激光填絲焊焊絲熔入行為研究

（蘭州理工大學(xué)省部共建有色金屬先進(jìn)加工與再利用國家重點(diǎn)實(shí)驗室，甘肅蘭州730050）

0 前言

金屬材料激光增材制造技術(shù)因其高柔性化、設(shè)計制造一體化、高度自動化和材料使用廣泛等特點(diǎn)，大大縮短零件的制造周期，可直接低成本一體化制造和優(yōu)化復(fù)雜構(gòu)件，為傳統(tǒng)的零件加工開辟出一條嶄新的道路，在航空航天、國防軍工等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景[1-2]。過去20年，國內(nèi)外學(xué)者主要研究以激光為熱源的粉基金屬增材制造技術(shù)并取得一定的成果，但粉基金屬原材料制備成本較高、易受污染、利用率低等特點(diǎn)增加了原料成本[3]。激光填絲增材制造技術(shù)以金屬絲材作為填充材料，材料利用率高、無粉塵污染，更具有經(jīng)濟(jì)性，為復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的一體化成型和高精尖受損零部件的增材修復(fù)提供了便利[4]。目前，開展最多的是基于工藝試驗和焊縫沉積層組織性能方面的探索研究。Sui Him Mok[5－6]和Waheed Ul Haq Syed[7]等人采用激光填絲堆焊工藝制備TC4鈦合金，研究激光功率、掃描速度、送絲速度和送絲角度等參數(shù)對單道焊縫成形的影響；德國的Erhard Brandl和比利時的Bernd Baufel[8]等人采用Nd－YAG激光器制備TC4鈦合金，并從組織和性能方面與TIG電弧熔絲增材制造成形件進(jìn)行對比，結(jié)果表明激光填絲增材制造成形件的強(qiáng)度和塑性均略低于電弧成形件。

控制沉積層成形精度是金屬絲材增材制造的技術(shù)關(guān)鍵，由于激光填絲焊接要添加焊絲，焊絲的送進(jìn)條件以及光絲耦合行為的復(fù)雜性使得焊接過程穩(wěn)定性的控制更加困難，而針對工藝研究摸索出的工藝窗口受限于諸多工藝參數(shù)的影響無法進(jìn)行工藝移植，難以揭示影響焊接過程穩(wěn)定性的本質(zhì)因素，理論指導(dǎo)作用有限。

基于以上背景，本研究結(jié)合理論分析采用高速攝像采集技術(shù)進(jìn)行大量工藝試驗，對焊絲的加熱機(jī)制、液態(tài)金屬過渡行為和焊縫成形機(jī)理等基礎(chǔ)問題進(jìn)行系統(tǒng)研究，為激光填絲焊接技術(shù)在增材制造和增材修復(fù)領(lǐng)域的應(yīng)用提供一定的理論指導(dǎo)。

1 試驗方法

試驗材料為4.0 mm厚的Q235碳鋼板材，焊絲為直徑1.2 mm的E501T－1低合金鋼藥芯焊絲，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 E501T-1低合金鋼藥芯焊絲化學(xué)成分%

試驗系統(tǒng)示意如圖1所示。焊接熱源由西安炬光科技公司設(shè)計的Dlight3半導(dǎo)體激光器提供，其最大功率 1.5 kW、波長976 nm、光斑尺寸3 mm×1 mm、工作距離275 mm、工作模式CW，為了減弱反射的激光能量損壞激光器和其他元器件，焊接過程中激光頭的中軸線逆著焊接方向進(jìn)行一小角度偏轉(zhuǎn)（15°）；送絲系統(tǒng)采用經(jīng)過改裝的華意隆SB－10送絲機(jī)，送絲速度0～5 m/min且穩(wěn)定可調(diào)；為了保護(hù)高溫熔池和焊縫金屬，避免焊縫金屬氧化和形成氣孔等缺陷，設(shè)計專門的送氣裝置側(cè)吹氬氣保護(hù)熔池和焊縫，送氣管位于焊接方向的后端與激光束以及送進(jìn)焊絲共面；配合自行設(shè)計的四軸聯(lián)動機(jī)器人進(jìn)行試驗；利用高速攝像系統(tǒng)實(shí)時采集焊接過程，高速攝像分辨率為350×250，每秒幀數(shù)為1 000，為了提高高速攝像采集區(qū)域的清晰度，采用NBT公司生產(chǎn)的HSX－F300氙燈作為輔助光源。

