激光-電弧復(fù)合焊等離子體特性與焊縫熔深相關(guān)性研究

陳實現(xiàn)， 劉雙宇， 張宏， 李彥清， 劉鳳德

(長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院, 吉林 長春 130022)

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激光-電弧復(fù)合焊等離子體特性與焊縫熔深相關(guān)性研究

陳實現(xiàn)， 劉雙宇， 張宏， 李彥清， 劉鳳德

(長春理工大學(xué) 機電工程學(xué)院, 吉林 長春 130022)

利用光譜儀、高速相機對激光- 電弧兩脈沖復(fù)合焊接過程的等離子體輻射光譜及電弧形態(tài)進行了采集。基于Boltzmann作圖法和Stark展寬法計算了等離子體電子溫度和電子密度，研究了不同激光脈沖作用時間和不同頻率脈沖電弧對電子溫度和電子密度的影響。結(jié)合等離子體發(fā)射光譜圖和高速圖像信息，分析了激光- 電弧兩脈沖復(fù)合焊等離子體物理特性。結(jié)果表明：隨著激光脈沖作用時間的增加，電弧收縮，亮度提高，電子溫度降低，電子密度升高，熔深值增大，光譜強度增加，焊縫中氮含量降低；隨著電弧脈沖頻率的增加，電弧體積變大，亮度提高，電子溫度和電子密度均下降，熔深值呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，焊縫區(qū)上部的電弧焊特征明顯增強。

機械制造工藝與設(shè)備； 高氮鋼； 激光- 電弧復(fù)合焊接； 電子溫度； 電子密度； 熔深

0 引言

激光- 電弧復(fù)合焊接是將激光束輻射熱源與電弧等離子體熱源有機復(fù)合而構(gòu)建的新型焊接模式，既結(jié)合了單獨激光焊接和單獨電弧焊接各自的優(yōu)點，又極大程度地避免了二者的缺點[1-3]。該方法具有焊接速度大，單位熱輸入量少和焊縫熔深深等優(yōu)點，是近幾年國內(nèi)外重點研究的焊接方法之一[4-5]。

激光- 電弧復(fù)合焊接的形式多樣，有著眾多的影響因素。劉雙宇等[6]研究了電弧能量、激光能量、光絲間距等參數(shù)對復(fù)合焊接等離子體形態(tài)、焊縫形貌的影響，結(jié)果表明，在復(fù)合焊過程中，由于激光的加入，降低了激光匙孔附近等離子體通道的電阻，提高了電弧陰極斑點的穩(wěn)定性。孫碩等[7]研究了高氮鋼激光- 電弧復(fù)合焊焊縫成形，運用響應(yīng)面法設(shè)計了試驗，采用逐步回歸的方法建立了多因素對熔深、熔寬和余高影響的多元非線性回歸方程，結(jié)果表明回歸模型預(yù)測結(jié)果與試驗結(jié)果相吻合。趙琳等[8]研究了CO2激光對1Cr22Mn16N高氮鋼焊接時，焊接熱輸入和保護氣體組成對焊縫氮含量、氣孔的影響，結(jié)果表明在相同激光焊接熱輸入條件下，隨著保護氣體中氮含量的增加，高氮鋼焊縫中的氮含量略有增加。LIU等[9]研究了激光作用前、后YAG激光- TIG復(fù)合焊的溫度場和電子密度，研究發(fā)現(xiàn)激光通過在工件表面形成匙孔來影響電弧等離子體，利用光譜分析技術(shù)對等離子體的溫度場進行研究，了解其內(nèi)部發(fā)生的各種復(fù)雜的質(zhì)量、能量傳輸過程等物理化學(xué)現(xiàn)象，對實際焊接過程有著重要的指導(dǎo)意義[10]。 Sibillano等[11-12]研究了連續(xù)CO2激光和脈沖Nd:YAG激光焊接過程中等離子體電子溫度與熔深的相關(guān)性，研究發(fā)現(xiàn)電子溫度隨著激光能量的增加而降低，熔深值隨著電子溫度的升高而降低。以上研究對不同情況下的焊縫形貌和成分、焊接電弧形態(tài)、等離子體特征進行了分析，但沒有針對激光- 電弧兩脈沖復(fù)合焊等離子體電子密度與熔深、等離子體發(fā)射光譜與元素含量相關(guān)性的研究。

