比較CMT與激光電弧復合焊接鋁

1、比較CMT與其他電弧模式的激光電弧復合焊接在焊接銅時的異同作者：Jan Frostevarg & Alexander F. H. Kaplan & Javier Lamas摘要：本文中，研究了三種不同模式的激光 - 電弧氣保焊，即標準、脈沖和冷金屬過渡（CMT）模式。該脈沖模式比標準模式更受控并且對工件的熱輸入更小，從而可以焊接薄板。在CMT方式利用可控送絲和表面張力促使熔滴過渡，也因此熱輸入量相對于其他模型更小一些，不會出現(xiàn)咬邊，飛濺也少于其他模式。這項研究比較了復合焊接的3種電弧弧模式，在CMT的允許限度內(nèi)選擇中低焊絲的沉積速率。通過掃描和高速成像研究焊縫。該研究表明，激光匙孔的出現(xiàn)減小了

2、三者間的熔滴過渡的差異。匙孔的產(chǎn)生對融化和凝固過程的影響。以及不同電弧形式的主要優(yōu)點和缺點1引言激光電弧復合焊接1-4，LAHW，圖1中所示。 將高功率激光與電弧復合集中于同一個熔池，一般間隔在0-8mm。相同的處理區(qū)域內(nèi)，通常由0-分離，與自制激光焊相比，復合焊8毫米。相比于自主激光焊接，LAHW用焊絲填充焊縫，在電弧作用下形成焊縫外觀。針對熔化極氣保焊我們可以提出很多不同的技術(shù)。在他們之中的通用標準（也被稱為“自然”）電弧模式與各種熔滴過渡模式（如噴霧，短路或球形）取決于電流和送絲速率。LAHW是最常見的是GMA脈沖弧焊模式，保持一脈一滴的形式向熔池進行熔滴過渡5，6。最近，另一個更可控，

3、短弧模式技術(shù)已經(jīng)得到開發(fā)利用，通過控制送絲過程和表面張力進行熔滴過渡。焊絲被送進和回抽的方式去替代恒速送絲。這技術(shù)被稱為冷金屬過渡，CMT7。這個過程的優(yōu)點在于，降低絲沉積的成本，熔滴傳遞而不是飛入熔池，因此只需要融化焊絲的電功率即可。在傳統(tǒng)的弧焊中，對CMT模式是用來焊接薄板，它也常常能有更高的焊接速度以較少的熱輸入和更好的整體焊接質(zhì)量（更少的飛濺和咬邊）與其他電弧模式相比。最近，CMT已用于LAHW去焊接單程2毫米厚的鋁板8，1毫米的鋼板和多道焊15毫米鋼9，10。焊接質(zhì)量和抗疲勞性能主要由表面成型決定11，12，這導致由電弧，熔滴過渡和激光匙孔所造成的電動復雜流體流動，由于電弧模式，焊接

4、設備和參數(shù)選擇，焊接過程可能會變得不穩(wěn)定，從而導致不平整的表面14，15。對LAHW基本的理解仍處于初期階段;但是從X射線成像，我們發(fā)現(xiàn)在焊接的方向上熔池被拉長了。高速成像（HSI）可以研究鋼和鋁的熔滴過渡和匙孔情況。根據(jù)缺口寬度，對不同的焊接情況進行了分類，自動對焦影響熔滴飛行，傳熱和傳質(zhì)18，19。我們可以估計出電弧力19，但它隨著焊縫的設置和電弧模式而變化。 盡管需要大量的計算量，但整個熔滴過渡和熔池融化的流體力學計算已經(jīng)被研究組研究出來12，20。然而以往，僅是選擇性和限制性的分析了各種有關(guān)現(xiàn)象。 在本文中，研究了LAHW中CMT技術(shù)在焊接厚的部分時所關(guān)注的焊縫的穩(wěn)定性和咬邊形成問題。

