前言

激光-電弧復(fù)合焊接是將激光熱源和電弧熱源有機(jī)結(jié)合起來的一種新型高效焊接工藝。它兼有激光焊接和弧焊的優(yōu)。通過有效地利用激光熱源，可以在提高焊接速度的同時(shí)保持電弧的穩(wěn)定性，同時(shí)解決了電弧 焊熔深不足的問題。另一方面，電弧熱源的使用可以彌補(bǔ)激光焊接在寬間隙加工條件下適應(yīng)性差的問題。還可以改善激光對(duì)高反射材料焊接效果差的問題。因此，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)可以滿足工業(yè)生產(chǎn)中寬間隙、高焊接速度的加工要求。在提高生產(chǎn)效率的同時(shí)，降低了工業(yè)生產(chǎn)對(duì)夾緊精度的要求，最終仍能獲得良好的焊接效果。這些優(yōu)點(diǎn)使其成為業(yè)界最有前途、最高效的焊接技術(shù)之一。但在對(duì)接間隙較大的情況下，良好的焊接效果離不開合適的焊接工藝。激光-電弧復(fù)合焊的焊接過程相對(duì)復(fù)雜，激光束間距、電弧參數(shù)、激光功率等因素都影響最終的焊接效果。

本研究成果“Research on weld formation mechanism of laser-MIG arc hybrid welding with butt gap”發(fā)表于期刊“Optics and Laser Technology”。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2020.106530

正文

圖1顯示了不同電弧電壓下激光-電弧復(fù)合焊接焊縫的宏觀形貌。當(dāng)電弧電壓為12 V時(shí)，焊縫最大長(zhǎng)度達(dá)到45 mm，工件兩側(cè)壁可同時(shí)熔化的最大間隙為0.9 mm，焊縫超過45 mm后，熔滴全部過渡到基體一側(cè)。28 mm和45 mm之間的焊縫已塌陷（因此，實(shí)際最大橋接間隙為0.56 mm）。這是因?yàn)殡S著焊接間隙的增加，作用在熔池上的向下合力變得更大。

圖 1不同間隙下電弧電壓對(duì)激光-電弧復(fù)合焊接焊縫形貌的影響。

如圖2所示。圖中的電弧壓力主要由等離子體流動(dòng)力（Fp）和電磁壓縮力（Fem）組成。從式可以看出，僅改變對(duì)接間隙，F(xiàn)P和Fem不受影響，因此電弧壓力保持不變。液態(tài)熔池的重力不受對(duì)接間隙的影響。此外，隨著對(duì)接間隙的增大，母材的熔化量將大大減少，因此金屬蒸氣對(duì)熔滴的向上作用力也將消失。但對(duì)接間隙的增大會(huì)降低工件對(duì)液態(tài)熔池的支撐力。并且隨著熔池液橋變平，熔池內(nèi)部的張力變小，因此導(dǎo)致熔池向下塌陷的總合力變大。這會(huì)導(dǎo)致對(duì)接間隙小時(shí)，焊縫的彎曲高度大;對(duì)接間隙大時(shí)，焊縫的彎曲高度小。如圖2中焊縫的截面圖所示。因此，從焊縫背面可以觀察到，焊縫之前的28 mm沒有被穿透，而28-45 mm由于熔池塌陷而形成得更好。當(dāng)電弧電壓增加到16 V時(shí)，焊縫成形顯著改善，并且成形更平坦。焊縫上表面成形良好的長(zhǎng)度達(dá)到68 mm，最大橋接間隙為1.36mm。由于上述相同的原因，焊縫在50至68 mm之間也發(fā)生塌陷。從焊縫背面形成的角度來看，整個(gè)焊縫未完全焊透。即使當(dāng)熔池在50-68 mm處塌陷時(shí)，它仍然沒有熔化通過整個(gè)工件。由于僅改變電弧電壓而不改變焊絲進(jìn)給速度，因此在間隙較大的情況下，熔敷量相對(duì)不足，因此不能穿透整個(gè)工件。當(dāng)電弧電壓繼續(xù)增加到20 V時(shí)，焊縫的上表面開始惡化，并且所形成焊縫的長(zhǎng)度減小。焊縫的上表面變得非常平坦，并且剩余高度非常小。這是因?yàn)殡S著電弧電壓的上升，焊接電弧的壓力上升，電弧的范圍變大，熔池在橫向上受到應(yīng)力，擴(kuò)散更加均勻。因此，熔化寬度變大，焊縫變平。焊縫背面熔化，但連續(xù)性不好。總體而言，焊接差距橋接能力減弱。當(dāng)電弧電壓為24V時(shí)，焊縫上表面的成形繼續(xù)惡化，并且良好成形的長(zhǎng)度進(jìn)一步減小。然而，焊縫背面的形成被進(jìn)一步改善。并且焊縫的背面基本上是可滲透的并且相對(duì)連續(xù)。焊縫形成的最大長(zhǎng)度為67 mm，可焊接的最大間隙為1.28mm。當(dāng)電弧電壓為28V時(shí)，焊縫的上表面的形成繼續(xù)惡化，并且焊縫和側(cè)壁之間的形成變得不連續(xù)。這主要是由于熔滴過渡過程中熔滴尺寸變大，使得焊縫不同位置的熔滴受熱不均勻，造成焊縫成形不均勻。與此同時(shí)，焊縫的背面也開始變質(zhì)。可形成的焊縫最大長(zhǎng)度為50 mm，可焊接的最大間隙為1.0mm。當(dāng)電弧電壓達(dá)到32 V時(shí)，復(fù)合焊接過程不再穩(wěn)定，無法形成焊縫。這是因?yàn)殡娀￠L(zhǎng)度太長(zhǎng)，電弧容易漂移，焊接過程不穩(wěn)定，焊縫無法形成。

