激光-雙絲MIG復(fù)合焊

1、激光-雙絲MIG復(fù)合焊原理及意義：激光-雙絲MIG復(fù)合焊是將兩個(gè)電弧同時(shí)作用于一個(gè)熔池的焊接方法，這種焊接方法優(yōu)勢(shì)在于可以大幅度提高焊接速度，減少單位時(shí)間內(nèi)焊縫的熱輸入，可以用于薄板的高效焊接。由于在一個(gè)熔池中有兩個(gè)電弧，從而改變了電弧對(duì)熔池的熱量分布、熔池形狀和液態(tài)金屬流動(dòng)狀態(tài)，提高了熔池邊緣處的加熱情況，改善了熔池的潤(rùn)濕能力，同時(shí)雙絲也提供了充足的熔化金屬，從而抑制了咬邊的出現(xiàn)。原理如圖1所示：圖1 激光雙電弧復(fù)合焊接雙絲脈沖 MIG 焊中存在兩個(gè)電弧等離子體，而在復(fù)合焊接中，激光的加入會(huì)產(chǎn)生光致等離子體光致等離子體與兩個(gè)電弧等離子體三者之間存在復(fù)雜的耦合機(jī)理和相互作用，光致等離子體的出現(xiàn)

2、使工件表面的等離子體濃度增加，引弧電阻降低 同時(shí)由于激光作用產(chǎn)生的金屬蒸氣和小孔周圍的高溫等離子體為電弧提供了一個(gè)穩(wěn)定的陰極斑點(diǎn)，能夠引導(dǎo)電弧的弧柱，而導(dǎo)致電弧偏向激光作用區(qū)域的小孔處，使電弧能量更加集中，電弧的電流密度增加由于激光+雙 MIG/MAG 電弧復(fù)合焊接過(guò)程中，雙電弧的同時(shí)燃燒保證了焊接過(guò)程足夠大的熔敷率和焊接效率，激光的加入又會(huì)對(duì)雙電弧起到一個(gè)吸引的穩(wěn)定作用，同時(shí)保證焊縫的形成具有足夠的熔深。這種焊接方法下，雖然同時(shí)有三種熱源作用于工件上同一部位，但是由于焊接速度可以達(dá)到很大，所以整個(gè)焊接過(guò)程的線能量較小，保證了焊接過(guò)程節(jié)能高效的進(jìn)行。綜合國(guó)內(nèi)外已有的激光+電弧復(fù)合焊接方法的研究

3、成果可知，近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外對(duì)激光+MIG復(fù)合焊接方法的關(guān)注度在不斷增長(zhǎng)，但是這些研究主要集中在激光與單電弧復(fù)合焊接方法的工藝研究與焊接過(guò)程模擬上，而對(duì)激光+雙絲 MIG復(fù)合焊接方法及技術(shù)的研究幾乎沒(méi)有。激光-雙絲 MIG 復(fù)合焊接方法不是在激光-單絲 MIG 復(fù)合焊的基礎(chǔ)之上再簡(jiǎn)單地加入一個(gè)電弧，除了激光與電弧之間的耦合作用外，兩個(gè)電弧之間也有復(fù)雜的交互作用，電弧之間的距離大小、焊槍夾角大小、電源供電模式的不同、激光作用點(diǎn)的改變等均會(huì)使整個(gè)焊接過(guò)程熱場(chǎng)、力場(chǎng)、流場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)以及三個(gè)熱源之間的耦合機(jī)制發(fā)生變化，進(jìn)而影響熔滴過(guò)渡、焊縫成形和微觀組織。作為焊接加熱的直接熱源，激光復(fù)合電弧的性質(zhì)對(duì)于整

