激光的加入對激光-MIG復合焊熔滴過渡的影響研究

王秋影　邱培現　陳輝

摘要：對比研究3 kW激光的加入對鋁合金MIG焊熔滴過渡和過程穩定性的影響，結果表明，激光的加入使焊接過程更穩定。小電弧參數時，在等離子流力、電磁收縮力和激光匙孔金屬蒸汽反沖力的共同作用下，激光-MIG復合焊熔滴落點更靠近焊絲;大電弧參數時，等離子流力和電磁收縮力起主要作用，激光匙孔金屬蒸汽反沖力的作用可以忽略不計，激光加入前后熔滴均沿焊絲延長線落入熔池。

關鍵詞：MIG焊，激光-MIG復合焊，熔滴過渡

中圖分類號：TG456.7文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0126-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.23

0 前言

焊接方法升級換代是提高鋁合金焊接接頭服役性能的重要手段。采用激光-MIG復合焊替代傳統MIG焊進行鋁合金焊接具有提高焊接效率、提高接頭強度、降低殘余應力和變形等優點[1-2]。要實現激光-MIG復合焊接技術在高速列車生產制造中的應用，首先要解決焊接過程的穩定性問題。在激光-電弧復合焊過程中，電弧形態和熔滴過渡的穩定性不僅受電弧參數的影響，還受激光參數的影響。激光能量會影響電弧形態和電弧等離子體的熱傳導，影響電子密度和電流密度，使電弧長度、熔滴尺寸和速度發生改變[3]。因此，本文研究激光的加入對激光-MIG復合焊熔滴過渡和穩定性的影響。

1 試驗材料與方法

采用IPG YLS-4000光纖激光器、KEMPPI Pulse 450 焊機和ABB IRB2600機器人組成激光-電弧復合系統，在厚10.5 mm鋁合金板上進行堆焊，焊絲為φ1.2 mm的ER5356。焊機選用單脈沖MIG焊模式，激光波長1 060 nm、光斑直徑200 μm、離焦量0 mm，激光在前、MIG焊槍在后，光絲間距為3～5 mm，保護氣為純度99.999%氬氣。采用Photron FASTCAM

SA4高速攝像機實時觀察熔滴過渡、電弧形態和熔池形貌。脈沖MIG焊焊接參數為：焊接速度0.54 m/min、送絲速度6 m/min或12 m/min;激光-MIG復合焊參數為：激光功率3 kW，焊接速度0.54 m/min、送絲速度6 m/min或12 m/min。

2 試驗結果

2.1 激光的加入對熔滴過渡的影響

當送絲速度為 6 m/min時，觀察脈沖MIG焊和激光-MIG復合焊熔滴過渡過程，圖1和圖2為一個射滴過渡周期，熔滴過渡為一脈一滴。脈沖MIG焊熔滴從焊絲端頭分離到落入熔池的時間為5 ms（見圖1），而激光-MIG復合焊熔滴從焊絲端頭分離到落入熔池僅為1 ms（見圖2）。這是因為激光的加入改變了熔滴落點，兩種焊接過程熔滴的飛行距離不同。脈沖MIG焊時，熔滴落點在焊絲延長線的右側，如圖1d所示，落點到焊絲端部的連線與焊絲延長線的夾角為23°。激光-MIG焊復合焊時（見圖2），熔滴落點也在焊絲延長線的右側，如圖2c所示，落點到焊絲端部的連線與焊絲延長線的夾角為12°。可見，3 kW激光的加入使得熔滴落點更靠后、熔滴飛行距離更短。

當送絲速度為12 m/min時，熔滴過渡模式為射滴過渡，有時為短路過渡，均為一脈一滴。脈沖MIG焊和激光-MIG復合焊一個熔滴過渡周期分別如圖3、圖4所示。可見，脈沖MIG焊和激光-MIG復合焊過程的熔滴均沿焊絲延長線落入熔池，激光的加入并沒有明顯改變熔滴落點，熔滴從焊絲端頭分離后0.67 ms即落入熔池。

2.2 激光的加入對電弧參數的影響

加入激光對脈沖電流和電壓的影響如圖5、圖6所示。可以看出，送絲速度為6 m/min和12 m/min時，激光加入前后脈沖電流的基值和峰值均沒有明顯差別，激光加入前后脈沖周期的變化也不明顯;但送絲速度為12 m/min時的脈沖電流的基值和峰值高于送絲速度為6 m/min時的。

電參數的變化，尤其是電弧電壓的變化與熔滴過渡過程相互對應，可反映焊接過程的穩定性。由圖5可知，送絲速度為6 m/min時，脈沖MIG焊電流和電壓波動都較大，焊接過程不穩定;3 kW激光的加入使脈沖電弧電流和電壓的波動減小，減少了短路過渡過程，焊接過程更穩定。圖6表明，送絲速度為12 m/min時，脈沖MIG電流和電壓波動小于送絲速度為6 m/min時的，說明大電弧參數時焊接過程較為穩定;3 kW激光的加入使得脈沖電壓波動減小，使焊接過程更加穩定。

