慨璐f e bs m a l ld m p l e tp a i t i c l 髓b e c o i 眦m o 陀i n e g u i 盯i ns h a p e ， 血j sm 呵b e 也e 他戤6 0 no fm e 电dv a p o r 血m u g hb 旭a l 【i n g 也e 伽i s d m p i e 乞 k e yw o r d s ：y a gl a 舱r h y b 耐w e m i n g ，k 墙旺s o u k e sh 把瞄c 6 0 n d m p l e t 臼删f i e r 第一章绪论 1 1 课题背景 1 1 1 激光焊及其特点 第一章绪论 1 9 6 0 年，t h m a i l n a n 利用红宝石晶体受激辐射生产出了第一台激光器，随 后激光技术受到了世界广泛的关注，现在激光已经成为了一种重要的加工方法。 激光的能量密度高，易于实现自动化，集成化和柔性化，因此激光在材料加工领 域的应用越来越广泛。激光焊接作为激光加工的方式之一，已经成为一种重要的 焊接方法。因为激光的独有特点，使得激光焊接广泛应用于汽车制造、航空航天、 船舶制造、钢铁行业、电子行业、压力容器等领域。世界各国的科研人员在激光 焊接方面也做了大量研究，激光技术获得了很大的发展l i j 。 目前，用于焊接的激光器主要有以下几种：c 0 ：激光器、n d ：y a g 激光器、 光纤激光器、蝶形y a g 激光器和半导体阵列激光器等，表卜1 为常用激光器的性 能参数比较1 2 i 。 表卜l几种焊接激光器的性能参数 波长输出功率p 光束质量 能量效率 类型激光介质光束传输 ! 鲤! 堕! 粤些：竺型【丝 c q 激光器混合气体1 0 6 0 0镜片 灯泵浦n d ：y a g 激光泵浦n d y a g 光纤激光器 蝶形激光器 半导体激光器 晶体棒 晶体棒 光纤( 镱) 晶体薄碟 混合气体 光纤 光纤 光纤 光纤 镜片 2 0 4 6 l o 4 6 2 5 1 2 1 2 5 2 5 8 0 l o 3 l o 2 0 2 0 3 5 根据实际作用在工件上激光的功率密度，可以将激光焊接分为热传导焊和深 熔焊接两种。热传导焊接时，激光的功率密度小于1 0 唧c m 2 ，工件表面的温度没 有达到材料的沸点，工件吸收激光的能量转变为热能后，通过热传导的方式将工 件熔化，无小孔效应发生，焊接过程与非熔化极电弧焊相似，熔池形状近似为半 球形。深熔焊接时，激光的功率密度大于1 0 6 w c m 2 ，金属表面在激光能量的作用 鲫 加 如 舶 姗 姗 姗 姗 一 默 第一章绪论 下，温度迅速上升到金属的沸点，金属迅速蒸发形成的蒸汽压力和反冲力等能克 服熔融金属的表面张力以及液体的静压力等而形成小孔，激光束可直接深入材料 内部，因而能形成深宽比大的焊缝。图卜1 为激光深熔焊接示意图。 图1 1 激光深熔焊接示意图 激光焊采用能量密度很高的激光束作为焊接热源，作用在待焊工件很小的区 域内，并且在很短的时间内将激光的能量转化为热能加热并熔化工件以形成焊 缝，这种方法具有以下优点： ( 1 ) 激光束的能量密度高，聚焦后的激光能量密度可达1 0 5 1 0 7 w c m 2 ，甚至更 高。高能量密度的激光作用在很小的区域内，加热集中，并且在单位长度上的热 输入量低，因此焊接变形小，热影响区也小，适用于精密焊接。 ( 2 ) 激光焊接熔深大，焊缝的深宽比很大，在焊接比较厚的工件时可以一次 焊透而不用开坡口。目前不开坡口激光焊单道可焊厚度可以达到5 0 姗，深宽比 可达1 2 ：1 。 ( 3 ) 激光焊可以用来进行难熔、热敏感性强以及热物理性能差异悬殊金属的 焊接。 ( 4 ) 激光束可穿过透明介质而对密闭透明容器内的工件进行焊接，并且可借 助反射镜等使光束达到一般焊接方法无法施焊的部位，y a g 激光( 波长1 0 6 朋) 还可用光纤传输，可达性好。 ( 5 ) 激光束不受电磁干扰，无磁偏吹现象存在，适宜于磁性材料的焊接。 