試驗前首先將板材加工成尺寸100 mm×70 mm的試件，采用化學(xué)清理和機(jī)械加工去除試件表面的油污和氧化膜。利用高速攝像采集技術(shù)和平板堆焊相結(jié)合的手段，對激光填絲焊焊絲的加熱熔化機(jī)制、液態(tài)金屬動態(tài)過渡行為和焊縫成形機(jī)理進(jìn)行研究。

圖1 試驗系統(tǒng)示意

2 結(jié)果與討論

通過前期大量工藝試驗發(fā)現(xiàn)，焊絲送進(jìn)位置（即光絲間距）和送絲速度是影響焊絲加熱熔化機(jī)制、熔滴過渡行為和焊縫成形質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

2.1 焊絲送進(jìn)位置的標(biāo)定

光絲間距OO'是指焊絲端部與工件接觸點(diǎn)相對于激光束與工件接觸點(diǎn)之間的距離[9]，光絲間距OO'可分解為平行于焊接方向上的距離Dx和垂直于焊接方向上的距離Dy，如圖2所示。

圖2 光絲間距分解示意

大量工藝試驗研究發(fā)現(xiàn)，垂直于焊接方向上的距離偏差Dy不為0時，在優(yōu)化的工藝參數(shù)下仍然難以得到穩(wěn)定的焊接過程和質(zhì)量良好的焊縫。因此，本研究預(yù)設(shè)Dy為0，研究平行于焊接方向上的距離偏差Dx對焊絲熔入行為和焊縫成形特征的影響機(jī)理。

根據(jù)激光離焦量（0 mm）、激光光斑尺寸（3 mm×1mm）、焊絲直徑（1.2mm）、激光束偏轉(zhuǎn)角度（15°）和送絲角度（45°），結(jié)合幾何關(guān)系和三角函數(shù)的計算，可將激光束和焊絲的相對位置關(guān)系分為3種典型情況，如圖3所示。

圖3 激光束和焊絲典型位置關(guān)系

2.2 焊絲的加熱熔化機(jī)制

激光填絲焊中激光束與焊絲相互作用的機(jī)理比較復(fù)雜，由于采用的Dlight3半導(dǎo)體激光器的功率密度有限，通過高速攝像實(shí)時觀察焊絲動態(tài)熔入過程可知，焊接過程中可忽略等離子體的作用；在優(yōu)化的工藝參數(shù)下，焊絲主要被激光熱量PL、金屬蒸汽和熔池輻射熱量PP及熔池液態(tài)金屬熱傳導(dǎo)熱量PM熔化。焊絲的加熱熔化機(jī)制可分為兩種類型：（1）PL+PP，如圖4a所示，送進(jìn)的焊絲在激光熱量PL、金屬蒸汽和熔池輻射熱量PP的共同作用下熔化后過渡到熔池中；（2）PL+PP+PM，如圖4b所示，當(dāng)激光熱量PL、金屬蒸汽和熔池輻射熱量PP不足以使焊絲完全熔化時，隨著焊絲的送進(jìn)，未熔化的固態(tài)焊絲插入熔池通過熔池液態(tài)金屬傳導(dǎo)熱量PM完全熔化后在熔池中鋪展形成焊縫。焊絲在不同熔化機(jī)制下的動態(tài)熔入過程如圖5所示。

圖4 焊絲熔化機(jī)制示意

2.3 液態(tài)金屬過渡行為

研究液態(tài)金屬的過渡行為和形成機(jī)理，可進(jìn)一步揭示焊絲熔入行為和焊縫成形質(zhì)量之間的內(nèi)部聯(lián)系。分析焊絲動態(tài)熔入過程可知，在相同工藝參數(shù)下，根據(jù)焊絲送進(jìn)位置和送絲速度的變化，液態(tài)金屬的過渡方式可分為液橋過渡、大滴過渡和鋪展過渡3種。