3 討論

熔滴過渡行為與熔滴的受力密切相關，MIG焊和激光-MIG復合焊熔滴受力示意如圖7所示。MIG焊熔滴過渡受重力Fg、表面張力Ft、等離子流力Fp和電磁收縮力Fem的共同作用（見圖7a），激光-MIG復合焊熔滴過渡還受激光匙孔金屬蒸汽反沖力Fv的作用（見圖7b）。其中，Fem、Fp和Fg促進熔滴過渡，Ft和Fv阻礙熔滴過渡，Fem、Fp和Fv是決定熔滴過渡的主要因素[4-5]。

電磁收縮力Fem的計算公式為[6]：

Fem=I2f2（1）

式中 μ0為介質磁導率;I為焊接電流;f2為電弧形態系數。電弧形態系數f2取決于電弧傳導角度，電弧形態影響電磁力的大小及方向[4]。電磁收縮力Fem與電流I的平方呈正比。

等離子流力Fp的計算公式為[6]

Fp=CDAp（2）

式中 CD為等離子體流拖拽系數;Ap為作用在熔滴上的電弧傳導區面積;ρf為等離子流密度;vf為等離子流速度。等離子流力的方向與電弧形態有關[4]。等離子流力Fp與電弧傳導面積Ap呈正比。

激光匙孔金屬蒸汽反沖力Fv的計算公式為[6]

Fv=CDAp（3）

式中 CD為匙孔金屬蒸汽拖拽系數;Ap為熔滴在垂直于匙孔金屬蒸汽流動方向上的投影面積;ρv為匙孔金屬蒸汽密度;vv為匙孔金屬蒸汽的流動速度。激光匙孔金屬蒸汽反沖力Fv的大小與光-絲間距和激光功率有關[4]。

電磁收縮力Fem和等離子流力Fp都是電弧力，對熔滴過渡有很大影響。根據式（1）、式（2），電弧形態和電流大小的變化是分析激光加入前后熔滴所受電磁收縮力Fem和等離子流力Fp的大小和方向的關鍵因素。

激光對電弧有吸引和壓縮作用。一方面，激光的加入使工件上方產生了大量的金屬蒸汽，大量的金屬蒸汽聚集在匙孔上方使局部電導率高，電弧沿電阻最小的路徑傳導，使電弧彎曲、電弧根部靠近匙孔[7]。另一方面，激光加入后，部分激光能量被電弧等離子體吸收，使電弧等離子體進一步電離，增加電弧的電離度，電弧被吸引的同時被壓縮，能量密度增加[8]。所以，激光的加入提高了電弧穩定性、電弧的功率密度，并提高了熔化效率。

送絲速度為6 m/min時，激光引入前后熔滴都包裹在電弧中（見圖1、圖2），電弧傳導面積不變，等離子流力Fp的大小不變;激光加入前后脈沖電流沒有明顯差別（如圖5所示），激光-MIG復合焊時熔滴所受的電磁收縮力Fem與脈沖MIG焊相差不大;而激光-MIG復合焊熔滴還受激光匙孔金屬蒸汽反沖力Fv的作用，使得熔滴落點遠離匙孔。電弧形態的變化也影響熔滴受力，激光加入后電弧弧柱區體積減小，電弧收縮，使得熔滴所受合力方向靠下，熔滴落點靠后[4]。因此，送絲速度為6 m/min 時，3 kW激光的加入改變了熔滴的落點位置，脈沖MIG焊和激光-MIG復合焊熔滴落點均在焊絲延長線右側，但激光-MIG復合焊熔滴落點位置更靠后。

送絲速度為12 m/min時，激光加入前后熔滴等離子流力Fp和電磁收縮力Fem不變。但是，送絲速度12 m/min時脈沖電流遠大于送絲速度為6 m/min時的（如圖5、圖6所示），熔滴所受的電磁收縮力Fem顯著增大。脈沖MIG焊時，熔滴在合力作用下沿焊絲延長線落入熔池;激光-MIG復合焊時，與等離子流力Fp和電磁收縮力Fem對熔滴的促進作用相比，激光匙孔金屬蒸汽反沖力Fv對熔滴過渡的阻礙作用可以忽略不計，熔滴過渡行為主要受電弧力的影響。而且，隨著電弧參數的增大，電弧挺度增大，加入激光對電弧形態的影響也不如送絲速度為6 m/min時明顯，電弧形態變化對熔滴受力的影響也不明顯。因此，送絲速度為12 m/min 時，3 kW激光的加入沒有改變熔滴落點位置，激光加入前后熔滴均沿焊絲延長線落入熔池。

4 結論

（1）激光的加入有可能影響熔滴過渡過程。焊接速度為0.54 m/min、送絲速度6 m/min時，3 kW激光加入后，激光匙孔金屬蒸汽的反作用力使熔滴落點更靠近焊絲延長線，縮短了熔滴從焊絲尖端分離到落入熔池的時間;送絲速度為12 m/min時，熔滴過渡主要受電弧力的影響，3 kW激光的加入對熔滴過渡幾乎無影響。

（2）激光的加入使激光-MIG復合焊焊接過程更穩定。

參考文獻：

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