但激光焊接仍有其不足之处，这表现在： ( 1 ) 设备的一次性投资大，特别是大功率激光焊系统费用更高，占地面积也 大，且日常的运转费用也较i 每。 ( 2 ) 激光焊接大多不用填充焊丝，这使得激光焊的应用范围很窄，很难对焊 缝进行冶金控制。 ( 3 ) 激光焊对装配精度要求较高，因为激光束的直径很小( 0 1 加3 彻) ，在焊 目 第一章绪论 接时，装配问隙要小于激光直径，且两侧母材加工精度要高，这无疑增加了焊前 准备的成本。 ( 4 ) 激光焊接时产生的等离子体对激光吸收、散射和反射以及工件对激光的 反射，使其焊接效率较低。 ( 5 ) 反射率高的金属( 铝及其合金、铜及其合金等) 焊接十分困难。 ( 6 ) 容易产生气孔、缩孔、咬边等焊接缺陷。 上述问题的存在极大地限制了激光焊接技术的应用范围，如何解决激光焊接 的成本高、低适应性等问题，一直是激光焊接研究者关注的焦点i l l 。 1 1 2 激光一电弧复合焊概述 由于激光焊在工业中的应用存在以上问题，因此为了扩大激光焊接的应用范 围，增强和改善激光的焊接效果，降低激光焊接设备的成本，人们开始研究能否 综合其它焊接热源辅助激光进行焊接，以提高激光的焊接能力和焊接质量。2 0 世纪7 0 年代英国帝国大学的w m s t e e n 首次采用电弧焊辅助激光进行焊接，提 出了激光一电弧复合焊接技术的概念1 。其主要思想是将激光和电弧这两种性质 完全不同的热源叠加在一起，同时作用在焊接部位进行焊接。激光一电弧复合焊 集中了激光焊接和电弧焊接两种焊接方法的优点，同时又克服了这两种方法各自 的不足，是一种全新的焊接方法，具有广泛的应用前景，其原理如图卜2 所示。 _ 卜u e i d i n 苎d i r c c c i ( ) n 刘 l i i s c i 【1 c “】 l 、【 1 k n i c c c 图卜2 激光一电弧复合焊原理示意图 众所周知，电弧是一种经济的焊接热源，电弧焊t 艺从1 9 6 0 年开始出现， 到目前为止已经发展成为一种非常成熟的焊接工艺并广泛应用在工业生产的很 多领域。电弧焊可分为非熔化极的钨极氩弧焊( t i g 焊) 、熔化极惰性气体保护焊 ( m i g 焊) 和熔化极活性气体保护焊( m a g 焊) 。与激光焊接相比，电弧焊有以下优 第一章绪论 点： ( 1 ) 电弧焊接经济性好，焊接能量利用率高( 可达输入功率的6 0 以上) 。 ( 2 ) 电弧焊的热作用区大，桥接性能好，对焊接工件的间隙和平整度要求不 严格，间隙和错位可达工件厚度的1 0 。 ( 3 ) 电弧焊接热输入量大，焊接速度慢，焊接后的焊缝区域硬度不高，与母 材相差甚少。 ( 4 ) 与激光的性质不同，电弧焊不存在反射和散射的问题，可以焊接铝、铜 等高反射材料。 ( 5 ) 通过填丝或熔化极材料的填入和开坡口，可以焊接超厚的工件。 而电弧焊接的缺点在于： ( 1 ) 焊接速度慢。根据厚度不同，常用的焊接速度在3 0 0 硼m i n 以下。 ( 2 ) 工作效率低，且当焊接速度太快时电弧将非常不稳定，电弧会产生出现 跳动。 ( 3 ) 焊接熔深浅。这主要是因为电弧焊接能量不集中，功率密度通常只有1 0 2 1 0 w c 砰，不能形成深熔焊。 ( 4 ) 焊接热输入量大，再加上低的焊接速度，焊接后焊件的变形量大，焊缝 组织的热应力大1 4 i 。 将激光和电弧这两种物理性质、能量传输机制截然不同的两种热源复合在一 起，同时作用于同一加工位置，希望充分利用两种热源各自的优势，又相互弥补 各自的不足。并且s t e e n 通过实验验证了激光与电弧复合后加强焊接效果的可行 性1 5 i 。在此以后激光与电弧的复合焊受到越来越多的学者所关注，对激光与电弧 的复合工艺和复合机理各个方面进行了深入的研究，复合焊接技术已经成为了激 光焊接方面的一个热点研究方向。 按照激光一电弧复合焊中的激光功率大小可以分为以下三类： ( 1 ) 百瓦级激光能量+ 电弧复合 热源显示为电弧的特性。激光功率能量比较小( 5 0 0 w ) ，激光主要起稳定和 压缩电弧、提高电弧能量利用率的作用，多用于激光+ t i g 电弧的复合焊接，比 较适合薄板焊接。 ( 2 ) 千瓦级激光能量+ 电弧复合 热源兼有激光和电弧的特性，能够充分利用二者的优点，多用于激光+ m i g m a g 电弧的复合焊。适用于铝合金、镁合金、碳钢、低合金高强钢、超高强 钢等材料的焊接。 ( 3 ) 万瓦级激光能量+ 电弧复合 热源显示激光的特点，具有较大的焊缝深宽比，大多采用大功率的c 0 ：+ 激光 与m a g 焊的复合，难以实现全位置柔性化焊接，主要用于船板等大厚板的焊接， 4 第一章绪论 设备投资较大1 2 l 。 根据激光与电弧在焊接时的空间位置分布的不同可以将复合形式分为旁轴 复合和同轴复合。激光一电弧旁轴复合一般是激光轴线与电弧轴线成一定的夹角 进行复合焊接如图卜3 所示：激光一电弧同轴复合是指激光轴线与电弧轴线共 线，多数是在空心钨极氩弧焊的基础上进行激光复合如图卜4 所示。 上件 图1 3 激光一旁轴电弧复合热源示意图 上件 图l - 4 激光一同轴电弧复合热源示意图 罩 极 哈尔滨工业大学的陈彦斌等人在研究空心钨极电弧焊的基础上对激光一同 轴电弧复合焊进行了深入的研究。实验结果表明，激光与电弧相互作用增强的效 果十分显著，采用同轴电弧作为辅助热源增大焊接熔深的效果优于激光一旁轴电 弧复合焊接热源的焊接效果，并且在试验的基础上，得到了激光，一同轴电弧复 合焊接热源焊接熔深的变化规律1 6 i 。 5 第一章绪论 1 1 3 激光一电弧复合焊的优点 激光一电弧复合焊综合了激光和电弧两种焊接方法的优点，起到了优势互补 的作用，下面简要介绍激光一电弧复合焊的优点： ( 1 ) 更大的焊接熔深和焊接速度。采用低功率激光器和电弧复合就能够取得 大功率激光器才能够得到的焊接熔深或焊接速度。 ( 2 ) 更高的工艺稳定性。电弧焊接容易受到各种环境因素的影响而导致工艺 过程剧烈波动，尤其是高速焊接中，电弧弧根阳极或阴极斑点的剧烈跳跃会造成 工艺极不稳定并伴随咬边、驼峰等焊缝缺陷。激光加入后，其作用点能够为电弧 提供稳定的阳极或阴极斑点，有效抑制电弧弧根跳跃。激光等离子体还能够通过 激光、电弧相互作用提高了电弧的电离程度，稳定和压缩电弧，提高工艺稳定性。 ( 3 ) 更容易控制焊缝成形和接头性能。通过工艺参数的调节就可以控制焊接 热输入、熔池能量分布和受力状况、冷却速度，从而改善焊接焊缝成形和微观组 织。 ( 4 ) 更强的接头间隙桥接能力。激光焊接的接头缝隙只能在很小的范围( 0 3 衄) 内波动，否则将形成气孔、咬边，未熔合等焊接缺陷。已有的研究证明复 合焊接能够在接头间隙高达1 5 咖的情况下获得理想的焊缝成形。 ( 5 ) 激光一熔化极电弧复合焊接可填充焊接材料，调整焊缝成分，改善焊缝 组织和性能。电弧焊丝材料的添加能够改变焊缝的合金成分，改善焊缝成分和微 观组织，提高焊缝质量。 ( 6 ) 可以焊接高反射率的金属。因为电弧在前端的预热作用，大大减少高反 射率金属对激光能量的反射，提高了特殊材料的可焊性。事实上，目前激光一电 弧复合焊接大量应用于高反射率金属，如铝合金、镁合金、钛合金等材料的可焊 性研究，而且取得了理想的试验结果。 ( 7 ) 同传统电弧焊接相比，激光一电弧复合焊接的焊接变形更小。通常，电 弧焊接因为变形而进行的后处理大约需要耗费整个处理工时的三分之一。而复合 焊接可降低焊接热输入，缩小焊接变形，减少后期装配工时。 ( 8 ) 大大扩大了激光在工业中的应用范围，促进了焊接自动化程度1 7 i 。 1 2 激光一g 电弧复合焊的研究现状 1 2 1 激光一电弧复合焊接工艺及应用的研究 目前，国外对激光一电弧复合焊接技术进行了大量的研究。这种焊接工艺在 工业上的应用有很多优点。现在激光一电弧复合焊已经在汽车、石油管道和船舶 6 第一章绪论 等行业有所应用，并且在其它工业领域的应用研究也在积极的进行乜们。 在汽车制造方面，德国的大众汽车公司首先将激光一m i g 复合焊工艺应用到 了奥迪a 8 轿车车体框架和辉腾轿车车门的焊接中。