本文以高氮鋼為研究對象，運用光譜分析儀和高速相機，對激光- 電弧兩脈沖復(fù)合焊接的電弧形態(tài)及等離子體輻射信息進行了同步采集。結(jié)合高速相機圖像及光譜信息，分別運用Boltzmann圖法和Stark展寬法計算了電子溫度和電子密度，分析了激光- 電弧兩脈沖復(fù)合焊等離子體的物理特性與焊縫熔深的相關(guān)性，探究了等離子體發(fā)射光譜與焊縫成分的相關(guān)性。

1 試驗方法和試驗方案

1.1 試驗方法

試驗采用的激光器是德國Trumpf公司產(chǎn)HL4006D Nd：YAG固體激光器，焊機是日本松下公司產(chǎn)YD-350Ag2HGE全功能數(shù)字型熔化極活性氣體保護電弧焊(MAG)/熔化極氬弧焊(MIG)焊機，Nd：YAG固體激光器搭載于KUKA機器人，待焊板材固定在數(shù)控工作臺，試驗裝置如圖1所示。采用平板堆焊，復(fù)合方式為旁軸復(fù)合，沿焊接方向電弧在前、激光在后，焊槍與工件夾角為60°. 復(fù)合裝置為自主設(shè)計裝置，是將德國Trumpf公司產(chǎn)7000210P激光焊接頭與MAG電弧焊槍進行復(fù)合。試驗選用尺寸為145 mm×28 mm×8 mm的高氮奧氏體不銹鋼，其化學(xué)成分為C 0.148%，Si 0.490%，Mn 16.000%， Cr 22.070%，Ni 0.470%，N 0.650%，P 0.029%，S 0.002%. 焊絲為H09Cr21Ni9MnMo，直徑為1.2 mm，焊接前用丙酮對待焊工件表面進行清洗。保護氣體為10% CO2+ 90% Ar，氣體流量為17 L/min. 激光峰值功率為2.5 kW，波長為1.06 μm，通過220 mm聚焦鏡聚焦，獲得的光斑直徑為0.6 mm，離焦量為-2 mm，激光脈沖作用時間td分別為10 ms、20 ms、30 ms. 電弧脈沖頻率P分別為：114 Hz、 117 Hz、 120 Hz、 133 Hz和137 Hz. 基值電弧電壓為22.4 V，焊接電流為160 A，熱源間距為3 mm，焊接速度為0.8 m/min.

圖1 試驗設(shè)備圖Fig.1 Experimental equipment

通過荷蘭Advantes公司產(chǎn)的光譜儀采集復(fù)合光譜信息，光譜儀通過8個通道進行10次采集，其分辨率為0.25 nm，可采集的光譜波段為200～1 100 nm，積分時間為300 ms，首次采集延時為1 s，時間間隔為0.01 s. 此外，試驗中采用德國Optronis公司產(chǎn)CMOS-CR5000×2高速相機同步拍攝，其頻率為4 000 幀/s.

采用TC-436氧氮測定儀對氮含量進行測量，TC-436氧氮測定儀為分析金屬氧氮的專用儀器。測定范圍(1 g樣品)：[O] 0.000 1%～0.100 0%，[N] 0.000 1%～0.500 0%；積分時間為20～60 s，稱樣范圍為0.010～5.000 g.

1.2 試驗方案

對于滿足局部熱力學(xué)平衡(LTE)的等離子體，采用Boltzmann圖法計算等離子體的電子溫度，其計算公式為

(1)

式中：C是與譜線種類無關(guān)的常數(shù)；Ii是波長為λi射線的相對強度；gi是帶有Ei高能級激發(fā)態(tài)的統(tǒng)計權(quán)重；Ai是譜線自發(fā)輻射的躍遷幾率[13]，k為玻爾茲曼常數(shù)。用一種原子或者離子的多條譜線，從文獻(xiàn)[13]中獲得相關(guān)參數(shù)，并對Ei-ln(Iiλi/giAi)進行擬合，得到直線的-(1/kTe)斜率，得到的Te就是電子溫度值[14-15]。

選用無明顯自吸收的Fe I譜線計算電子溫度，其范圍為510～565 nm，如圖2所示，并對譜線進行了標(biāo)定。選用譜線波長為516.748 nm、522.715 nm、532.804 nm和561.564 nm的Fe I 譜線，其相關(guān)參數(shù)見表1[13]。圖3是根據(jù)選定譜線得到的擬合結(jié)果，擬合的回歸系數(shù)R2=0.96.

