不同波長(zhǎng)激光對(duì)激光—MAG電弧復(fù)合焊接熔滴行為的影響

張斌， 張宏， 劉雙宇

（長(zhǎng)春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130022）

0 引言

激光—電弧復(fù)合焊接是激光與電弧兩種熱源共同作用于工件的同一位置的焊接方法，它具有焊接熔深大，工藝穩(wěn)定性好，焊接速度快，變形小，間隙橋接能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，因此近年來(lái)被廣泛地研究和應(yīng)用［1］。熔滴行為在激光—電弧復(fù)合焊接中對(duì)焊縫形貌和力學(xué)性能有重要影響，為此學(xué)者們利用各種方法和手段對(duì)其進(jìn)行了大量研究。劉鳳德等［2］利用高速攝像系統(tǒng)和漢諾威電弧電流電壓分析儀分析激光功率對(duì)CO2激光—MAG電弧熔滴行為的影響，結(jié)果表明激光的加入降低了熔滴過(guò)渡頻率和過(guò)渡穩(wěn)定性；焊接電流為160 A、180 A時(shí)，激光—電弧復(fù)合焊接的熔滴過(guò)渡頻率均隨著激光功率的增加而先減小后增大。劉達(dá)樊［3］應(yīng)用Surface Evolver有限元模擬軟件對(duì)熔滴過(guò)渡行為和熔滴受力狀態(tài)進(jìn)行了分析，結(jié)果表明通過(guò)附加軸向機(jī)械力可以有效地促進(jìn)熔滴過(guò)渡，提高熔滴過(guò)渡頻率和熔滴過(guò)渡的軸向性。劉雙宇等［4］對(duì)CO2激光—脈沖熔化極活性氣體保護(hù)焊（Metal active gas，MAG）復(fù)合熱源焊接的熔滴過(guò)渡進(jìn)行了研究，結(jié)果表明隨著激光功率的增加，熔滴的過(guò)渡形式由射滴過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒過(guò)渡，并且熔滴的尺寸逐漸增大，熔滴表面出現(xiàn)波形線。吳艷名等［5］指出激光的加入改變了熔滴的空間飛行軌跡、過(guò)渡穩(wěn)定性、熔滴過(guò)渡模式和受力狀態(tài)；YAG激光與CO2激光產(chǎn)生機(jī)理不同，YAG波長(zhǎng)比CO2激光更短，頻率比CO2激光更大，為找出兩類(lèi)激光在激光—MAG電弧復(fù)合焊接中對(duì)熔滴行為影響的不同之處，本文利用高速攝像系統(tǒng)對(duì)熔滴的形成、長(zhǎng)大、脫落、進(jìn)入熔池消失過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)拍攝，觀測(cè)熔滴直徑變化，分別計(jì)算不同波長(zhǎng)激光—電弧復(fù)合焊接的熔滴過(guò)渡頻率，通過(guò)建立熔滴的力學(xué)模型，從熔滴受力角度揭示了YAG激光、CO2激光對(duì)熔滴行為影響的本質(zhì)。

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)中采用的設(shè)備為T(mén)RUMPF公司的HL4006D型額定功率為4 kW的Nd：YAG固體激光器、Rofin公司的型號(hào)DC 050 SLAB額定功率5 kW的CO2激光器、KUKA機(jī)器人操作系統(tǒng)、CMOS-CR5000×2型高速相機(jī)、Panasonic公司的型號(hào)為YD-350AG2HGE MIG/MAG焊機(jī)。復(fù)合焊接頭采用旁軸復(fù)合結(jié)構(gòu)，電弧焊槍通過(guò)夾具連接在激光焊接頭右側(cè)。利用圖1所示的高速攝像系統(tǒng)采集熔滴過(guò)渡形態(tài)照片，其采樣頻率為5000幀/s。通過(guò)電腦顯示器觀測(cè)激光—電弧復(fù)合焊接過(guò)程中熔滴過(guò)渡形式的變化。

圖1 高速攝像系統(tǒng)示意圖

表1 高強(qiáng)鋼和焊絲化學(xué)成分質(zhì)量分?jǐn)?shù)%

試驗(yàn)材料為高強(qiáng)鋼，其主要化學(xué)成分見(jiàn)表1，試樣尺寸為125 mm×35 mm×8 mm。進(jìn)行焊接試驗(yàn)之前，先用酒精（或丙酮）將工件表面擦拭干凈，去除工件表面殘存的油污。然后將試件裝卡在十字滑臺(tái)上面，壓板壓緊，采用平板堆焊方式焊接。激光焊頭采用側(cè)吹保護(hù)氣，保護(hù)氣成分：30%He+70%Ar，流 量 為 25 L/min。MAG焊槍采用側(cè)吹保護(hù)氣，保護(hù)氣成分：20%CO2+80%Ar，流量為16 L/min。焊接過(guò)程采用的主要工藝參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 焊接參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 金屬對(duì)CO2和Nd∶YAG激光的吸收率