在辉腾轿车车门焊接中有 3 5 7 0 姗的焊缝采用了激光一m i g 复合焊工艺，与以往的焊接工艺相比激光复合焊 不仅焊接速度高，而且降低对焊接装配精度的要求，形成的焊接接头质量也满足 焊接要求。 在石油管道的焊接方面，若采用电弧焊，对壁厚为1 0 1 5 咖的管道需要进行 大约6 道焊，而且焊接速度慢，效率很低。若采用大功率激光器焊接，即使能一 次性焊透，但是激光焊接头对间隙的搭桥能力太差，对工件的装配精度要求高。 英国剑桥大学的p lm o o r e 等人1 8 l 改用y a g 激光一m a g 电弧复合焊对石油管道进 行焊接，实现了一次性焊透，焊接效率得到了很大提高，同时焊缝为a f e 组织， 性能良好。德国的s k a i e r l e 等人1 9 l 在石油罐槽的焊接中使用了c 0 ：激光一m i g 电弧复合焊接工艺，结果为采用功率为5 7 k w 的c o 。激光，2 4 0 a 电流，2 9 v 电压 的m i g 的电弧，焊丝直径为1 6 咖、厚度为5 9 衄的石油罐槽时，焊接速度达 到了1 5 m m i n ，焊接所用总时间不超过3 5 m i n 。对焊缝进行x 射线检测发现基 本没有气孔和裂纹等缺陷，焊接质量和接头性能满足要求。 在船舶制造方面，现在大部分的船体都为钢结构，通常的焊接方法为手工电 弧焊和熔化极气体保护焊，效率低，焊接质量也不能保证。德国的a k e rw a r n 0 w w e r f t 船厂l l o l 研制了激光一m i g 电弧复合焊接生产线，主要用来进行船用甲板和 加强梁的焊接。采用激光一m i g 电弧复合焊接生产工艺，甲板的焊接变形比以前 减少了2 3 ，大大减少焊后处理的时间。 1 2 2 激光一m i g 电弧复合焊接机理的研究 国内外对激光与电弧复合焊接都做了许多实践性的研究，德国的i s f 技术研 究所和美国的l i a 激光研究所在激光与电弧复合焊接方面的研究最为活跃，发表 了许多复合焊研究的论文。一些专家学者也曾尝试建立激光一电弧焊接的模型以 总结激光一电弧复合焊接的规律，但是激光与电弧的相互作用机理极为复杂难 以建立一个很好的模型来分析复合焊接过程，并找到统一的理论来描述焊接过程 中激光与电弧相互影响。 目前，国内外对激光一电弧复合焊热源焊接机理的分析，主要有以下几个方 面： ( 1 ) 电弧对激光的作用 首先，在激光一电弧复合焊时，由于激光作用在焊接熔池中，这样可以大大 提高金属对激光的吸收，降低对激光的反射作用。s h i d at 等人利用c 0 ：激光一 m i g 电弧复合焊焊接a 1 ，试验结果表明复合焊过程中a 1 对激光能量的吸收率明 7 第一章绪论 显提高，并且复合焊接的焊接熔深比单一激光焊时提高了大约1 5 2 0 ，同时 焊缝的表面成形也比单激光焊接时要好i l l l 。 其次，激光一电弧复合焊可以大大降低激光焊接对装配的精度要求，提高了 生产效率，并扩大了激光焊在工业上的的应用范围。例如石油管道的厚度约1 0 1 5 m m ，间隙约为1 唧，在石油管道的焊接中，若采用传统的电弧焊需要进行多道 焊接，焊接效率很低；若采用激光焊，则由于焊接熔池搭桥能力太差，对焊接装 配精度要求高，无法施焊；而采用激光一电弧复合焊则可以焊接并提高焊接效率， 增大熔深。 最后，电弧能够稀释激光焊接等离子体，降低等离子体对激光的屏蔽作用。 天津大学的胡绳荪等人利用s t a r k 展宽光谱法分别测定了单独t i g 焊、单独激光 焊和激光一t i g 电弧复合焊三种情况下热源的电子密度。试验结果表明激光一电 弧复合焊中的电子密度降低，即激光产生的等离子体密度降低，减少了其对激光 的吸收、散焦作用1 1 2 l 。但是当电弧电流较大时，由于电弧的等离子体也很强， 电弧对激光等离子体的稀释作用就不明显。反而，电弧会对激光产生屏蔽作用， 主要是对激光的吸收和散焦作用。哈尔滨工业大学的陈彦宾等人1 1 3 l 设计了一重 新型的试验方法，采用激光烧蚀有机玻璃的方法定量测量了0 0 2 激光穿过电弧 时电弧对激光的吸收和散焦特性。