CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊過程中激光功率對電弧及熔滴行為的影響

李慶海

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州325003）

CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊過程中激光功率對電弧及熔滴行為的影響

李慶海

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江溫州325003）

利用高速攝像系統(tǒng)和電弧分析儀分析CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊過程中激光功率對電弧及熔滴行為的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明：焊接過程中的實(shí)際熱源間距受到焊接電流大小的影響，且當(dāng)其在2 mm時(shí)焊接效果最優(yōu)；在導(dǎo)電通道中的帶電粒子在運(yùn)動(dòng)過程中擾動(dòng)、漂移以及熔滴過渡模式、焊接模式的改變造成了焊接過程中電弧電流及電壓波形的紊亂；激光功率影響了熔滴行為，當(dāng)采用160 A和180 A的焊接電流時(shí)，激光功率的增加導(dǎo)致熔滴過渡頻率先減小后增大。

CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊；激光功率；電弧形態(tài)；熔滴行為

0　前言

CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊具有高效的焊接性能，且在電弧焊接過程中具有高適應(yīng)性。因此，該項(xiàng)復(fù)合焊接技術(shù)在近些年來得到了非常廣泛的應(yīng)用與充分發(fā)展[1]。目前，對于CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊的研究主要集中在復(fù)合焊接技術(shù)的應(yīng)用[2]、焊接工藝的改進(jìn)以及工程應(yīng)用等方面，關(guān)于激光功率對電弧及熔滴行為影響的研究較少。為此，本實(shí)驗(yàn)研究了激光功率對電弧及熔滴行為的影響，為明確電弧與激光相互作用的機(jī)理提供依據(jù)。

由于焊接電弧波形受到熔滴尺寸大小和焊絲前端熔滴過渡模式的影響[3]，因此，可以通過研究電弧波形的波動(dòng)信號(hào)來確定熔滴行為。利用高速攝像系統(tǒng)和電弧分析儀分析了CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊過程中激光功率對焊接電弧波形及熔滴行為影響的機(jī)理與本質(zhì)。

1　實(shí)驗(yàn)方法

采用的焊接系統(tǒng)由Rofin公司生產(chǎn)的CO2激光器、松下公司生產(chǎn)的MIG/MAG焊機(jī)以及自行設(shè)計(jì)的焊接裝置構(gòu)成。高速攝像系統(tǒng)如圖1所示，利用該攝像系統(tǒng)對等離子體的形態(tài)及熔滴區(qū)域進(jìn)行圖像采集。圖像采集過程中選用2 000幀/s頻率，根據(jù)熔滴區(qū)域的圖像狀態(tài)，統(tǒng)計(jì)分析不同試驗(yàn)參數(shù)下的熔滴過渡頻率，同時(shí)選擇MB-Ruler軟件對焊接過程中的實(shí)際熱源間距進(jìn)行測量；利用電弧分析儀記錄焊接過程中的電信號(hào)，并根據(jù)所記錄的信號(hào)利用其自帶的分析軟件繪出電流和電壓波形圖。

圖1　高速攝像系統(tǒng)

試驗(yàn)選用具有超高強(qiáng)度的中碳鋼，其主要合金元素和含量如表1所示。焊接時(shí)選用平板堆悍，焊接參數(shù)如表2所示。激光束具體參數(shù)為：離焦量0，激光和電弧兩熱源間距2 mm，焊絲伸出量12 mm，焊槍傾斜角度60°，焊絲直徑φ1.2 mm，焊接速率1.2 m/min。

表1　試驗(yàn)鋼主要合金元素及其含量％

表2　試驗(yàn)過程焊接功率及電流和電壓

2　實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1電弧形態(tài)

在實(shí)施電弧焊接的過程中，如果焊接速度過快，則會(huì)降低電極與所焊工件之間等離子體的濃度，導(dǎo)致漂移現(xiàn)象的產(chǎn)生。而激光的介入會(huì)緩解這一現(xiàn)象，使電極與所焊工件之間等離子體的濃度增加，同時(shí)還會(huì)導(dǎo)致電弧能量集中與電流密度的增加。