4、個(gè)焊接過(guò)程具有決定的意義，了解激光與雙絲 MIG 電弧的相互作用方式與作用機(jī)理，對(duì)進(jìn)一步的研究激光+雙絲 MIG復(fù)合焊接方法及工藝具有指導(dǎo)性意義。激光-雙絲MIG復(fù)合焊的試驗(yàn)系統(tǒng)激光 + 雙絲脈沖 MIG /MAG 復(fù)合焊系統(tǒng)由焊接系統(tǒng)及檢測(cè)系統(tǒng)兩部分組成 其中焊接系統(tǒng)由激光器、 兩臺(tái)焊接電源、 兩臺(tái)送絲機(jī)、 兩把焊槍及一個(gè)脈沖協(xié)調(diào)控制器組成， 兩根焊絲分別使用獨(dú)立的導(dǎo)電嘴及氣體噴嘴 檢測(cè)部分由兩個(gè)電流傳感器、 兩個(gè)電壓傳感器、 一套高速攝像系統(tǒng)及兩臺(tái)工業(yè)計(jì)算機(jī)組成為檢測(cè)激光 + 雙絲脈沖 MIG /MAG的穩(wěn)定性，需要將激光器與高速攝像系統(tǒng)、 電流及電壓傳感器之類的多種儀器通過(guò)控制計(jì)算機(jī)將它

5、們協(xié)調(diào)統(tǒng)一起來(lái)，具體試驗(yàn)連接如圖2 所示圖 2 激光 + 雙絲脈沖 MIG 復(fù)合焊系統(tǒng)已經(jīng)研究過(guò)的方向：A.保護(hù)氣體對(duì)激光+雙絲 MAG 復(fù)合焊焊縫形貌和電弧特性的影響實(shí)驗(yàn)材料：焊接試驗(yàn)選用母材為 Q235 低碳鋼，焊絲為 H08Mn2Si A(直徑 12 mm)進(jìn)行平板堆焊焊接試驗(yàn)。研究了保護(hù)氣體為 (Ar)80 (CO2)20(情況 A)和 (Ar)40 (CO2)10 (He)50(情況 B)時(shí)對(duì)激光雙絲 MAG 復(fù)合焊焊縫表面成形和電弧特性的影響。利用 Lab VIEW 信號(hào)采集系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)同步采集焊接電流、電弧電壓波形和電弧形態(tài)。焊接過(guò)程中激光功率 18 k W，離焦量為 0，

6、兩焊絲和激光的空間擺放位置如圖 1 所示，其中 R15 mm，R26 mm。圖 3 激光雙絲 MAG 復(fù)合焊焊絲空間位置示意圖實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：圖 4 兩種不同保護(hù)氣體對(duì)應(yīng)的焊縫表面成形結(jié)果表明，(1)在焊縫表面和焊道兩側(cè)邊緣處，發(fā)現(xiàn)有斑點(diǎn)狀、不連續(xù)的氧化物肉眼可見(jiàn)，保護(hù)氣體為 (Ar)80 (CO2)20時(shí)對(duì)應(yīng)氧化物含量高于保護(hù)氣體為 (Ar)40 (He)50 (CO2)10；保護(hù)氣體為 (Ar)80 (CO2)20時(shí)比保護(hù)氣體為 (Ar)40 (He)50(CO2)10時(shí)對(duì)應(yīng)的焊縫熔寬要小。(2)保護(hù)氣體為 (Ar)80 (CO2)20比保護(hù)氣體為 (Ar)40 (He)50 (CO2)10

7、 含有的 CO2比例高，使 CO2氣體對(duì)電弧冷卻作用增強(qiáng)，減弱了激光對(duì)電弧的穩(wěn)定作用，斷弧次數(shù)多。B. 激光-MIG 雙絲復(fù)合焊電弧特性與熔滴過(guò)渡研究試驗(yàn)材料 ：試驗(yàn)用母材為 Q235 低碳鋼，工件尺寸為 200 mm×100 mm×8 mm。試驗(yàn)前將工件表面打磨干凈，防止油污、鐵銹等影響焊接過(guò)程及質(zhì)量。 試驗(yàn)用焊絲為 H08Mn2Si A，直徑為 1.2 mm。保護(hù)氣體為純氬(Ar)氣體。 試驗(yàn)過(guò)程中采用表面堆焊方式來(lái)研究激光- MIG 雙絲復(fù)合焊接過(guò)程。試驗(yàn)中所用的焊接參數(shù)如下表所示：結(jié)論 (1) 與 MIG 雙絲焊接相比，加入激光后焊接過(guò)程更穩(wěn)定，并且隨著激光功率的增