如图1 5 所示，在钨极和铜板之间产生稳定的 1 1 g 电弧，弧长约为4 咖，激光从上穿过电弧照射到下方的有机玻璃上。通过 测量激光在有机玻璃上的烧蚀深度可以反映激光的强度，激光在有机玻璃上的烧 蚀宽度可以反映激光光斑的直径大小即电弧对激光的散焦特性。 图1 5电弧对激光的吸收与散焦测量方法 图1 6 为不同电流下电弧对激光的吸收作用，从图中可以看出，随着电弧电 流的增大，电弧对激光能量的吸收也逐渐增大，当电弧电流增大到一定值时电弧 对激光的吸收逐渐稳定，不再增加。图1 7 为不同电弧电流下电弧对激光的散焦 作用，从图中可以看出，随着电弧电流的增人，电弧对激光的散焦作用增加，激 光束的光斑而积增大，光束变得发散。激光功率越大，电弧对激光的散焦作用也 囝 第一章绪论 越明显。 图l _ 6 不同电流下电弧对激光的吸收 图l 一7 不同电流下电弧对激光的散焦 ( 2 ) 激光对电弧的作用 当焊接电弧电流较小或者焊接速度很高时，电弧就会处于不稳定状态，所以 小电流焊接或者高速焊接过程不是很稳定。在激光一电弧复合焊中激光的加入对 电弧起到了稳定的作用，电弧激光吸引和压缩，增加了电弧的能量密度，使电弧 更加稳定。v v a 州o v 等人为了研究激光对t i g 电弧的电流密度的影响，采用阳 极间隙法测试了激光一t i g 旁轴复合热源的电流密度，试验结果发现在激光作用 下，t i g 电弧的电流密度大大增加1 1 4 l 。 ( 3 ) 激光和电弧的相互作用 激光与电弧复合后，激光等离子体与电弧等离子体会产生相互作用，与单激 光和单电弧相比，焊接等离子体形态发生了很大的变化。北京航空制造工程研究 所的段爱琴等人研究了y a g 激光与g 电弧复合焊等离子体的特征，通过高速 摄像采集了单y a g 、单i 忸g 、y a g g 激光电弧复合焊焊接铝锂合金的等离子 体图像并进行了分析。图l - 8 为y ：a g i 忸g 焊接5 a 9 0 时的四类典型等离子体特 9 第一章绪论 征图像。 ( a )( b ) ( c )( 由 图l 一8y a g g 焊接5 a 9 0 的四类典型等离子体特征 ( a ) 强m i g 等离子体+ 强y a g 等离子体，( b ) 强i g 等离子体+ 弱y a g 等离子体，( c ) i g 微弧+ 强y a g 金属蒸汽，等离子体，( 由m l g 微弧+ 弱y a g 金属蒸汽，等离子体 分析高速摄像照片可以发现： ( 1 ) 当强m i g 电弧等离子体与强y a g 激光复合时，复合焊的等离子体形状 和亮度发生了明显的叠加，而不是两种等离子体的简单叠加。单激光焊接时y a g 产生的等离子体较弱，但是在复合焊接过程中，激光等离子体对m i g 电弧的影 响还是很大的，不能忽视。 ( 2 ) 当强m i g 电弧与弱的y a g 激光复合焊时，复合后的等离子体形状与单 g 焊的等离子形状相似，说明弱的激光对加g 电弧等离子体的影响较弱。 ( 3 ) 在弱的i g 电弧与强y a g 激光复合焊时，发现激光等离子体的强度远 i 岛于单y a g 激光焊时的等离子体，并且形状也发生了很大的变化。这种现象说 明虽然g 电弧等离子体的密度很低，但是它对激光等离子体的影响作用不能 忽视。这种作用原理可能来自两个方面，一是由于g 电弧对材料表面的预热 作用使得激光作用在材料表面时金属的气化和电离加强；二是i 恤g 电弧的保护 气体氩气增加了激光作用区域的电离度。 ( 4 ) 当弱m i g 电弧与弱y a g 激光复合时，与单一m i g 电弧相比，复合焊的 等离子体强度升高，这对于进入熔池的熔滴的加热历程有所不同，可能更有利于 熔滴的流动和均匀分布i l s i 。 1 2 3 激光一m 工g 电弧复合焊熔滴过渡的研究 国内对激光一电弧复合焊熔滴过渡的研究比较少。哈尔滨工业大学现代焊接 生产技术国家重点实验室的雷正龙等人研究了c 0 2 激光一i g 复合焊接的射滴 过渡特点。试验材料为5 o m m 厚的l 防锈铝合金板材，试验参数如表1 2 所 示。 