圖 2不同間隙對(duì)接激光電弧復(fù)合焊熔池應(yīng)力分析及相應(yīng)焊縫截面示意圖。

綜合分析發(fā)現(xiàn)，電弧電壓能有效地提高復(fù)合焊差距橋接能力。因?yàn)殡娀‰妷河绊懞附与娀〉膲毫�、焊縫的形成和熔深。隨著電弧電壓的增加，復(fù)合焊的焊深顯著增加，焊縫上部和背部的成形狀態(tài)呈現(xiàn)相反的趨勢(shì)。焊縫上側(cè)的形成逐漸惡化，而背面的形成逐漸改善。由圖3可知，電弧電壓為16 V時(shí)，復(fù)合焊差距橋接能力最好，且隨著電弧電壓的增大，差距橋接能力先增大后減小。

圖 3電弧電壓對(duì)激光-電弧復(fù)合焊接最大間隙尺寸的影響。

在本實(shí)驗(yàn)中，高速攝影圖像采集在五個(gè)不同的激光-焊絲距離，以分析熔滴過渡過程中的焊接。如圖10所示，其中D表示激光線距離，I表示焊接電流，U表示電弧電壓。當(dāng)激光-焊絲距離為-1.0 mm時(shí)，激光能量主要用于熔化焊絲，相當(dāng)于提高送絲速度或可視為熱焊絲熔化焊。送絲速度的增加使焊接電流增大，焊接過程不穩(wěn)定。在復(fù)合焊接熔滴過渡過程中存在兩種過渡。液滴的第一個(gè)過渡未能完成過渡，而第二個(gè)過渡是液滴的完整過渡。這是因?yàn)槿鄣涡纬深i縮需要一定的時(shí)間，而連續(xù)的激光波仍作用在焊絲上，焊絲繼續(xù)熔化。此時(shí)，電流大，形成頸縮的電流的力將激光熔化焊絲時(shí)形成的熔滴拉起。由此形成了不完全過渡現(xiàn)象。由于雙熔滴過渡現(xiàn)象，熔滴過渡周期相對(duì)較長(zhǎng)，為20.57 ms。當(dāng)激光-焊絲距離為−0.5 mm時(shí)，復(fù)合焊熔滴過渡與激光-焊絲距離為−1.0 mm時(shí)的熔滴過渡基本相同，該熔滴轉(zhuǎn)移的周期稍短，為19.58ms。從圖10中可以看出，當(dāng)焊絲間距為0 mm時(shí)，混合焊接的熔滴轉(zhuǎn)移頻率非常高，液滴轉(zhuǎn)變周期為5.83ms。圖10中的（a）-（c）處于電弧狀態(tài)，圖10中的（d）-（f）處于橋-液體轉(zhuǎn)變狀態(tài)。當(dāng)激光-絲距為0 mm時(shí)，液滴過渡呈現(xiàn)短路過渡法和橋-液過渡法的混合過渡方式。這種液滴過渡方法頻率高，橋液過渡穩(wěn)定性好。因此，復(fù)合焊接的穩(wěn)定性得到了顯著提高。當(dāng)激光絲距為0.5mm時(shí)，熔滴轉(zhuǎn)變與激光絲距為0 mm時(shí)相似，為短路轉(zhuǎn)變和橋液轉(zhuǎn)變的混合轉(zhuǎn)變形式，如圖10中的（d）-（f）所示。

圖4 激光-電弧復(fù)合焊接熔滴過渡的高速攝影

轉(zhuǎn)自：焊接科學(xué)

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