8、加，電弧穩(wěn)定性先增加后減小，在 1 000 W 附近焊接過(guò)程最穩(wěn)定。在送絲速度達(dá)到 4 m/min 后焊接過(guò)程穩(wěn)定性較好。在光絲間距增加到 6 mm 時(shí)，激光對(duì)兩個(gè)電弧的耦合作用減弱，焊接過(guò)程出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。 (2) 隨著激光功率的增加，電弧的偏轉(zhuǎn)角度先減小后增加。在 1 0001 400 W 時(shí)變化角度最小，約為 12.7°及 17°。隨著送絲速度的增加，電弧偏轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，最大偏轉(zhuǎn)角度出現(xiàn)在送絲速度 vf1=vf2=3 m/min 時(shí)，分別為 16.4°及20.1°。隨著光絲間距的增加，電弧偏轉(zhuǎn)角度呈現(xiàn)先平穩(wěn)后增加的趨勢(shì)。最小偏轉(zhuǎn)角

9、度出現(xiàn)在光絲間距4 mm 時(shí)，分別為 12.5°及 17.6°。 (3) 在送絲速度為 4 m/min，引導(dǎo)絲熔滴過(guò)渡方式為粗滴過(guò)渡，跟隨絲熔滴過(guò)渡方式為粗滴過(guò)渡+少量短路過(guò)渡。隨著激光功率的增加，熔滴過(guò)渡頻率呈現(xiàn)先增加跟隨又下降的趨勢(shì)，熔滴過(guò)渡頻率分別在 1 000 W 與 1 200 W 左右達(dá)到最大值 6.0 Hz 與6.4 Hz。引導(dǎo)絲與跟隨絲的熔滴過(guò)渡頻率分別以 4 m/min 及 5 m/min 為分界點(diǎn)，過(guò)渡頻率高于 MIG 雙絲焊接。在離焦量為1 mm 時(shí)，熔滴過(guò)渡頻率達(dá)到最大值，分別為引導(dǎo)絲 8.6 Hz，跟隨絲 6.3 Hz。C.激光功率對(duì)激光 雙絲脈沖

10、 MIG 復(fù)合焊接電弧形態(tài)及熔滴過(guò)渡的影響1 試驗(yàn)系統(tǒng)及焊接試驗(yàn)激光 雙絲脈沖 MIG 復(fù)合焊接試驗(yàn)系統(tǒng)由焊接系統(tǒng)和信號(hào)采集系統(tǒng)兩部分組成 如圖 1 所示，焊接系統(tǒng)包括天津大學(xué)自行研制的 MK03 型脈沖控制器，林肯 INVETEC V350 PO 型弧焊電源( 置于左側(cè)) 、林肯 INVETECTMV300-I 型弧焊電源( 置于右側(cè)) ，兩臺(tái) S-86A 型送絲機(jī)和英國(guó) GSI 公司生產(chǎn)的JK2003SM 型 Nd: YAG 激光器，其最大輸出功率為 2k W，輸出波長(zhǎng)為 1 064 nm 的連續(xù)激光，焦距為 300mm，焦點(diǎn)半徑為 0 4 mm 信號(hào)采集系統(tǒng)主要包括FASTCAM Sup

11、er 10KC 高速攝像機(jī)、電壓傳感器、電流傳感器、數(shù)據(jù)采集卡( PCL-1742) 、計(jì)算機(jī)及其附件 焊接過(guò)程中高速攝像的采集頻率為 1000 幅/s，電信號(hào)的采樣頻率為 10 k Hz，可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程中電信號(hào)與高速攝像圖片信號(hào)的同步采集圖 5 激光 雙絲脈沖 MIG 焊接系統(tǒng)示意圖試驗(yàn)中的兩焊槍所在平面與焊接方向垂直，焊槍與工件的夾角均為 60°，左側(cè)電弧由 V350 PO 型弧焊電源供電，右側(cè)電弧由 V300-I 型弧焊電源供電，均采用直流反接的形式 其中 V350 PO 型弧焊電源的輸出形式為脈沖模式，V300-I 型弧焊電源在無(wú)外部控制時(shí)的輸出形式為恒壓模式 在測(cè)量左側(cè)焊