I=160 A和I=180 A的熔滴區(qū)域的圖像如圖2、圖3所示。由圖可知，當(dāng)逐漸提升激光功率時(shí)，焊接電弧被引導(dǎo)和壓縮的趨勢也逐步增強(qiáng)。圖2中的A0與圖3中的B0是單獨(dú)電弧焊接時(shí)高速攝像機(jī)拍到的圖片，照片呈白亮色，故此時(shí)等離子體的濃度較高。圖2中的A1與圖3中的B1是激光功率較小時(shí)拍攝到的圖片，激光與被焊接材料作用后所產(chǎn)生的光致等離子體較少，無法為電弧提供導(dǎo)電通道，因而不會(huì)出現(xiàn)電弧影響區(qū)域向激光影響區(qū)域的偏移，在電弧根部也并未出現(xiàn)顯著的收縮現(xiàn)象，激光對電弧的影響作用較小，不會(huì)對其造成明顯的引導(dǎo)和壓縮作用。當(dāng)提升激光功率到1.4kW時(shí)，出現(xiàn)激光小孔（如圖2、圖3中標(biāo)示），激光開始對電弧產(chǎn)生顯著影響，造成的引導(dǎo)與壓縮作用也更為明顯。當(dāng)激光功率進(jìn)一步增加時(shí)，小孔越來越明顯，電弧能量可以在小孔及熔池流動(dòng)的作用下更集中的到達(dá)熔池底部，對熔池深度以及接頭形狀造成影響[4]。

圖2　I=160 A的熔滴區(qū)域的圖像

2.2熔滴過渡頻率與實(shí)際熱源間距

熔滴過渡頻率與激光功率的關(guān)系如圖4所示，可以看出，無論是在較低的焊接電流（160 A）還是在較高的焊接電流（180A）下，在進(jìn)行CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊接時(shí)，其熔滴過渡頻率的變化曲線均呈現(xiàn)“V”型，數(shù)值先減小后增加，但是與相同焊接電流時(shí)的電弧焊相比，其熔滴過渡頻率的極小值不會(huì)低于電弧焊的極小值，其極大值也不會(huì)高于電弧焊的極大值。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因是：激光的介入改變了焊接過程中的電磁場以及熔池、熔滴的表面張力，從而導(dǎo)致了電弧與熔池的變化，熔滴的過渡性質(zhì)也發(fā)生了改變。

圖3　I=180 A的熔滴區(qū)域的圖像

圖4　熔滴過渡頻率隨激光功率的變化曲線

激光的介入使熔滴的過渡頻率發(fā)生了改變，其本質(zhì)是使熔滴的受力發(fā)生了改變。CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊接時(shí)熔滴的受力分析如圖5所示，F(xiàn)g為重力，F(xiàn)p為等離子流力，F(xiàn)em為由等離子體引發(fā)的復(fù)合電弧收縮力，與焊絲軸線之間存在一個(gè)α夾角，F(xiàn)RL為由金屬蒸汽產(chǎn)生的反作用力，F(xiàn)σ為熔滴的表面張力。由于焊接電流是一定的，因此對熔滴過渡頻率起主要影響作用的是Fem和FRL。當(dāng)激光功率增加時(shí)，F(xiàn)RL增強(qiáng)，熔滴過渡也受到更強(qiáng)作用的阻礙，導(dǎo)致熔滴的過渡頻率減小。熔滴的過渡頻率在激光頻率1.6 kW時(shí)達(dá)到最小值，并且在當(dāng)前功率下激光小孔處于穩(wěn)定狀態(tài)。激光小孔在激光功率不斷增加的過程中逐漸下沉，致使等離子體不斷聚集，其密度不斷增加，熔滴過渡速度也隨之加快，同時(shí)α角減小，導(dǎo)致其在豎直方向上的分力變大，從而使熔滴過渡頻率增加。

由圖4還可知，CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊在焊接電流為160 A時(shí)的熔滴過渡頻率相比于180 A時(shí)稍高，這主要是由兩種焊接電流下的電弧形態(tài)所決定的。從圖2和圖3中的焊弧形態(tài)可看出，在相同的激光功率下，焊接電流為180 A時(shí)等離子體聚集程度更高，其在豎直方向產(chǎn)生的分力更大，因而熔滴過渡頻率也會(huì)增高。圖3中的B1與B3分別是鐘罩狀焊接電弧和錐狀焊接電弧，金屬蒸汽的變化、激光能量的改變以及電弧電位梯度的改變都會(huì)在根源上使焊接電弧狀態(tài)發(fā)生變化，從而致使熔滴受力情況發(fā)生根本變化，造成熔滴頻率出現(xiàn)圖4中所顯示的結(jié)果。