圖2 510～565 nm范圍的電弧等離子體光譜Fig.2 Arc plasma spectra from 510 to 565 nm表1 用于Boltzmann計算的Fe I 發(fā)射線光學(xué)參數(shù)Tab.1 Spectrum parameters of Fe I emission line used for Boltzmann plot method

波長/nm躍遷幾率/107能級/eV統(tǒng)計權(quán)重5167480272388357522715028947955553280401153241075615642640553929

圖3 Boltzmann圖法擬合結(jié)果Fig.3 Fitting result of Boltzmann plot method

譜線的Stark展寬基本取決于等離子體的電子密度，且與等離子體是否滿足局部熱力學(xué)平衡無關(guān)，因此為等離子體的電子密度測定提供了很好的方法[16]。采用波長為696.543 nm的Ar I譜線，運用Stark展寬法計算等離子體電子密度，測量出譜線的半高全寬，從而計算出電子密度Δλs，其公式為

Δλs=(1±0.067)×0.082 97×(Ne/1023m-3),

(2)

式中：Ne為電子密度；m為電子質(zhì)量。

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 激光脈沖作用時間對電子溫度和電子密度的影響

等離子體的電子溫度表現(xiàn)為等離子體的帶電粒子的運動動能，圖4是激光脈沖作用時間對電子溫度的影響。如圖4所示，對于不同的電弧脈沖頻率，隨著激光脈沖作用時間的增加，電子溫度降低。這是由于激光脈沖作用時間的增加造成了電弧體積壓縮和金屬蒸氣電離的增加，大量電離的金屬離子在有限的空間內(nèi)碰撞，導(dǎo)致等離子體內(nèi)部電子碰撞幾率增加，使電子的運動速度減小，因此電子溫度隨著激光脈沖作用時間的增加而降低。

圖4 激光脈沖作用時間對電子溫度的影響Fig.4 Effect of laser pulse duration on electron temperature

圖5給出的是激光脈沖作用時間對電子密度的影響，從圖5中可以看出，對于不同的電弧脈沖頻率，隨著激光脈沖作用時間的增加，電子密度增加。這是由于原本高能量密度的激光在很短的脈沖作用時間內(nèi)就能使金屬蒸發(fā)，產(chǎn)生大量金屬蒸氣。試驗中隨著激光脈沖作用時間的增加，激光對金屬板材的熔化穿透作用更加顯著，使得熔池溫度升高，匙孔加深，從而大量金屬被蒸發(fā)，氛圍中的金屬蒸氣增多，并且大部分被激光作用電離，造成電子密度升高；與此同時，隨著脈沖作用時間的增加，電弧形態(tài)被壓縮變小，體積變小，這是造成電子密度變大的另一原因。

圖5 激光脈沖作用時間對電子密度的影響Fig.5 Effect of laser pulse duration on electron density

為了研究不同激光脈沖作用時間對復(fù)合焊接中等離子體特征的影響，試驗中用高速相機記錄了不同激光脈沖作用時間的等離子體電弧形態(tài)的變化情況，如圖6所示。隨著激光脈沖作用時間的增加，電弧內(nèi)部的光亮面積增加，電弧體積減小。隨著激光脈沖作用時間的增加，高能量密度的激光作用使得大量金屬元素從匙孔逸出，在激光匙孔和焊絲端部形成光亮通道的面積逐步增加。同時，激光對電弧的壓縮作用更加明顯，因此電弧的收縮以及金屬粒子密度的增加共同造成了電子密度的升高。

圖6 激光脈沖作用時間對電弧形態(tài)的影響Fig.6 Effect of laser pulse duration on arc shape

2.2 電弧脈沖頻率對電子溫度和電子密度的影響

圖7是電弧脈沖頻率對電子溫度的影響，從圖7中可知，對于不同的激光脈沖作用時間，電子溫度隨著電弧脈沖頻率的增加逐漸降低。這是因為隨著電弧脈沖頻率的增加，焊接熱輸入量就隨之變大，母材的蒸發(fā)和電離作用更加顯著。焊接電弧區(qū)等離子體的金屬粒子數(shù)量迅速提高，因此氛圍中的粒子碰撞幾率增加，高能量的電子通過碰撞作用將自身能量傳遞給金屬原子，帶電粒子的運動動能下降，造成等離子體電子溫度的降低。