12、接電流的電流傳感器 1 處取出信號(hào)交由脈沖控制器進(jìn)行處理，再由脈沖控制器控制 V300-I 型弧焊電源的電壓呈脈沖式輸出，當(dāng)送絲速度不變時(shí)其焊接電流也呈脈沖式輸出，兩個(gè)電弧對(duì)應(yīng)的脈沖電流具有一定的相位差6 試驗(yàn)所用試板為 8 mm 厚的Q235 低碳鋼板 焊絲為 H08Mn2Si A，直徑 1 2 mm，兩瓶保護(hù)氣體均為純氬氣，氣體流量均為 20 L/min，具體試驗(yàn)參數(shù)如下表 所示2 試驗(yàn)結(jié)果與分析1）激光功率對(duì)電弧形態(tài)的影響雙絲脈沖 MIG 焊中存在兩個(gè)電弧等離子體，而在復(fù)合焊接中，激光的加入會(huì)產(chǎn)生光致等離子體光致等離子體與兩個(gè)電弧等離子體三者之間存在復(fù)雜的相互作用，光致等離子體的出現(xiàn)使工

13、件表面的等離子體濃度增加，引弧電阻降低 同時(shí)由于激光作用產(chǎn)生的金屬蒸氣和小孔周圍的高溫等離子體為電弧提供了一個(gè)穩(wěn)定的陰極斑點(diǎn)，能夠引導(dǎo)電弧的弧柱，而導(dǎo)致電弧偏向激光作用區(qū)域的小孔處，使電弧能量更加集中，電弧的電流密度增加 激光功率的改變可以影響光致等離子體的大小與強(qiáng)度，焊接溫度場(chǎng)，熔滴表面張力以及兩個(gè)電弧之間的相互作用力等7，8圖 2 分別為不同激光功率下左側(cè)電流峰值，中間態(tài)( 即兩電弧形態(tài)大致相同的狀態(tài)) 及右側(cè)電流峰值時(shí)的高速攝像 如圖 2 所示，激光功率為 0 W時(shí)，左側(cè)電流峰值時(shí)及右側(cè)電流為峰值時(shí)，兩個(gè)電弧均沿著焊絲軸線方向分布，中間態(tài)時(shí)兩個(gè)電弧相互吸引，向中間偏移 加入激光后，左側(cè)電

14、流峰值與左側(cè)電流峰值時(shí)電弧均向激光入射方向偏移，中間態(tài)時(shí)兩電弧的偏移角度增大 由于 V350 焊機(jī)的峰值電流可達(dá) 420 A，V300 焊機(jī)的峰值電流約為 300 A，因此 V350 電弧的挺度高于 V300 的電弧，V350 電弧偏移程度相對(duì)較小 當(dāng)激光功率增大至 1 500 W 時(shí)，中間態(tài)及右側(cè)電弧峰值狀態(tài)下的激光入射處上方的光致等離子體與電弧等離子體發(fā)生強(qiáng)烈復(fù)合，激光對(duì)電弧產(chǎn)生明顯的吸引作用 由圖 2 可知，激光對(duì)電弧的吸引能力及電弧偏向激光入射方向的角度隨激光功率的提升而增大圖 6 不同激光功率下的電弧形態(tài)2）激光功率對(duì)熔滴過(guò)渡的影響將焊接過(guò)程中采集的電壓電流信號(hào)及與之同步的高速攝像圖

