304不銹鋼激光K-TIG復合焊接電弧特性的研究

李京洋　李偉　焦向東　朱加雷　梁栩　肖鐫璐

摘要：針對4 mm厚度304不銹鋼板開展激光K-TIG復合焊接實驗，利用高速攝像和圖像處理技術采集電弧形態，分析和探索各工藝參數對電弧形態的影響規律。實驗結果表明：電弧形態穩定與否的關鍵是能量配比，當激光焦點距離陽極較近時，由于電弧與試件有效接觸面積變大，導致電弧吸收激光能量增加，電弧趨于穩定;當激光焦點作用于陰極附近時，電弧變得發散，穩定性下降。實驗得到的最佳熱源間距為0～3 mm，最佳離焦量為0 mm。

關鍵詞：K-TIG;激光復合焊接;電弧形態;圖像處理

中圖分類號：TG456.7文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）04-0030-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.04

0 前言

激光-TIG復合焊接技術是薄板常用的焊接工藝之一[1]，然而TIG焊鎢極載流能力較低，填絲熔敷效率低，不利于焊接效率的提高。鎖孔TIG焊（K-TIG）焊槍彌補了普通TIG焊載流能力差的缺點，加大了鎢極載流能力，很大程度提高了生產效率，可實現薄板在高速焊接下的單面焊雙面成型[2]。

Rosellini C.等人[3]進行了可焊材料K-TIG全熔透焊接實驗，結果表明K-TIG適合于焊接奧氏體不銹鋼、鎳基合金、鈦基合金等前景廣闊的材料。French等人[4]采用K-TIG和A-TIG兩種方法對316不銹鋼進行了焊接對比實驗，結果表明K-TIG焊接可改善熔寬過大等缺陷。Cui ShuangLin 等人[5]對4 mm的304不銹鋼進行了K-TIG全熔透小孔焊接實驗，雖然在焊接過程中脈沖電流產生脈沖小孔，實現了穩定的小孔焊接，但存在工藝窗口太窄的缺點。柳陽等人[6]研究了保護氣成分對304N不銹鋼焊接質量的影響，發現當保護氣采用φ（Ar）97%+φ（N2）3%時，焊縫的顯微硬度可提高14%以上。激光K-TIG復合焊接可以充分發揮激光焊接和K-TIG焊接的優勢，在不銹鋼薄板提速焊接方面具有很高的研究價值。本文主要研究激光K-TIG復合焊接過程中的電弧特性，通過圖像采集系統和圖像處理手段，采集和處理高速焊接過程中不同焊接參數下的電弧特性，將采集圖像進行總結，為研究機理提供理論依據[7]。

1 實驗方法及電弧圖像處理技術

實驗材料為304奧氏體不銹鋼，板材尺寸為400 mm×70 mm×4 mm。保護氣采用φ（H2）5%+φ（Ar）95%混合氣體，流量20 L/min。激光器采用IPG YLS-4000型光纖激光器，最大激光功率4 kW。焊槍采用唐山開元自主研發的K-TIG焊槍，鎢極直徑6 mm，最大載流能力600 A。圖像采集設備采用奧林巴斯i-SPEED3型高速攝像機，前置尼康28 mm f1.4微距鏡頭，最高拍攝速度為150 000 fps。實驗原理及設備如圖1所示。根據電弧的電場強度，將電弧分為陽極區、弧柱區和陰極區3個區域[8]。采用MATLAB Canny邊緣檢測算法對包含噪聲的圖像進行后處理，使圖像清晰易辨識。具體操作方法為：首先利用Canny邊緣檢測算法提取電弧邊緣得到電弧輪廓，然后測量電弧邊緣與陽極區接觸截面尺寸和電弧輪廓最大距離尺寸，最后根據測量結果分析電弧形態，步驟如圖2所示。

2 實驗結果及分析

2.1 能量配比對電弧形態的影響規律

激光和電弧的能量配比影響激光與電弧的相互作用，進而影響電弧形態。實驗選取5組參數（編號a～e），其中a組為單獨K-TIG實驗，b～e組為激光K-TIG復合焊接實驗，焊接速度1 m/min，采集時間間隔為50 ms。其他工藝參數如表1所示，各參數下電弧形貌如圖3所示。

對比圖3a與圖3c可知，加入激光后，K-TIG電弧的弧柱受到明顯的壓縮作用，發散角變小，挺度增加。當激光功率與電弧的電流在合適的匹配范圍時（見圖3b、圖3c），電弧穩定挺度較高，不易發散，在焊接過程中電弧形態較為穩定;當激光功率與電弧電流值處于不恰當的匹配范圍時（見圖3d、圖3e），電弧雖然受到壓縮作用，但電弧發散，不穩定，弧柱區波動較大。對比圖3d、圖3e可知，過度的提高熱源能量并不能改善焊接效果。這是因為激光焦點的作用點在電弧附近，此時部分激光能量被電弧吸收。當激光功率不變時，增加K-TIG電流，弧柱區和陽極區電弧直徑隨之增大，進而激光穿過電弧的距離增大，被電弧吸收的能量增加，因而用于焊接的能量減少[9]。

根據圖3b、圖3c可知，能量配比恰當時，陽極區和板材的接觸面積與弧柱區面積相差不大，比值在0.5～0.8之間;由圖3d、圖3e可知，能量配比不恰當時，陽極區和板件的接觸面積與弧柱區面積相差較大，截面尺寸比值低于0.5，熔池吸收的能量較少。