1 0 一 第一章绪论 表1 2 复合焊试验参数 m i g 电弧电流：i - 1 5 0 a 电压：u - 2 1 3 v 焊丝直径：d 净1 2 咖 保护气体压力( a i ：i q 产o 1 如0 2 5 i n 焊接参数 一 c 0 _ 2 激光功率：p = l o o o 以o w 焦距：忙1 9 0 衄 光斑直径：d = o 2 删m 离焦量：轵h 3 咖 焊接速度：v = 1 o m ，m i n 激光束与电弧之间角度：a = 4 0 。 图1 9 为单m i g 焊接和复合焊接的电弧电压波形，图1 1 0 为单m i g 焊接和 复合焊接熔滴过渡的高速摄像。从图1 9 中可以看出单加g 焊接时电弧电压波 动较大，从1 1 0 ( a ) 中可以看出此时熔滴过渡方式为射滴过渡和短路过渡的混合 方式。而对于激光复合焊接的电弧电压变得非常平稳，从高速摄像中可以看出熔 滴过渡方式变为稳定的射滴过渡，过渡频率加快，这样不仅提高了焊缝熔深，也 稳定了焊接电弧。 m l g 3 r 州出唱 勘 、h、- 旷t硼衫盯丌 v l 耻旦 二l 由 雹苴冒口强础 器 薹：= i o b o o 吖r _ “ 半 b 蟹r 艇i (h v b d 叫：m m g 吖_、 。、p 一-_ ，、，、，v v ，- ，- l i m i 目 r i m t f 图1 9单m i g 焊接和复合焊接的电弧电压波形( p = 1 5 0 0 w ：i = 1 5 0 a ：d l = 2 5 咖) 第一章绪论 ( a ) m i g 电弧焊接 ( b ) 激光一m i g 复合焊接 图l - 1 0 复合焊接前后熔滴过渡高速摄像( p = 1 5 0 0 ；i - 1 5 0 a ；u - 2 1 8 ；d l _ 2 5 咖) 从图l 1 0 的( a ) 和嘞对比可以发现，复合焊接过程中在熔滴过渡完成瞬间， 焊丝端部仍有少量残存的熔化金属飘向激光束方向。这可能是由于激光等离子体 和金属蒸汽分别对熔滴产生了一个吸引力和反冲力而阻碍了熔滴过渡造成的。但 是在激光一l 咀g 复合焊接过程中，激光的能量密度非常高，激光能量对熔滴的 热辐射作用导致的促进熔滴过渡的作用占了主导作用，因而在复合焊接过程中， 熔滴的过渡频率提高，焊接过程的稳定性提高1 2 0 l 。 上海交通大学的庄凯等人通过高速摄像采集了m i g 焊和c 0 2 激光一m i g 复 合焊的熔滴过渡图像，其复合焊接参数如表1 - 3 所示。 表1 3 激光复合焊接参数 激光功率离焦量焊接速度侧吹 焊接电流电弧电压 保护气体 p ，i m f咖 ( m ，嘣m )气体i，a u ，v 1 2- 2 1 3 8h eh e + 2 5 a r2 5 82 9 8 试验过程中发现g 焊接的熔滴过渡方式为颗粒过渡和短路过渡的混合过 渡方式，如图1 1 l 所示。混合过渡为一种不稳定的过渡方式，当过渡方式为大 颗粒过渡和短路过渡时，焊接过程巾容易出现大量飞溅，影响焊接过程的稳定和 焊缝成形。激光一g 复合焊的熔滴过渡高速摄像如图1 1 2 所示，从图中可以 看出在激光等离子体的作用下电弧形态发生了很大变化，熔滴过渡方式变为射流 过渡，熔滴的过渡频率加快，焊接过程稳定，飞溅减少，焊缝成形好1 2 7 l 。 1 2 第一章绪论 ( a ) 颗粒过渡 ( b ) 短路过渡 图l l l m i g 电弧焊熔滴混合过渡的高速摄像 图l 1 2 激光一m i g 复合焊熔滴射流过渡的高速摄像 哈尔滨工业大学的刘达樊在对复合焊热源的特点进行分析的基础上，建立了 焊接熔滴受力的状态方程和能量控制方程，利用有限元软件对0 0 2 激光一m i g 复合焊熔滴过渡进行了数值模拟，研究了焊接电流、激光功率和保护气体流量等 焊接参数对熔滴形态的影响并对模拟结果进行了试验验证，如图1 1 3 所示。 秒秒秒秒 ( a ) 阻lo o o w( b ) p = l5 0 0 w ( c ) p = 2 0 0 0 w( d ) p 2 4 0 0 w 图l - 1 3 射滴过渡时激光功率对熔滴形态的影响( i - 1 5 0 a ，l 产2 2 l m i n ) 1 3 第一章绪论 从图1 1 3 可以看出模拟的结果与试验结果基本符合，并且随着激光功率的 增大，熔滴的体积增大，并且破坏了熔滴过渡的轴向性。