5、在CMT參數(shù)范圍內(nèi)將CMT模式與脈沖和標準電弧模式選擇的所送絲速度進行比較中。2方法2.1焊接設備在LAHW設置的圖示如圖。 1，在該試驗中使用在表1中列出的幾何參數(shù)。激光用的是一個15千瓦的Yb：光纖激光器（制造商IPG激光有限公司，型號YLR-15000（光纖芯徑，200微米;光束參數(shù)乘積，10.3毫米毫弧度;波長，1070納米）。激光是在連續(xù)波（CW）模式下，300毫米焦距聚焦在表面，光學長度直徑至400m大小（瑞利長度為4毫米）。為防止背反射損壞光纖，所述激光施加一個輕微傾斜。該MAG焊炬在一個設置好的傾斜的地位放置。在GMA焊接設備使用的所有三種模式（CMT，脈沖和標準）是一個福尼斯

6、MAG動力來源TPS4000 VMT遙控。送絲機是一種結(jié)合連續(xù)進給單元VR7000用Robacta驅(qū)動單元（福尼斯），在CMT過程使金屬絲端頭進行的來回抽動。大部分的參數(shù)不能自由選擇，因為他們是通過該系統(tǒng)，在不同的送絲速度的預設選擇協(xié)同曲線。在這些預設中，可以進行些許調(diào)整。所用的填料焊絲為林肯SupraMIG Ultra（AWS A5.18 ER70S-6，EN ISO14341-A），鐵基金屬絲的直徑為= 1.2毫米。將7毫米厚焊接鋼板DOMEX420 MC D（S420 MCD，EN10149-2），激光切成50mm寬，300mm長。該黑皮噴砂前切割掉，從而改進了表面潤濕性并且避免氧化物夾

7、雜和未熔合1。該焊絲材料成分和鋼板的材料示于表2中。施加保護氣體為Mison18（82氬，18CO 2，EN439），其用量為20升/分鐘的流速。焊縫用多關(guān)節(jié)型機器人進行焊接（莫托曼）。2.2實驗方法 研究表明，工件18之間的間隙的存在影響電弧和金屬流動。 因此，為了正確地比較不同的弧模式中，應選擇一個方行對接的設置，而不是在珠盤上測試。在這項研究中比較了3種 LAHW電弧模式，CMT，脈沖和標準。用兩種不同的送絲速度，低（4米/分鐘）速和中（8米/分鐘）速。這些送絲速率低于8.3米/分并選用一個1.2毫米直徑的金屬絲。送絲速率與合適的焊接速度和間隙大小相匹配。這些測試被分為3種情況（列于表3

8、）.這三種電弧模型結(jié)合這三種情況總共形成了九個焊縫。表3還顯示出了用于每個焊縫的平均電流I和電壓U（設置輸出的激光，電弧電源顯示所提供的電弧功率）。的電功率輸出推導公式PA= I。2.3分析 來評價焊接實驗，該頂表面進行焊前和焊后掃描。 HSI1，3，4，17也在焊接實驗中使用，以更好地分析改變焊縫的表面幾何形狀的原因。HIS和掃描的實驗數(shù)據(jù)可以在文獻3，4中找到。特別是，HIS中提出的條紋分析17研究的反應進行過程的穩(wěn)定性。機和性能的統(tǒng)計分析，例如余高，咬邊，橫向變形是研究的一個重要組成部分，在以下部分中會更詳細地描述。此外，焊接試樣的橫截面的宏觀組織用來研究HAZ與焊縫焊縫。3結(jié)果與討論

9、指定的九個LAHW焊縫的恒指序列在表三中列出，后面是能量輸入比較.基于表面的拓撲掃描（焊縫高度，橫向位置和退刀槽），也提出了焊接表面的穩(wěn)定性。最后，由條紋圖像分析和現(xiàn)象理論說明電弧的模式的不同的行為。3.1高速成像熔池表面的典型的高速圖像是圖2a（后側(cè)在記錄中是不可見的）。在示出的條紋線圖中，可以組合成一個條紋圖像，圖2B，F(xiàn)，它是從圖像序列中提取相同的位置所拍攝的一系的列線圖。 2C，D，E。焊接周期過程中，在圖。 2c說明，即，使得在光隨著時間的變化沿著所提取的相機條紋反射/發(fā)射到的像素陣列，如圖所示。 2F。這種精確的仿真，只是垂直排列，對應這里使用的條紋圖像。線寬度被限制到僅一個像素，