2.2 焊接速度對電弧形態的影響規律

保證其他焊接參數不變，研究不同焊接速度對電弧形態的影響。工藝參數設定：激光功率4 kW，電弧電流150 A，離焦量0 mm，熱源間距為0 mm，不同焊接速度時的電弧形態和邊緣檢測如圖4所示。

由圖4可知，隨著焊速的增加，激光與電弧的耦合作用被減弱。其中，焊接速度為1 m/min時激光壓縮電弧的效果最為明顯，此時弧柱直徑小，挺度高，并且焊接過程中產生的金屬蒸汽較少，電弧穩定性最好。而焊接速度增加到2 m/min時，電弧開始發散，表明激光對電弧壓縮作用減弱，但焊接過程還比較穩定;當焊接速度為2.5 m/min時，電弧形狀變得不規則，且波動劇烈，焊接穩定性大大降低。

對比邊緣檢測圖可知，焊接速度為1 m/min時，試件與電弧陽極區接觸面積的直徑最大，其與弧柱直徑的比值最大，為0.58，用于焊接的能量最多;焊速為1.5～2 m/min時，陽極區與板材的接觸直徑減少0.1～0.2 cm，其與弧柱直徑的比值也減少，金屬蒸汽增多，用于焊接的熱量減少;焊速為2.5 m/min時，電弧直徑最大，陽極區與板材的接觸面直徑最小，其與弧柱直徑的比值也最小，表明用于焊接的能量最少，在4組中焊接效果最差。

2.3 熱源間距對電弧形態的影響規律

設定激光功率4 kW、電弧電流150 A、焊接速度1 m/min、離焦量0 mm，不同熱源間距下的電弧形態見圖5，電弧形態處理后所對應的邊緣檢測見圖6。

由圖5可知，隨著熱源間距的增加，激光與電弧相互耦合的效果被減弱。當熱源間距為0～1 mm時，電弧直徑小，激光對電弧的吸引明顯，壓縮效果顯著，焊接效果最佳;當熱源間距為2～3 mm時，電弧直徑增加，同時激光對電弧的壓縮效果減少，電弧能量分布均勻，復合焊接效果較好;當熱源間距為4～5 mm時，壓縮效果變差，陽極區波動較大，激光與電弧的耦合效果不佳，焊接效果最差。

由圖6可知，隨著熱源間距的增大，弧柱直徑也隨之增大。當熱源間距為0～1 mm時，弧柱直徑最小，陽極區和板材接觸面的直徑與弧柱直徑的比值為0.61～0.81，被焊件吸收的能量最少;當熱源間距為2～3 mm時，電弧直徑相對增加，陽極區和板材的接觸面的直徑小幅變化，其比值約為0.56～0.70，此時用于焊接的能量降低;當熱源間距為4～5 mm時，電弧直徑變化較少，陽極區與板材的接觸面積減小，此時用于焊接的能量最低。

2.4 離焦量對電弧形態的影響規律

為研究離焦量對電弧形態的影響，設定激光功率4 kW、電弧電流150 A、焊接速度1 m/min、熱源間距0 mm保持不變，調整離焦量參數。不同離焦量下的電弧形態如圖7所示，電弧形態處理后所對應的邊緣檢測圖如圖8所示。

由圖7可知，正離焦時（見圖7a、7b），靠近陰極區的電弧很不穩定、波動劇烈，表層金屬發生劇烈汽化，對熔池金屬產生反作用力，使熔池內金屬向兩邊推移，焊縫會內凹，電弧等離子體金屬蒸汽羽輝減弱了激光能量，導致焊件吸收的能量減少[10];零離焦時（見圖7c），電弧發散角減小，此時電弧呈鐘罩型，且趨于穩定;當離焦量變為負離焦時（見圖7d、7e），隨著光斑直徑的增加，電弧形狀變得不規則，穩定性下降。此時激光焊屬于深熔焊，開始產生小孔效應，從小孔中噴出的金屬蒸汽對電弧穩定性具有一定的干擾作用。由圖8可知，電弧直徑的波動范圍在0.10 mm以內，相差不大，但正離焦時，陽極區與板材的接觸面積很小，與弧柱面積比值不足0.50，焊接效果差;零離焦時，陽極區與板材的有效接觸面積較大，焊接過程穩定，電弧能量集中，焊接效果更好;負離焦時，陽極區與板材的有效接觸面積增加不大，圖形趨于不規則形狀，穩定性下降。

3 結論

（1）當激光功率與電弧電流值處于恰當的匹配范圍時，電弧挺度較高、發散角小，形態變化較少，穩定性好，此時復合焊速的可調節范圍較大，但會存在一個閾值;當激光功率與電弧電流值處于不恰當的匹配范圍時，電弧雖然受到壓縮作用，但其收縮程度較少，弧柱區波動較大，穩定性較差，并且過度的提高熱源能量并不一定能改善焊接效果。

（2）實驗得到的激光K-TIG復合焊接熱源間距的合適范圍為0～3 mm。

（3）正離焦時，靠近陰極區的電弧波動較大、穩定性最差;零離焦時，電弧整體穩定性高;負離焦時，光斑增大，電弧穩定性減弱，因此實驗得到的激光K-TIG復合焊接最佳離焦量為0 mm。

參考文獻：

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