15、片進(jìn)行處理，繪制出不同激光功率下熔滴過(guò)渡過(guò)程的電壓電流信號(hào)與高速攝像的對(duì)應(yīng)圖。 圖 7 激光功率 0 W 時(shí)一個(gè)熔滴過(guò)渡周期內(nèi)的電信號(hào)及對(duì)應(yīng)的高速攝像圖 8 激光功率 1 500 W 時(shí)一個(gè)熔滴過(guò)渡周期內(nèi)的電信號(hào)及相對(duì)應(yīng)的高速攝像通過(guò)激光功率 0 W 與 1 500 W 時(shí)的熔滴過(guò)渡過(guò)程的對(duì)比可知，左側(cè)弧焊電源對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡形式由 P = 0 W 時(shí)的一脈一滴變?yōu)?P = 1 500 W 時(shí)的兩脈一滴; 右側(cè)弧焊電源對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡形式由 P = 0W 時(shí)的兩脈一滴變?yōu)?P = 1 500 W 時(shí)的三脈一滴 兩個(gè)弧焊電源對(duì)應(yīng)的熔滴體積均有增大3.結(jié) 論( 1) 激光 雙絲脈沖 MIG 復(fù)合焊接中

16、，激光功率的改變可以影響光致等離子體與兩個(gè)電弧等離子體之間的相互作用，熔滴受力情況發(fā)生變化，從而影響電弧形態(tài)及熔滴過(guò)渡( 2) 在焊接電源預(yù)設(shè)參數(shù)不變的情況下，光致等離子體與電弧等離子體之間的相互作用隨激光功率的增大而不斷增強(qiáng) 左側(cè)弧焊電源對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡形式由均勻的一脈一滴變?yōu)閮擅}一滴，右側(cè)弧焊電源對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡形式由均勻的兩脈一滴變?yōu)槿}一滴 兩臺(tái)弧焊電源對(duì)應(yīng)的熔滴過(guò)渡頻率均隨激光功率的增大而不斷降低( 3) 激光 雙絲脈沖 MIG 復(fù)合焊中激光對(duì)電弧產(chǎn)生了明顯的吸引作用，使熔滴受力情況發(fā)生改變，等離子流力向激光方向偏移，導(dǎo)致促進(jìn)熔滴過(guò)渡的分力減小，使熔滴過(guò)渡更依賴于自身的重力作用，導(dǎo)致熔滴

17、尺寸增大，過(guò)渡頻率降低雙絲間距對(duì)激光 雙電弧復(fù)合焊接過(guò)程穩(wěn)定性的影響.焊接系統(tǒng)如上面一個(gè)實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)參數(shù)如下：.試驗(yàn)結(jié)果與分析1） 雙絲間距對(duì)電弧形態(tài)的影響激光 脈沖雙電弧復(fù)合焊中光致等離子體與電弧等離子體以及兩個(gè)電弧等離子體之間產(chǎn)生復(fù)雜的相互作用，雙絲間距的改變可以影響焊接電弧的電磁場(chǎng)，焊接溫度場(chǎng)，熔滴表面張力以及兩個(gè)電弧之間的相互作用力等激光 脈沖雙電弧復(fù)合焊中，當(dāng)激光功率較大時(shí)，在試板表面形成“匙孔”，匙孔內(nèi)噴射出大量粒子( 由大量金屬鐵蒸氣及部分電子、離子組成) ，由于匙孔中溢出的大量粒子較焊接保護(hù)氣體及空氣具有更低的電離電位，因此，當(dāng)其與電弧等離子體相互作用后，這些粒子受到電弧熱作用的

18、影響而迅速電離，從而為電弧提供了具有更高導(dǎo)電率的導(dǎo)電通路根據(jù)最小電壓原理，電弧將在這個(gè)導(dǎo)電通道內(nèi)穩(wěn)定燃燒，電弧弧根將被固定在匙孔附近 單電源供電模式下兩焊絲的電流大小相等，方向相同，兩個(gè)電弧相互吸引 圖 2 為不同雙絲間距 DAA的電弧形態(tài)可以看出，DAA較大時(shí)，YAG 激光與 MIG 電弧呈分離狀態(tài)，激光與電弧基本沒(méi)有產(chǎn)生相互作用，DAA= 9mm 時(shí)兩個(gè)電弧分別作用在兩個(gè)熔池內(nèi)，由于兩電弧距離較遠(yuǎn)，弧間的導(dǎo)電粒子數(shù)目少而不能維持兩電弧同時(shí)燃燒，出現(xiàn)交替燃弧現(xiàn)象( 圖 3) ，即其中一個(gè)絲燃燒，另一個(gè)絲處于熄弧狀態(tài)，未燃焊絲不斷送進(jìn)至接觸試板表面，電弧引燃，另一個(gè)電弧熄滅 隨著 DAA的減少