10、但是隨時間的變化的線可以被看盜。這意味著，移動或該過程的其他周期性行為是直觀的時間函數(shù)，通過對該方法的典型區(qū)段的分析可實現(xiàn)對時間的依賴性17。脈沖模式通常適用于LAHW，它用的是噴霧模式，但隨著控制電流來實現(xiàn)球狀滴過渡和更穩(wěn)定的電弧。在CMT方式還采用控制電流，隨著控制送絲機使導線來回走，把從所述的液滴金屬絲端頭（大電流電弧產(chǎn)生）在焊接表面（小電流），依靠表面張力穩(wěn)定的過渡21。在標準模式下只需使用連續(xù)輸出功率（由協(xié)同曲線確定）。因此，滴過渡模式將改變送絲速度和相應的電弧功率5,22。在圖3，短圖像序列可以可以看到九種焊縫。在3個焊接的情況下三弧模式表現(xiàn)不同，特別是當觀測弧大小，滴過渡和熔池行

11、為時。當焊絲輸送速度的增加，從情況1至情況2或3，則CMT方式（表面張力過渡技術(shù)）沿焊縫的長度方向形成了大滴用高頻率穩(wěn)定過渡。脈沖電弧模式（由洛倫茲力形成球狀熔滴過渡）大體上當脈沖頻率和電流倍增是液滴的大小相同。為了提高焊絲輸送速度，在標準模式下增加了電壓和電流并從排斥球狀滴過渡的變化（受重力和斥力影響）使熔滴過渡（由引力支配）。 CMT模式在情況1和情況2中（分別對應圖3a、d），匙孔使熔化面積比電弧產(chǎn)生的鑿孔寬。熔滴過渡不影響匙孔。情況2中，電弧促使匙孔頂端產(chǎn)生熔解波，但不會使它失穩(wěn)。情況3中，如圖3g，間隙的存在迫使電弧形成更深的易受影響的鑿孔來提早凝固，防止板面的熔池適當潤濕，以及產(chǎn)生

12、咬邊。這也許是由于板之間熱傳遞的差異。由于間隙，電弧區(qū)可用的板面下降，有利于板的熔化和更深的鑿孔的形成。由此造成的咬邊只能在之后被填充，重新熔化或填充空隙，使焊道加固。脈沖模式 在全部3種情況中，當使用脈沖電弧模式時，如圖3b、e、h，焊絲熔滴通常會飛進匙孔，顯然不會影響到激光匙孔過程。對于情況1，如圖3b，其鑿孔與CMT的情況1相似，但是鑿孔與匙孔擊中熔池之后一樣寬（與HSI中一樣明顯）。從HSI中，也可明顯看出熔體具有更高的流動速度。在情況2中，如圖3e，在主熔體流動前熔池邊緣已經(jīng)凝固了。情況2中電弧也不如情況1穩(wěn)定，偶爾會產(chǎn)生飛濺。電弧產(chǎn)生了一個更大的鑿孔，這使得溝槽側(cè)提早凝固。由于間隙

13、的存在，情況3，如圖3h所示，這個過程與CMT模式非常相似，不過鑿孔更深而且提早凝固的鑿孔邊緣顯然更大。標準模式 標準模式不推薦用于低送絲的情況1。如圖3c，這是由于爆炸般的熔滴飛濺。電弧壓力迫使絲頭上的熔滴從工件上上升，使得絲頭形成一個很大的熔滴。當熔滴最終增重到克服電弧壓力時，熔滴接觸到下方的熔化區(qū)會出現(xiàn)短路從而引起劇烈的（爆炸般的）熔體流動。在情況2和3中，如圖3f，球形熔滴形成并釋放。相比于脈沖模式，標準模式的電弧更不穩(wěn)定并且會產(chǎn)生凹凸、更深的鑿孔，而且釋放的熔滴會稍大一些。鑿孔的變化有助于咬邊和焊道的變化。在情況3中，如圖3i，電弧在某種程度上穩(wěn)定，這有利于熔體流動和凝固前沿。由不同