圖7 電弧脈沖頻率對電子溫度的影響Fig.7 Effect of arc pulse frequency on electron temperature

圖8是電弧脈沖頻率對電子密度的影響，從圖8中可知，對于不同的激光脈沖作用時間，隨著電弧脈沖頻率的增加，等離子體電子密度逐漸降低。這是因為隨著電弧脈沖頻率的增加，增大了焊接熱輸入量，同時加快了母材蒸發(fā)和電離作用，電弧體積會隨著電弧脈沖頻率的增加而變大。如圖9所示，是激光脈沖作用時間為20 ms時電弧脈沖頻率變化對電弧體積的影響，可以看到電弧體積隨著電弧脈沖頻率的增加逐漸膨脹。因此，電弧脈沖頻率的增加雖然加快了母材的蒸發(fā)和電離作用，但是電弧體積的膨脹造成的電子密度降低占主導(dǎo)作用。

圖8 電弧脈沖頻率對電子密度的影響Fig.8 Effect of arc pulse frequency on electron density

圖9 電弧脈沖頻率對電弧形態(tài)的影響Fig.9 Effect of arc pulse frequency on arc shape

2.3 等離子體電子溫度和電子密度與焊縫尺寸的相關(guān)性

圖10和圖11是激光脈沖作用時間為30 ms時，隨著電弧脈沖頻率的增加，等離子體電子溫度和電子密度與熔深的相關(guān)性。從圖10和圖11中可以看出，隨著電弧脈沖頻率的增加，電子溫度和電子密度降低，熔深呈現(xiàn)逐漸降低趨勢。這主要是由于電弧脈沖頻率的增加，使得金屬母材的蒸發(fā)和電離作用增強，彌漫在氛圍中的粒子碰撞，造成電子溫度降低；電弧脈沖頻率的增加也造成了電弧體積增大，使得激光能量被電弧吸收，降低了激光對材料的穿透能力，從而造成熔深值降低。電弧脈沖頻率的增加，加大了電弧對熔池的沖擊力，使得焊縫區(qū)上部的電弧作用區(qū)寬度變寬更加明顯，如圖12所示。

圖10 電弧脈沖頻率與電子溫度和熔深的關(guān)系Fig.10 Relationship between arc pulse frequency with electron temperature and weld penetration

圖11 電弧脈沖頻率與電子密度和熔深的關(guān)系Fig.11 Relationship between arc pulse frequency with electron density and penetration

圖12 不同電弧脈沖頻率的焊縫截面形貌Fig.12 Transversal cross section of different arc pulse frequency

圖13和圖14是電弧脈沖頻率為120 Hz時，隨著激光脈沖作用時間的增加，等離子體電子溫度和電子密度與熔深的相關(guān)性。從圖13和圖14中可以看出，隨著激光脈沖作用時間的增加，電子溫度降低，電子密度升高，熔深值增加。出現(xiàn)這一現(xiàn)象的原因是，激光脈沖作用時間的增加，增強了激光對金屬板材的熔化穿透能力，高能量密度的激光作用使得大量金屬元素從匙孔逸出，增加了金屬粒子的電離作用，使得各粒子之間的碰撞作用更加顯著，導(dǎo)致電子溫度降低，而激光作用時間增加使電弧被壓縮，導(dǎo)致電子密度上升。圖15給出了不同激光作用時間的焊縫截面形貌。從圖15中可以看出，隨著激光作用時間增加熔深和熔寬變化較大，激光作用時間增加，焊縫熔寬減小、余高增加。

圖13 激光脈沖作用時間與電子溫度和熔深的關(guān)系Fig.13 Relationship betweeen laser pulse duration with electron temperature and weld penetration

圖14 激光脈沖作用時間與電子密度和熔深的關(guān)系Fig.14 Relationship between laser pulse duration with electron density and weld penetration

圖15 不同激光脈沖作用時間的焊縫截面形貌Fig.15 Transversal cross section of weld at different laser pulse duration

2.4 等離子體發(fā)射光譜與焊縫成分的相關(guān)性

高氮鋼是利用N元素部分或全部替代合金元素Ni以獲得良好的強韌性和耐蝕性。在高氮鋼的熔焊過程中，焊縫區(qū)會形成氮氣孔，而且氮會以氮化物的和碳氮化物的形式析出，從而造成氮的損失，近而影響焊縫區(qū)的力學(xué)性能。因此，研究焊縫氮含量對于評價焊縫性能具有重要意義。焊接過程中等離子體發(fā)射光譜中包含著各種元素的信息，所以采用等離子體光譜圖信息可以間接評價焊縫氮含量。