激光入射到金屬材料表面會(huì)發(fā)生反射、折射、透射、衰減和吸收。從微觀上看金屬材料對(duì)激光能量的吸收，是光子與金屬材料中的電子、聲子互相交換能量；從宏觀上看，主要是金屬中光學(xué)電磁場(chǎng)與自由電子的作用，自由電子與晶格碰撞產(chǎn)生阻尼而把光能傳給晶格加熱［6］。根據(jù)經(jīng)典電磁理論，衰減波可表示為

n＋ik稱(chēng)為材料的復(fù)折射指數(shù)；n是實(shí)折射率，決定光波傳播位相；k是衰減因子，決定光波的吸收。

根據(jù)Hagen-Ruben關(guān)系，在Fresnel吸收條件下，金屬吸收率η可表示為：

其中，ρ為金屬電阻率，λ為激光波長(zhǎng)。將λCO2=10.06 μm，λYAG=1.06 μm 代入式（2）得：

從式（5）可以得出，金屬對(duì)Nd：YAG激光的吸收率比CO2激光高，約為CO2激光的3.16倍。

3.2 不同波長(zhǎng)激光對(duì)熔滴過(guò)渡頻率的影響

圖 2（a）、（b）分別為 CO2激光和 YAG 激光熔滴過(guò)渡頻率曲線，從圖中可以看到，CO2激光和YAG激光熔滴過(guò)渡頻率均隨激光功率的增加而減小。當(dāng)激光功率均增加0.5 kW時(shí)，CO2激光—MAG電弧復(fù)合焊接熔滴過(guò)渡頻率下降幅度較為平緩，CO2激光功率由2.0 kW增加至3.5 kW時(shí)，熔滴過(guò)渡頻率下降了23 Hz，如圖2（a）所示。YAG激光—MAG電弧復(fù)合焊接熔滴過(guò)渡頻率下降幅度更大，YAG激光功率由2.0 kW增加至3.5 kW時(shí)，熔滴過(guò)渡頻率下降了 125 Hz，如圖 2（b）所示。

圖2 CO2激光和YAG激光熔滴過(guò)渡頻率曲線

在激光—MAG電弧復(fù)合焊接中，激光改變了熔滴受力狀態(tài)是熔滴過(guò)渡頻率發(fā)生變化的本質(zhì)原因。圖3為激光—電弧復(fù)合焊接熔滴的力學(xué)模型，其中Fg為熔滴受到的重力，F(xiàn)p為等離子體流力，F(xiàn)γ為熔滴表面張力，F(xiàn)RL為金屬蒸汽反作用力，F(xiàn)em為電磁收縮力。當(dāng)焊接電流、電壓一定時(shí)，F(xiàn)RL、Fp、Fem對(duì)熔滴過(guò)渡頻率起主導(dǎo)作用。

根據(jù)Stokes理論，金屬蒸汽反作用力可表示為［7］：

圖3 復(fù)合焊接熔滴過(guò)渡受力示意圖

式中：Cd是與金屬蒸氣Reynold數(shù)有關(guān)的繞流阻力系數(shù)，取0.45；A為垂直于流動(dòng)方向上的熔滴投影面積；ρg為金屬蒸氣密度；υg為金屬蒸氣噴發(fā)速度。

電磁收縮力是熔滴內(nèi)電流受到所在磁場(chǎng)洛倫茲力的宏觀體現(xiàn)，可以通過(guò)熔滴內(nèi)電流大小等參數(shù)來(lái)表示，即［8］

式中，μ0為導(dǎo)磁系數(shù)（4π×10-7N·A-2），I為焊接電流。

從2.1節(jié)分析可知，金屬材料對(duì)Nd：YAG激光的吸收率高于CO2激光。因此在相同的激光功率條件下，YAG激光要比CO2激光產(chǎn)生的等離子體密度和壓強(qiáng)更低，有助于焊絲端部熔滴的形成和脫落，熔滴過(guò)渡頻率更高。同時(shí)，由于激光光致等離子體改變了電弧的形態(tài)和電弧陰極電子的發(fā)射方式，使得電磁收縮力Fem的大小和方向發(fā)生改變，其作用方向與軸線的延長(zhǎng)線成α角。隨著激光匙孔的下沉，F(xiàn)em豎直方向的分力Fem·cosα增大，促進(jìn)了熔滴過(guò)渡，提高了熔滴過(guò)渡頻率。