14、模式的電弧產(chǎn)生的鑿孔形狀似乎是產(chǎn)生焊縫差異的主要原因。電弧的不穩(wěn)定也會導致咬邊的形成及飛濺。激光束生成的匙孔的存在，極大地降低了熔滴遷移模式的影響，同時穩(wěn)定了溶體流動，從而允許焊接速度高于自動電弧焊接。3.2能源輸出 如圖4所示，典型LAHW用不同的弧模式焊接的截面中可以看出，使用同樣的設備，但用8.3米/分鐘送絲速度和2.0米/分鐘的焊接速度以及一個0.5毫米寬缺口。在CMT方式可以生成一個更窄的熱影響區(qū)和比其他兩個模式稍窄的熔合區(qū)，原因在于電弧能量減少，相同送絲速率，融化焊絲需要的能量更低。在電弧功率的減少（減少功率輸出）通常意味著向板供給更少的能量（轉(zhuǎn)換成熱）。對于CMT的情況下，蝕刻持

15、續(xù)了稍長的時間，這導致橫截面外形更清晰。與此相反，圖。 4c中，用深色（低級）和亮（上部）區(qū)域中熔合區(qū)。這更亮區(qū)域表示填料線的補充。根部略有不同，圖4a，但是對本研究而言沒有關(guān)系。圖5顯示了提供給所有九個焊接的平均電能，所有9焊縫的線路總能量（激光和電?。┖碗娀」β释ㄟ^這兩個機器的輸出表示在表3中（從顯示屏上讀取每個樣品后）。規(guī)定的總能量線在這里通過Qline=（PA+ PL）/ V計算;其中，PA是電弧功率，PL是所述的激光功率，而v是焊接速度。若圓鑿大小是已知的，則電弧挖掘力可以計算，以及圓槽的熱傳遞，使用公式可以在20中找到。3.3焊道的穩(wěn)定性 焊接的穩(wěn)定性是通過比較焊道高度，咬邊和其沿

16、著焊縫長度方向的外側(cè)的深度評估的。.圖6位置顯示案例1焊縫成型，分析所作表面外觀掃描所述的熔接面的形貌。焊道位置，高度和咬邊然后測量并沿焊縫的長度方向進行評價。的掃描起始位置為x= 0和結(jié)束在x= 300毫米（除了案例3，由于顯著失真其中只顯示了于x =150毫米處）。該原始掃描線在與x方向設為0.5毫米的間隔， y方向上的每個掃描線約有300 數(shù)據(jù)點，從而每個掃描產(chǎn)生在180 k個數(shù)據(jù)點。所有由此產(chǎn)生的掃描9焊縫在圖7都可以看出.焊道高度，沿焊縫和它們的位置咬邊深度顯示于圖。 8A，B，分別采用第1種情況與CMT模式作為例子。從這些曲線，平均值，最大值/最小值和標準偏差值都合理。所有9焊縫的

17、焊道高度，其橫向位置和咬邊深度（主要評估左側(cè)和右側(cè)）都列在表4中。 標準偏差是多少樣品尺寸的量度偏離平均值，在這里視為對過程穩(wěn)定性的量度。較低或較高分別對應于更多或更少的穩(wěn)定性。比較焊道高度，焊道位置和咬邊深度的圖形與平均值和標準偏差值可見于圖。 9A-C。當比較的焊道和咬邊穩(wěn)定性值（參見圖9）可以得到兩者的共同趨勢。在CMT方式顯示的最小變化和咬邊，其次是脈沖模式，而在標準模式顯然最差。在案例3（更寬的間隙），然而，在標準模式的變化小于所述脈沖模式，其值將媲美CMT模式。由于所有情況的一致趨勢，表明了焊接穩(wěn)定性和咬邊的形成是相關(guān)的。正如前面被發(fā)現(xiàn)19，23，駝峰和咬邊通常同時出現(xiàn)在純弧焊接高

18、焊接速度情況。但是，使用LAHW與CMT電弧模式時（圖3a，d）中，甚至圓槽高度的變化加倍咬邊都似乎沒有增加。這是因為電弧產(chǎn)生的圓槽小于等于熔池寬度 ，抑制了咬邊的形成。3.4條紋圖像分析和理論為了分析焊縫變化與時間的關(guān)系，條紋分析被應用于如圖10所展示的情景2的高速成像上，這條條紋線被定位于凝固前沿。這條線的位置能夠使我們清楚到固體焊縫的情況，在端頭溶滴的形成與弧的尺寸和時間。在圖10a中，CMT方法會偶爾遭受提前凝固，這是一種主要的底切破壞機制。條紋線被放置在溝槽上，材料凝固之后在條紋對角線出現(xiàn)一個明亮的弧（傾角取決于焊接速度）。較暗的區(qū)域由不反射光的液體材料構(gòu)成。當在CMT過程中發(fā)生過早