因为随着激光功率的增 加，一方面由于激光产生的金属蒸汽对熔滴的反作用力也越大，这种力阻碍熔滴 过渡，使熔滴的体积增加；另一方面，激光对电弧的影响使得电弧产生的电磁收 缩力的大小和方向也发生了改变，其方向偏离焊丝轴向越来越大，导致熔滴过渡 的轴向性变差1 2 8 l 。 1 3 本课题的主要研究内容 综合以前在激光一电弧复合焊方面的研究发现，主要集中在激光一电弧复合 焊的工艺及应用方面，而涉及到激光一电弧复合焊热源理论等方面的研究还是不 够深入。特别是加入激光后电弧和激光两种热源的相互作用机理，激光对电弧形 态、熔滴过渡等方面的影响等都有待于深入研究。本课题将在这几方面通过y a g 激光一电弧复合焊接试验进行研究，主要研就内容包括以下几个方面： 1 搭建y a g 激光一m i g 电弧复合焊接试验系统，包括熔滴过渡高速摄像信号、 焊接电流和电弧电压的同步采集系统。 2 进行未复合m i g 电弧焊接试验和y a g 激光一m i g 电弧复合焊接试验，并分 别进行熔滴过渡高速摄像信号、焊接电流和电弧电压信息的同步采集。 3 对实验所得数据进行分析，包括熔滴过渡高速摄像、焊接电流、电弧电压 信号。分析未复合m i g 焊接与y a g - m i g 激光复合焊接过程中的电弧形态的区别， 并分析激光对电弧的影响及相互作用机理。 4 通过对未复合m i g 焊接和y a g _ m i g 激光复合焊接过程中熔滴过渡的分析， 研究复合焊过程中激光的加入对m i g 电弧熔滴过渡的影响。 1 4 第二章激光一电弧复合焊接试验设备 第二章激光一电弧复合焊试验设备 为了研究y a g 激光一m l g 电弧复合焊激光与电弧这两种热源之间的相互作 用机理及激光对熔滴过渡过程的影响规律，本章搭建了y a g 激光一g 电弧复 合焊接试验系统，包括激光一电弧复合焊设备和信号采集设备，本章将简要介绍 试验中用到的设备的主要原理、参数和性能。 2 1 激光一电弧复合焊设备 2 1 1 弧焊电源 在本试验中，使用的是林肯矾圆皿c m v 3 0 0 一i 场效应管逆变焊机，如图 2 一l 所示。林肯v 3 0 0 i 场效应管逆变焊机的额定工作电流为3 0 0 a ，该焊机性能 优越，可作为焊条电弧焊、钨极氩弧焊、实芯焊丝气体保护焊、气保护及自保护 药芯焊丝电孤焊等的焊接电源1 2 9 l 。 图2 - i 林肯烈v 醯r r 】e c 即1v 3 0 0 一i 场效应管逆变焊机 林肯v 3 0 0 i 场效应管逆变焊机可以是单相或三相输入，恒电压或恒电流输 1 5 第二章激光一电弧复合焊接试验设备 出，具有5 种工作模式如表2 1 所示。 表2 1林肯v 3 0 0 i 场效应管逆变焊机工作模式 工作模式用途 g t a w c c s o 矗 c c c r i s p c vf 1 c a w c v g m 删 钨极氩弧焊 陡降特性的软电孤功能。适用于低氢焊条的焊接 陡降特性的硬电弧功能，适用于各种酸性和纤维素焊条的焊接 自保护药芯焊丝电弧焊 熔化极气体保护焊 本次试验中由于采用的是m i g 焊，所以选用的是c vg 】愀模式，焊机为 平特性输出，通过调节焊机外特性来调节电压，通过调节送丝速度来调节焊接电 流。 2 1 2 脉冲控制器 本次试验要实现脉冲g 焊接，但是林肯v 3 0 0 一i 焊机本身不具有脉冲焊 功能，因此试验中使用了天津大学研制的删3 型电弧焊脉冲控制器，如图2 - 2 所示。 图2 2m k 0 3 型电弧焊脉冲控制器 1 6 第二章激光一电弧复合焊接试验设备 m k _ 0 3 型电弧焊脉冲控制器采用了以a 髑9 q 0 5 1 单片机为核心的结构，外 接l l o v 交流电源，在操作界面上设有数码显示管，可以分别调节脉冲焊接的基 值电压、峰值电压、脉冲频率和脉冲占空比，操作简单方便。