CO2激光和Nd：YAG激光輸出特性存在差異，采用CO2激光焊接時(shí)，激光加熱時(shí)間較長(zhǎng)，溫升慢，需要的激光的能量大，溫度梯度小。Nd∶YAG激光相對(duì)CO2激光溫升快，需要的激光能量小，溫度梯度大。因此當(dāng)CO2激光功率與YAG激光功率均以0.5 kW跨度遞增時(shí)，YAG激光匙孔溫升快，隨著熔融體的溫度增加，材料分子的活動(dòng)能力增大，導(dǎo)致激光小孔中金屬蒸汽噴發(fā)的速度υgYAG＞υgCO2，根據(jù)式（6）可推得，F(xiàn)RLYAG＞FRLCO2，即 YAG 激光匙孔內(nèi)噴出的高溫金屬蒸汽對(duì)熔滴的脫落有更強(qiáng)的阻礙。因此，激光功率增加相同的值時(shí)，YAG激光-MAG電弧復(fù)合焊接熔滴過(guò)渡頻率下降幅度更大。

2.3 不同波長(zhǎng)激光對(duì)熔滴過(guò)渡形式的影響

圖4為電弧電流為180 A、電壓為26 V時(shí)，不同激光功率條件下，YAG激光—MAG電弧復(fù)合焊從熔滴生成到熔滴落入熔池這一過(guò)程熔滴的過(guò)渡形式。圖5為相同電弧電流、電壓條件下 ，CO2激 光—MAG電弧復(fù)合焊接在不同激光功率條件下熔滴的過(guò)渡形式。從圖5中可以看出，當(dāng)激光功率由1.5 kW增加到2.5 kW時(shí)，熔滴的過(guò)渡形式為射滴過(guò)渡；激光功率由2.5 kW增加到3.5 kW時(shí)，熔滴過(guò)渡形式由射滴過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒過(guò)渡；從圖4中可以看到，當(dāng)激光功率由1.5 kW增加到3.5 kW時(shí)，熔滴過(guò)渡形式始終保持為射滴過(guò)渡。

圖4 不同激光功率下熔滴過(guò)渡圖像（Nd：YAG—MAG復(fù)合焊接）

圖5 不同激光率下熔滴過(guò)渡圖像（CO2—MAG復(fù)合焊接）

熔滴過(guò)渡形式主要取決于電弧形態(tài)，而能量、金屬蒸汽和電弧電位梯度的變化是導(dǎo)致電弧形態(tài)跳變的根本原因。對(duì)于CO2激光—MAG電弧復(fù)合焊接，從圖5中可以看出，當(dāng)激光功率低于2.5 kW時(shí)，激光能量的加入起到壓縮和穩(wěn)定電弧的作用，匙孔尚未形成，熔滴過(guò)渡形式為射滴過(guò)渡。隨著激光功率的增加，材料蒸發(fā)形成激光匙孔，在激光束的照射下匙孔壁體材料形成的高溫金屬蒸汽對(duì)熔滴的反沖力增強(qiáng)，反沖力延緩了熔滴形成、長(zhǎng)大的過(guò)程，因此熔滴直徑增大形成顆粒過(guò)渡。同時(shí)熔滴由于受到高溫金屬蒸汽反沖力的作用，向激光束方向漂移，電弧受到等離子體的吸引呈鐘罩狀（如圖5中P=2.5 kW）。和CO2激光—MAG電弧復(fù)合焊接相比，由于YAG激光與金屬材料的耦合效率高，熔滴因受到更強(qiáng)烈的光致等離子體熱輻射作用表面張力減小，從圖4照片可以看到熔滴過(guò)渡較為平穩(wěn)，基本為射滴過(guò)渡，極少出現(xiàn)顆粒過(guò)渡，沒(méi)有短路過(guò)渡。

3 結(jié)論

（1）Nd：YAG激光和CO2激光輸出特性存在差異，金屬表面對(duì)YAG激光的吸收率約為CO2激光的3倍多。

（2）熔滴過(guò)渡頻率的改變，實(shí)質(zhì)是激光能量加入后改變了熔滴的受力狀態(tài)。在焊接參數(shù)相同條件下，YAG激光—MAG電弧復(fù)合焊接熔滴過(guò)渡頻率更高，且兩種激光—電弧復(fù)合焊接的熔滴過(guò)渡頻率均隨著激光功率的增加而降低，但是增加等量的激光功率，YAG激光—MAG電弧復(fù)合焊接熔滴過(guò)渡頻率下降幅度更大。

（3）熔滴過(guò)渡形式主要取決于電弧形態(tài)，射滴過(guò)渡是鐘罩狀電弧形態(tài)，而激光功率的變化、電弧電位梯度的變化和匙孔產(chǎn)生的高溫蒸汽是引起電弧形態(tài)發(fā)生跳變的根本原因。CO2激光—MAG電弧復(fù)合焊接過(guò)程中，隨著激光功率的增加，熔滴的過(guò)渡形式由射滴過(guò)渡轉(zhuǎn)變?yōu)轭w粒過(guò)渡，在YAG激光—MAG電弧復(fù)合焊接過(guò)程中，熔滴過(guò)渡形式主要為射滴過(guò)渡。

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