19、，YAG 激光對(duì) MIG 電弧產(chǎn)生吸引及壓縮作用，激光作用點(diǎn)上方復(fù)合焊接電弧弧柱區(qū)收縮隨著 DAA的進(jìn)一步減小，兩電弧的相互吸引作用增強(qiáng)且 YAG 激光作用位置逐漸接近 MIG 電弧中心高溫區(qū)域，此時(shí)激光對(duì)兩個(gè)電弧的吸引壓縮作用也增大 當(dāng) DAA= 0 時(shí)，兩個(gè)電弧在相互吸引力和激光吸引力的作用下融合成一個(gè)較大的電弧2） 雙絲間距對(duì)熔滴過(guò)渡的影響圖 4 為激光 雙電弧復(fù)合焊接過(guò)程中熔滴受力示意圖 其中 Fg為熔滴所受重力，F(xiàn)p為等離子流力 在激光 雙電弧從復(fù)合焊接過(guò)程中，加入激光導(dǎo)致電弧向激光偏移，而使得等離子流力向激光方向偏移，其與豎直方向的夾角 與激光對(duì)電弧的吸引程度有關(guān)，電弧與激光之間的

20、距離越近，激光對(duì)電弧的吸引作用越強(qiáng)烈， 也越大 FN為“匙孔”內(nèi)向外不斷涌出的高溫等離子羽輝形成氣體射流對(duì)復(fù)合焊接熔滴產(chǎn)生的一個(gè)沿電弧軸線方向向上的反作用力，F(xiàn)a為兩電弧之間的吸引力 熔滴在這幾個(gè)力的共同作用下偏離電弧軸線向激光位置偏移 在雙絲間距較小時(shí)( DAA= 0 mm) ，熔滴在兩焊絲端部不斷長(zhǎng)大并相互吸引，直至接觸并逐漸融合為一個(gè)熔滴過(guò)渡到熔池中( 圖 5) 這一過(guò)程中，由于雙電弧之間距離較近，電弧之間的干擾作用較大，電弧不穩(wěn)定，且熔滴過(guò)渡形式為大滴過(guò)渡，焊接過(guò)程中的飛濺較大 當(dāng)雙絲間距逐漸增大到最佳位置時(shí)，熔滴所受到的水平方向分力平衡，熔滴可以平穩(wěn)地過(guò)渡到熔池中，焊接過(guò)程穩(wěn)定 在雙絲間距不斷減小的過(guò)程中， 增大，F(xiàn)p沿豎直方向向下的分力減小，而 FN沿豎直方向向上的力增大，熔滴受豎直方向向下的合力減小，熔滴過(guò)渡頻率降低 在 DAA= 5 mm 和DAA= 7 mm 時(shí)，可以達(dá)到穩(wěn)定的一脈一滴過(guò)渡3） 雙絲間距對(duì)焊縫成形的影響圖 6 為不同雙絲間距下的焊道表面形貌 可以看出，焊絲間距 9 mm，為兩電弧形成共熔池、同焊道的上臨界距離 此時(shí)，兩個(gè)電弧可以形成各自的焊道并能清晰地看到兩個(gè)電弧的收弧位置，但兩個(gè)焊道已經(jīng)開(kāi)始有不規(guī)則的連接 這是由于焊絲間距在上述臨界狀態(tài)時(shí)，兩個(gè)電弧的間距較大，二者不能形成共熔池狀態(tài)，因此形成的熔滴在電弧力的作用下沿焊絲軸線方