圖16 激光脈沖作用時間對光譜的影響Fig.16 Effect of laser pulse duration on spectrum

圖16給出電弧脈沖頻率為120 Hz時，激光脈沖作用時間對等離子體光譜強度的影響。從圖16中可以看出，隨著激光脈沖作用時間的增加，各波段輻射量都增加，尤其在波長520 nm附近，光譜強度顯著增強。隨著激光脈沖作用時間的增加，N元素的輻射躍遷增加，在10 ms時有N I、N II，20 ms時有N II、N III，30 ms時出現(xiàn)了N IV. 這是由于原本高能量密度的激光在很短的脈沖作用時間內(nèi)就能使金屬板材蒸發(fā)，產(chǎn)生大量蒸氣。隨著激光脈沖作用時間的增加，激光對金屬板材的熔化穿透作用更加顯著，熔池溫度升高，匙孔加深，增加了母材的蒸發(fā)、電離作用，氮元素獲得能量，從焊縫中逸出。因此，隨著激光脈沖作用時間的增加，光譜強度增加，N元素輻射量增加。

表2給出了焊接后的焊縫氮含量的測量結(jié)果與等離子體光譜圖中N I和N II峰的強度。從表2中可以看出，隨著激光脈沖作用時間的增加，等離子體光譜中N I和 N II的強度明顯增加，而焊縫中的氮含量明顯減少，且遠(yuǎn)低于母材的氮含量。由此可知為了保證焊縫性能，應(yīng)該盡量控制熱輸入，以增加焊縫中固溶的氮，同時減少焊縫形成氮氣孔的傾向。

表2 焊縫中氮含量及N的光譜強度Tab.2 Nitrogen content in weld and spectral intensity of N

3 結(jié)論

1)激光- 電弧兩脈沖復(fù)合焊接中，隨著激光脈沖作用時間的增加，電弧形態(tài)收縮，體積明顯減小，電弧的亮度提高；對于電弧脈沖頻率的增加，電弧體積變大，亮度提高。

2)對于不同激光脈沖作用時間，電子溫度隨著激光脈沖作用時間的增加而降低，電子密度則隨著激光脈沖作用時間的增加而升高；對于不同電弧脈沖頻率，電子溫度隨著電弧脈沖頻率的增加降低，電子密度隨著電弧脈沖頻率的增加降低。

3)隨著激光脈沖作用時間增加，導(dǎo)致電子溫度降低，電子密度增加，熔深值增加，熔寬減??；隨著電弧脈沖頻率增加，導(dǎo)致電子溫度降低，電子密度降低，熔深值呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢，焊縫區(qū)上部的電弧焊特征明顯。

4)隨著激光脈沖作用時間的增加，等離子體發(fā)射光譜強度增加，N元素輻射量增加，焊縫中的N元素含量降低。

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Study on Correlation between Plasma Property and Weld Penetrationin Laser-arc Hybrid Welding

CHEN Shi-xian， LIU Shuang-yu， ZHANG Hong， LI Yan-qing， LIU Feng-de

(College of Mechanical and Electric Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, Jilin, China)

The plasma radiation spectrum and the shape of arc are collected by using the spectrometer and the high speed camera in the process of two-pulse laser-arc hybrid welding. The plasma electron temperature and electron density are calculated based on Boltzmann plotting method and Stark broadening method, and the electron temperature and electron density at different pulse durations and different frequencies of pulse arc are investigated. Based on the spectral analysis and the high speed image, the plasma physical properties of laser-arc two-pulse hybrid welding are studied. The results show that the arc shrinks and the brightness increases with the increase in laser pulse duration, the electron temperature decreases and the electron density increases with the increase in laser pulse duration, the penetration depth increases, the intensity of spectrum increases and the nitrogen content in the weld decreases; the arc volume becomes larger than before, the brightness increases with the increase in pulse arc frequency, the electron temperature decreases, the electron density decreases, the penetration depth decreases, and the characteristics of the arc welding at the upper part of the weld zone are obviously enhanced.

manufaturing technology and equipment; high nitrogen steel； laser-arc hybrid welding； electron temperature； electron density； penetration depth

2016-09-14

國家自然科學(xué)基金項目(51305044)

陳實現(xiàn)(1991—)，男，碩士研究生。E-mail：609259238@qq.com

劉雙宇(1978—)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師。E-mail：liushuangyu@cust.edu.cn

TG456.7

A

1000-1093(2017)05-0978-08

10.3969/j.issn.1000-1093.2017.05.018