2.3.1 鋪展過渡行為的形成條件及機(jī)理

當(dāng)光絲間距Dx＞0.29 mm且送絲速度較小時，液態(tài)金屬以鋪展過渡的形式過渡到熔池中。

圖5 焊絲熔入動態(tài)過程

當(dāng)光絲間距Dx＞0.29 mm時，焊絲與激光束完全分離，激光熱量全部作用于母材上，焊縫熔深較大，焊絲端部送到熔池邊緣熔化困難。鋪展過渡焊絲熔入動態(tài)過程如圖6所示。當(dāng)送絲速度較小（vf=0.5 m/min）且焊絲端部能夠到達(dá)熔池邊緣時，焊絲端部在熔池液態(tài)金屬蒸汽的作用下預(yù)熱至半熔化狀態(tài)；隨著焊絲的繼續(xù)送進(jìn)，預(yù)熱至半熔化狀態(tài)的焊絲端部與熔池邊緣相接觸，由PP+PM熔化后在重力和表面張力的作用下于熔池中充分鋪展形成焊縫，由于進(jìn)入熔池中的金屬體積較小，鋪展過渡形成的焊縫類似自熔焊，焊縫寬度和熔深較大，余高較小，如圖7所示。隨著送絲速度的增大（vf=0.75 m/min），焊絲無法完全熔化，從而以固態(tài)形式與母材表面接觸發(fā)生頂絲彎曲，焊接過程中通過檢測送絲輪的轉(zhuǎn)動速度可知，實(shí)際送絲速度遠(yuǎn)小于設(shè)定值且送絲輪的轉(zhuǎn)動呈現(xiàn)斷斷續(xù)續(xù)的周期性不穩(wěn)定現(xiàn)象，焊接過程無法連續(xù)進(jìn)行。

圖6 鋪展過渡焊絲熔入動態(tài)過程（Vf=0.5 m/min）

2.3.2 大滴過渡行為的形成條件及機(jī)理

圖7 鋪展過渡焊縫形貌及熔深

當(dāng)光絲間距Dx＜-0.75 mm時，液態(tài)金屬以大滴狀滴落到熔池中，焊接過程穩(wěn)定性差，焊縫由不連續(xù)的顆粒狀焊疤構(gòu)成。

光絲間距Dx＜-0.75 mm時，焊絲幾乎完全遮擋激光束，大部分激光熱量被焊絲吸收，照射到母材表面的激光熱量很少。大滴過渡焊絲熔入動態(tài)過程如圖 8所示，送絲速度較小時（vf≤0.5 m/min），焊絲快速熔化成尺寸很小的熔滴并在表面張力作用下附著在焊絲端部，隨著焊絲的繼續(xù)送進(jìn)，激光束與熔滴二次耦合，熔滴在激光束照射下造成大量飛濺的同時蒸發(fā)汽化嚴(yán)重。金屬蒸汽的擾動導(dǎo)致焊接過程很不穩(wěn)定，焊接過程中的飛濺和金屬蒸發(fā)汽化造成液態(tài)金屬大量燒損，焊縫表面形貌及橫截面如圖9所示。

溶滴背向生長過程及受力示意如圖10所示。隨著送絲速度的增大（0.5 m/min＜vf＜1 m/min），附著在焊絲端部的熔滴在重力和表面張力的共同作用下沿背向快速生長，最終在重力、表面張力和金屬蒸汽壓力的作用下，熔滴上下振蕩瞬間滴落到熔池中。由于送絲速度增大，激光熱量短時間內(nèi)不足以使焊絲熔化升溫至沸點(diǎn)，焊接過程中由于飛濺和蒸發(fā)燒損液態(tài)金屬體積減少，但熔滴的滴落對熔池造成嚴(yán)重沖擊，使得焊接過程不穩(wěn)定。結(jié)合大滴過渡的焊縫形貌，分析高速攝像采集的大滴過渡動態(tài)過程可知，大滴過渡具有明顯的周期性，通過記錄相鄰兩次大滴過渡的間隔時間T=T4-T2=1.958 s，并結(jié)合焊接速度v=2 mm/s，可計算出焊縫成形后相鄰焊疤中心之間的距離S為3.9 mm（S=vT=1.958×2=3.916 mm），與實(shí)際測量值相符，如圖11、圖12所示。理論上可通過調(diào)節(jié)焊接速度和熔滴過渡頻率來減小相鄰焊疤的中心間距，從而得到表面成形較好的焊縫，但在實(shí)際焊接過程中因工藝窗口太窄其可行性不強(qiáng)。