该脉冲控制器具有 三种输出模式，可以方便地在界面上进行切换。 ( 1 ) 恒定峰值焊接电流( 或电压) 的控制输出； ( 2 ) 恒定基值焊接电流( 或电压) 的控制输出； ( 3 ) 峰值基值脉冲焊接电流( 或电压) 的交替控制输出。 脉冲控制器的原理图如图2 3 所示。核心是a 髑9 c 2 0 5 l 单片机，单片机将 设定好的脉冲控制信号送至高速电子开关，并据此分别选通高、低焊接电压的给 定控制信号，然后通过光耦将信号传送至焊机的遥控电压控制信号端子。 颛砖：指示f p 芒一! 比情吓一 _ 咔千码驰瑚l l c 叫j 一撼l 日日日 日日 _ 1 j _ 0 v 电源 d c5 v 5 位8 段数码营 叫 键盈 单片机 控制信号 晶振 几 几 - 1 d ，。卜一 一光祸l _ 一 卜- l p - 一i i 输出从输出 妒l ，_ - 峰值肄伯拧瓶f l ：i 弓i 电焊机远 二拧；驯端 2 1 3 激光器 图2 3m k - 型脉冲控制器原理图 试验中使用的是英国g s i 公司生产的j k 2 0 0 3 s m 型n d ：y a g 固体激光器，如 图2 4 所示。 1 7 第二章激光一电弧复合焊接试验设备 图2 4j k 2 0 0 3 s m 型n d ：y a g 固体激光器 该激光器的最大平均功率为2 帅0 w ，最大调节峰值功率为4 0 0 0 w ，输出激 光束的半角半径为2 4 咖删【a d ，光纤直径为6 0 0 i | m ，可以连续输出，也可以以 正弦波、方波等脉冲方式输出。 2 1 4 激光一电弧复合焊焊接机头 试验中自行设计了激光一电弧复合焊焊接机头，激光器为英国g s i 公司生产 的j k 2 0 0 3 s m 型n d ：y a g 固体激光器，焊炬为普通m i g 电弧焊枪。复合方式为旁 轴复合，激光在前，电弧在后，焊炬与水平方向的夹角为6 0 。，光丝距为2 咖， 如图2 5 所示。 圜 第二章激光一电弧复合焊接试验设备 2 2 信号采集设备 图2 - 5y a g 激光一g 电弧复合机头 在试验过程中同步采集焊接电流、电弧电压信号、以及电弧的高速摄像照片， 下面分别介绍试验中所使用到的仪器设备。 2 2 1 高速摄像系统 因为电弧的亮度非常高，而且熔滴过渡的频率很高，所以人们用肉眼无法观 测到电弧内部的熔滴过渡现象，因此必须借助其他仪器设备和方法来进行电弧和 熔滴过渡的研究，目前比较常用的方式是高速摄像法。 高速摄像法可以用来观察电弧以及电弧内部的熔滴过渡，它是将一个高速运 动过程的空间信息和时间信息记录下来，从而直观、精确地观察电弧和熔滴过渡 现象阻”。同时，高速摄像获取的电弧和熔滴过渡的照片可以在监视器上适时地显 示和回放，并且可以通过数据线传输到计算机内进行分析。因此，高速摄像是一 种观察熔滴过渡的先进的试验手段，广泛的应用于熔滴过渡的观察和研究。 本试验使用的高速摄像机是由日本公司生产的f a s t ) 蝴s u p e r l o k c 系列 产品，如图2 6 所示。 回 第二章 激光一电弧复合焊接试验设备 图2 - 6 高速摄像机与镜头 该摄像机以面阵c c d 器件的电扫描技术为核心，记录焊接电弧的形态，结 果可以直接在监视器上显示。该高速摄像机的拍摄频率为3 0 帧秒l o 0 0 0 帧秒， 高速摄像机拍摄的照片暂时存储在其动态随机存储器灿中，直到其存满为 止，因此每次的拍摄时间是有限制的，在1 0 0 0 帧缈，图幅大小为2 5 6 1 2 0 时 可以拍摄4 3 秒。拍摄完毕，存储在动态随机存储器中的照片通过数据线传输到 计算机中进行分析。高速摄像机可以用手动触发或外部高电平信号触发。 2 2 2 电流电压传感器 为了检测焊接过程中焊接电流和电弧电压信息，试验中使用了电流传感器 和电压传感器。电信号传感器是焊接试验中常用的实验设备，用来采集焊接电 流和电弧电压信号，它的主要功能是将焊接电流和电弧电压信号转化为能够被 采集卡处理和分析的电信号。本次试验中使用的是霍尔电流传感器和霍尔电压 传感器，如图2 7 所示。