綜合分析圖5和圖6可知，激光的介入使得電弧形態(tài)及電子發(fā)射均發(fā)生了改變，使得Fem與焊絲軸向發(fā)生了α角度的偏離，同時(shí)金屬蒸汽與等離子體等對熔滴有較強(qiáng)的阻礙作用，導(dǎo)致熔滴的過渡方向與焊絲軸向有一定偏離（偏離軸向向上），再加上激光的牽引作用，使得熔滴的過渡十分穩(wěn)定，對焊接過程的完成有利。熔滴狀態(tài)變化如圖6所示。

圖5　熔滴受力分析示意

圖6　熔滴狀態(tài)變化

圖7是A3與B3的熔滴在進(jìn)入熔池時(shí)的狀態(tài)。由圖7可知，B3的熔滴在進(jìn)入熔池時(shí)已經(jīng)覆蓋了部分的激光小孔，對電弧能量和激光能量進(jìn)入熔池底部造成了阻礙。此時(shí)B3的熱源間距小于A3，但其電弧挺度較大。在CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊過程中可通過改變焊接電流來調(diào)整熱源間距，實(shí)際熱源間距在2 mm附近時(shí)，焊縫熔深度值最大。為此將實(shí)驗(yàn)中的數(shù)值設(shè)定為2 mm。熱源間距是指激光軸線與母材相交點(diǎn)與焊絲軸線與母材相交點(diǎn)之間的距離。

圖7　A3和B3的熔滴狀態(tài)

熱源間距與激光功率之間的關(guān)系如圖8所示，在焊接電流一定時(shí)，熱源間距隨著激光功率的提升變化不明顯。在160 A電流下進(jìn)行焊接試驗(yàn)時(shí)，真實(shí)測得的熱源間距算術(shù)平均值是2.16 mm，高于2 mm；在180 A電流下進(jìn)行焊接試驗(yàn)時(shí)，真實(shí)測得的熱源間距算術(shù)平均值是1.31 mm，低于2 mm?？梢钥闯觯附与娏鲿?huì)直接影響到熱源的真實(shí)間距。

圖8　熱源間距隨激光功率的變化曲線

電壓、電流固定不變時(shí)，激光功率的改變也會(huì)導(dǎo)致熱源間距真實(shí)值發(fā)生改變，其根源在于熔滴的實(shí)際受力狀況以及焊接電弧形態(tài)都會(huì)因激光功率的提升而發(fā)生相應(yīng)變化，而焊接電弧形態(tài)則直接影響著熔滴的過渡行為和熱源間距的真實(shí)大??；焊接過程中若激光功率固定時(shí)，則熔滴過渡頻率的大小將直接取決于焊接電流值，且二者之間呈現(xiàn)正相關(guān)性，這是由于焊接過程中激光的介入使電弧以及熔池的形態(tài)與直接電弧焊時(shí)有所不同，造成熔滴過渡行為的變化。

2.3電壓、電流波形及其分析

焊接電流為160 A和180 A時(shí)的電流、電壓波形分別如圖9、圖10所示。焊接電流為180 A時(shí)的電壓和電流相對于160 A時(shí)更加平穩(wěn)、細(xì)密，在設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)值附近上下微跳，偶爾會(huì)發(fā)生紊亂出現(xiàn)比較尖銳的峰值。

CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊時(shí)由于額外加入了一個(gè)激光束，焊接過程中會(huì)注入高密度的能量，從而在熔池、電弧區(qū)以及焊絲的前端產(chǎn)生數(shù)量眾多的金屬蒸汽，焊接過程中在焊絲的帶動(dòng)下存在金屬蒸汽的區(qū)域會(huì)形成一個(gè)類似彗尾的形狀，誘導(dǎo)金屬蒸汽向焊絲前端運(yùn)動(dòng)。金屬蒸汽是電弧焊過程的主要導(dǎo)電通道，同時(shí)在電壓的加速作用下帶電粒子又進(jìn)一步通過碰撞而電離，產(chǎn)生了一個(gè)新的輔助導(dǎo)電通道，當(dāng)焊接電流較低時(shí)，電弧等離子體受焊接電壓的影響，在其運(yùn)動(dòng)過程中容易發(fā)生漂移或者紊亂，因此誘發(fā)焊接電壓、電流發(fā)生擾動(dòng)。另一方面，在160 A焊接電流下大多數(shù)熔滴尺寸都比較大，致使熔池上方聚集了更多的電弧等離子體，大量的激光束能量被這些等離子體吸收，導(dǎo)致被焊接材料表面的激光束能量嚴(yán)重流失，金屬蒸汽大量減少甚至消失，形成短路，轉(zhuǎn)換為熱傳導(dǎo)焊接，焊接電壓、電流穩(wěn)定性顯著降低，之后由于等離子體逐步減少并消失，使激光束能量重新在材料表面大量聚集，焊接模式再次轉(zhuǎn)換為深熔焊接，焊接電弧在等離子體的牽制作用下使焊接電壓、電流變得相對穩(wěn)定，因此在160 A的焊接電流下，熔滴短路和爆炸模式（見圖11）的不斷轉(zhuǎn)換導(dǎo)致焊接模式不斷轉(zhuǎn)換，致使電壓、電流也發(fā)生擾動(dòng)。當(dāng)將焊接電流提升到180A時(shí)，焊接過程中主要是大尺寸熔滴和射流兩種模式相互復(fù)合，眾多的電弧等離子體顯著增加了陽極斑點(diǎn)的平穩(wěn)性，降低了帶電粒子在主輔導(dǎo)電通道運(yùn)動(dòng)時(shí)發(fā)生漂移和紊亂的可能性，因此焊接電壓和電流都比較平穩(wěn)。