圖8 大滴過渡焊絲熔入動態(tài)過程

圖9 大滴過渡典型焊縫形貌及橫截面

圖10 熔滴背向生長過程及受力示意

圖11 相鄰熔滴過渡動態(tài)過程

圖12 大滴過渡典型焊縫形貌及橫截面

2.3.3 液橋過渡行為的形成條件及機(jī)理

當(dāng)-0.75 mm＜Dx＜0.29 mm 時，在很大的工藝參數(shù)范圍內(nèi)可以形成液橋過渡，焊接過程穩(wěn)定且焊縫成形質(zhì)量好。

在-0.75 mm＜Dx＜0.29 mm 時，激光束與焊絲部分重疊，部分激光熱量熔化焊絲，部分激光熱量熔化母材形成熔池。液橋過渡動態(tài)過程如圖13所示，送絲速度較小時焊絲能夠在PL+PP作用下完全熔化，隨著焊絲送進(jìn)熔滴體積增大且瞬間與熔池液態(tài)金屬接觸形成液橋，在表面張力和重力作用下液態(tài)金屬通過液橋源源不斷地過渡到熔池中。當(dāng)PL+PP不足以使焊絲完全熔化時，根據(jù)激光束和焊絲端部的位相關(guān)系，隨著焊絲送進(jìn)，焊絲未熔化部分插入熔池在熔池液態(tài)金屬熱傳導(dǎo)作用下充分熔化后，以液橋過渡方式過渡到熔池中鋪展形成焊縫，如圖14所示。

分析可知，焊絲與激光束部分重疊時只要嚴(yán)格控制焊絲端部到母材表面距離，在很寬的工藝參數(shù)范內(nèi)焊絲均能充分熔化并形成穩(wěn)定的液橋過渡。光絲間距為0時，激光功率的可調(diào)性和對焊接過程波動適應(yīng)性最強(qiáng)，是形成液橋過渡的最佳焊絲送進(jìn)位置；液橋過渡時熔滴對熔池的沖擊作用微弱，焊接過程穩(wěn)定，焊縫表面光滑細(xì)密、魚鱗紋均勻，如圖15所示，液橋過渡是最理想的液態(tài)金屬過渡行為。

圖13 液橋過渡動態(tài)過程

圖14 液橋過渡動態(tài)過程

圖15 液橋過渡焊縫形貌及橫截面

3 結(jié)論

（1）激光束和焊絲的相對位置是影響焊絲熔入行為的最主要因素，可分為激光束和焊絲部分重合、完全分離、激光束在焊接方向上被焊絲完全遮擋3種典型的位置關(guān)系，每種位置關(guān)系對應(yīng)的光絲間距可根據(jù)光斑尺寸、焊絲直徑和送絲角度等進(jìn)行數(shù)學(xué)計算和標(biāo)定。

（2）熔化焊絲的熱源主要有激光熱量、熔池和金屬蒸汽熱輻射熱量以及熔池液態(tài)金屬熱傳導(dǎo)熱量，焊絲的加熱熔化機(jī)制可分為PL+PP和PL+PP+PM兩類典型情況。

（3）根據(jù)光絲間距和送絲速度的變化，液態(tài)金屬過渡方式可分為液橋過渡、大滴過渡和鋪展過渡3種，其中液橋過渡方式對焊接參數(shù)的波動性適應(yīng)性強(qiáng)，可在較寬工藝區(qū)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)焊接過程穩(wěn)定和良好的焊縫成形，是最理想的液態(tài)金屬過渡方式。

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