19、凝固，它經(jīng)常被熔池掩蓋從而消除咬邊。由于CMT是一種控制模式，弧的大小和周期性隨時間的推移變化不大。脈沖模式，如圖10B所示，有時會有溶滴從高弧脈沖之間脫離。工作在端頭和原來溶滴之間的弧會延長端頭并縮短有效弧長。不同尺寸的溶滴，特別是相差太大時，在電弧力較大時會產(chǎn)生很高的電勢。電弧在有尺寸、長度和力的影響下創(chuàng)造一個不均勻尺寸的圓槽。在提前凝固的前端位置的不均勻的圓槽將不會融化。當使用標準模式，如圖10c所示，電弧尺寸的改變是由于不同的溶滴尺寸。所形成的圓槽在尺寸上不同，圓槽的邊緣熱度也不夠。由于抑制潤濕，存進了早期凝固。一個持續(xù)穩(wěn)定的有著規(guī)則溶滴的電弧對標準模式很重要。然而，不規(guī)則的溶滴和電弧

20、更可能發(fā)生。對于低速焊接來說，電弧可能去平衡這些不規(guī)則（圖從電弧和圓槽平均），然而對于高速焊接(特別是長電弧)來說，不規(guī)則對最終結(jié)果影響更大。一個軌縫引起的電弧會產(chǎn)生更深的更寬的圓槽，這意味著在凝固前沿更快的冷卻速率。甚至更多的填充焊絲會從一個光滑的球狀向盤狀過度，否則就會填補缺口。當用標準模式焊接時，縫隙似乎使電弧向溶滴轉(zhuǎn)變更穩(wěn)定。同時，連續(xù)的電流對圓槽凝固前沿提供更多的熱度、更好的潤濕性，從而減少削弱。圖11說明了這個復雜的機制，圖11a展示了焊接的高穩(wěn)定性和低的咬邊。這可以通過使用CMT模式或低輸送速度的脈沖模式來完成。如圖11d所示的不穩(wěn)定電弧，經(jīng)常在溶滴分離變化時產(chǎn)生，如低送絲速度的

21、標準模式或高速焊接脈沖模式或標準模式。這種不穩(wěn)定的行為促進了咬邊的形成和焊縫的變化。過程說明圖11b這種情況經(jīng)常發(fā)生在高送絲速度（除了使用自定義低速焊接）的脈沖模式。如圖11c所示，焊縫的存在穩(wěn)定了電弧但是提高了對邊緣凝固的影響。甚至促進了CMT模式的咬邊。另一方面，標準模式下焊縫存在的更好，產(chǎn)生的機制如圖11a.c所示。應該指出的是，用控制電弧模式（特別是CMT，也包括脈沖模式）焊接時，在一個平坦的表面或焊縫幾乎沒有時是最有優(yōu)勢的。然而，在較寬的間隙焊接，標準模式的電弧受益于一個更穩(wěn)定的電弧和更均勻的圓槽、熔體的流動和凝固前沿的情況。4結(jié)論（1）CMT電弧適合與激光復合焊接較厚的片只要由有限

22、的焊絲輸送速度填充足夠窄的間隙。（2）與激光脈沖和電弧噴涂方式相比混合焊接，在CMT方式表現(xiàn)出優(yōu)越焊接的穩(wěn)定性，并減少咬邊，降低功耗減少焊接/焊接熱影響區(qū)的寬度。（3）后續(xù)匙孔降低了幾種電弧模式下的熔滴過渡和穩(wěn)定性之間的差異。（4）因為焊縫變寬焊速變高咬邊傾向增加。 CMT對焊接速度并不敏感。（5）在較高的焊接速度，電弧反常行為會造成較大的影響，造成了更多種類焊縫。（6） 上一個熔滴的脫落影響了電弧形態(tài)影響圓槽尺寸，對咬邊形成和焊接穩(wěn)定性具有負面影響。這在脈沖電弧模式和尤其是標準模式更易出現(xiàn)這個問題。（7）更寬的間隙電弧更穩(wěn)定。這對標準模式更有利，與CMT和脈沖相比這種模式在凝固前沿有更好的潤

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