圖9　I=160 A時(shí)電壓、電流波形

CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊過程中，激光束顯著影響著熔滴行為和焊接電弧[5]。以A3焊接工藝下的電壓、電流波形圖以及熔滴過渡區(qū)域圖像（見圖12）為例，焊接初期，焊絲前端的熔滴與熔池有一個(gè)極短時(shí)間的接觸，此過程中熔滴與焊材間并未發(fā)生過渡，但卻發(fā)生了電弧電壓的瞬時(shí)顯著降低，與此同時(shí)電流迅速上升，此后在多種外力作用下熔滴脫離焊絲前端，電壓瞬時(shí)升到極大值，電流降到極小值，形成一次完整的熔滴過渡，隨后電壓、電流在A3焊接工藝設(shè)定的試驗(yàn)參數(shù)值附近上下微動(dòng)，開始進(jìn)行下一輪新的熔滴過渡過程。

圖10　I=180 A時(shí)電壓、電流波形

圖11　熔滴爆炸過渡過程圖像

3　結(jié)論

分析CO2激光-MAG電弧復(fù)合焊過程中激光功率對電弧及熔滴行為影響的機(jī)理與本質(zhì)，結(jié)果表明：隨熱源間距變大熔滴過渡頻率先減后增，焊接過程中實(shí)際熱源間距約為2mm時(shí)焊接效果最佳；當(dāng)焊接電流分別為160A和180A時(shí)，激光功率增加導(dǎo)致熔滴過渡頻率先減后增；激光束通過改變?nèi)鄣芜^渡特性進(jìn)而影響焊接電弧電壓和電流波形；在導(dǎo)電通道中的帶電粒子運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和焊接模式、過渡模式的改變是焊接電弧電壓和電流波形發(fā)生紊亂的主要原因。

圖12　A3焊接工藝下的電壓、電流波形以及熔滴過渡區(qū)域圖像

[1]朱加雷，崔志芳，焦向東.高強(qiáng)度管線鋼激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)研究現(xiàn)狀[J].電焊機(jī)，2014，44（05）：115-119.

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Influence of laser power on arc and droplet behaviors in CO2 laser-MAG arc hybrid welding

LI Qinghai
（ZhejiangIndustryand Trade Vocational College，Wenzhou 325003，China）

In this paper，by using high speed camera system and arc analyzer，the influence of laser power on arc and droplet behaviors in CO2 laser-MAG arc hybrid welding is analyzed.The results show that in welding process，the practical heat source spacing is affected by the size of welding current，and the optimal welding effect appears when welding current is 2 mm;The changes of disturbance，drift，droplet transition mode and welding mode of charged particles in conducting channel in the movement process cause the disorder of arc current and voltage waveform in welding process;Laser power influences the droplet behavior，when the welding current is respectively 160A and 180A，the increase of laser power leads to droplet transition frequency decreasing first and then increasing.

CO2laser-MAG hybrid arc welding；laser power；arc shape；droplet behavior

TG456

A

1001－2303（2015）11－0026-07

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.06

2014-09-03；

2014-11-28

2012年度浙江省商業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)會(huì)課題（2012SJZD11）

李慶海（1980—），男，黑龍江哈爾濱人，碩士，講師，主要從事電氣自動(dòng)化的研究工作。