純鈦TA2薄板電弧輔助激光焊高速焊接過(guò)程的電弧和熔池特征行為研究

周洋 孔諒 王敏 李芳 華學(xué)明

摘要：針對(duì)0.5 mm純鈦TA2薄板的電弧輔助激光焊高速焊接，研究了熱源間距和熱源相對(duì)位置對(duì)激光電弧耦合、熔池形態(tài)的影響，利用高速攝影對(duì)電弧形態(tài)和熔池形狀進(jìn)行分析，探索不同熱源間距和熱源相對(duì)位置對(duì)薄板高速焊接過(guò)程穩(wěn)定性的影響規(guī)律。結(jié)果表明，兩種熱源相對(duì)位置（Laser Leading，LL和Arc leading，AL）模式下，隨著熱源間距的減小，TIG電弧面積均會(huì)有所增加;在AL狀態(tài)下，電弧起預(yù)熱作用，LL狀態(tài)下，當(dāng)熱源間距減小到6 mm時(shí)，激光和TIG電弧共同作用形成共熔池現(xiàn)象;LL狀態(tài)下的TIG電弧面積標(biāo)準(zhǔn)差更小，LL狀態(tài)的焊接過(guò)程穩(wěn)定性優(yōu)于AL狀態(tài)。

關(guān)鍵詞：電弧輔助激光焊;熱源間距;熱源相對(duì)位置;電弧形態(tài) ;熔池形貌

中圖分類號(hào)：TG456.7 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0024-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.04

0 前言

激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)將激光和電弧兩種熱源相結(jié)合，獲得較大的焊接熔深以及實(shí)現(xiàn)高效、高質(zhì)量的焊接過(guò)程[1-2]。近年來(lái)國(guó)內(nèi)外一些學(xué)者對(duì)激光-TIG復(fù)合焊焊接鈦、鎂及其合金的行為進(jìn)行了研究。馬然等人研究了1 mm TC4鈦合金在焊接速度為3 m/min條件下的激光功率、電弧電流、熱源間距等對(duì)焊縫成形的影響[3]。L.M. Liu等人研究了TIG電弧在前和激光在前兩種復(fù)合焊焊接模式下，3 mm鎂合金在焊接速度800 mm/min時(shí)的熱源間距對(duì)熔深和熔化效率的影響[4]，結(jié)果表明，在TIG-激光（Arc leading，AL）焊接模式下，隨著熱源間距的增加，熔深先增大后減小，而在激光-TIG（Laser Leading，LL）焊接模式下，熔深隨熱源間距增加單調(diào)減小。劉黎明等針對(duì)1 mm TC4鈦合金薄板光纖激光-TIG電弧復(fù)合焊，研究了在LL模式、焊接速度5.4 m/min情況下熱源能量匹配、熱源間角度以及對(duì)接間隙對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律[5]，結(jié)果發(fā)現(xiàn)激光能量與電弧能量之間的相互匹配顯著影響焊縫表面成形。史吉鵬等[6]采用高速攝影的方法研究了低功率激光-電弧焊接2 mm TC4鈦合金在焊接速度為2.07 m/min時(shí)耦合熱源等離子體流動(dòng)狀態(tài)及作用空間特性，闡明了能量匹配度對(duì)激光-電弧復(fù)合焊中的熔池及焊接過(guò)程穩(wěn)定性的影響。

電弧輔助激光焊接以激光為主要熱源，TIG電弧為輔助熱源，在薄板的高速焊接中具有顯著優(yōu)勢(shì)[7]。目前，國(guó)內(nèi)外很少有學(xué)者對(duì)電弧輔助激光焊在薄板高速焊接過(guò)程中的熱源位置參數(shù)（熱源間距，熱源相對(duì)位置）對(duì)激光電弧耦合作用的強(qiáng)弱進(jìn)行研究，這在一定程度上限制了該方法的工程應(yīng)用。文中針對(duì)0.5 mm純鈦TA2薄板，結(jié)合高速攝影，探究電弧輔助激光焊在高速焊接中的熱源間距及熱源相對(duì)位置（Laser Leading，LL和Arc leading，AL）對(duì)激光-電弧耦合、熔池形狀的作用機(jī)制，獲得不同熱源間距和熱源相對(duì)位置對(duì)薄板高速焊接過(guò)程穩(wěn)定性的影響規(guī)律。

1 試驗(yàn)材料和方法

試驗(yàn)材料為規(guī)格0.5 mm×60 mm×400 mm工業(yè)純鈦TA2薄板，其化學(xué)成分如表1所示。焊前需清理鈦板表面氧化膜，并用丙酮擦洗。

電弧輔助激光焊示意如圖1所示。試驗(yàn)用激光器為RFL-C2200多模光纖激光器，TIG焊接電源為MPT-500D高頻脈沖焊機(jī)，進(jìn)行0.5 mm鈦板的電弧輔助激光焊平板堆焊，采用Phantom VEO 710S高速攝相機(jī)拍攝電弧形態(tài)和熔池形貌（曝光時(shí)間0.05 ms），采用高速攝影獲得TIG電弧圖像和熔池區(qū)域的圖像。為了獲得大小一致的照片尺寸，采用固定拍攝角度30°（如圖2所示），保證每張圖片長(zhǎng)寬一致。采用Photoshop軟件對(duì)電弧圖像進(jìn)行二值化處理，得到不同熱源間距下TIG電弧的像素點(diǎn)面積，測(cè)量熔池長(zhǎng)度L和熔池寬度W的相對(duì)值。

經(jīng)過(guò)前期實(shí)驗(yàn)探索，得到0.5 mm工業(yè)純鈦TA2全熔透且無(wú)背面飛濺的電弧輔助激光焊高速焊接工藝參數(shù)。文中選取激光功率為1 500 W、焊接速度為5.4 m/min、焊接電流50 A、離焦量+25 mm的焊接參數(shù)，采用相同的傾斜角度β=45°，激光焊傾斜α=5°，探討電弧輔助激光焊高速焊接過(guò)程中兩種熱源相對(duì)位置（Laser Leading，LL和Arc leading，AL）以及熱源間距D的變化對(duì)電弧-激光耦合特征及熔池動(dòng)態(tài)變化的影響，具體焊接參數(shù)如表2所示。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱源位置和間距變化對(duì)電弧耦合的影響

在5.4 m/min高速焊接時(shí)得到的TIG電弧形態(tài)如圖3所示，AL狀態(tài)下的不同熱源間距的電弧形態(tài)如圖4所示，LL狀態(tài)下不同熱源間距下的電弧形態(tài)如圖5所示。

已有研究表明，采用激光-電弧耦合熱源進(jìn)行鈦合金結(jié)構(gòu)件高速焊接時(shí)，當(dāng)熱源間距D為2 mm時(shí)，激光對(duì)電弧等離子體的空間作用（耦合、壓縮）效果最明顯[6]。但文中受限于TIG焊槍氣體護(hù)套直徑的影響，試驗(yàn)采用的熱源間距D最小僅為4 mm，且激光焦點(diǎn)和電弧中心并未作用到一起。因此，在本試驗(yàn)條件下，無(wú)論AL狀態(tài)還是LL狀態(tài)，激光對(duì)電弧均無(wú)明顯的壓縮現(xiàn)象。

為了更好地比較不同熱源模式下激光-電弧耦合的區(qū)別，將純TIG、AL狀態(tài)下和LL狀態(tài)下的電弧圖像進(jìn)行二值化處理，如圖6所示;并對(duì)二值化后的電弧圖像進(jìn)行像素點(diǎn)面積計(jì)算，得到各熱源位置和間距變化對(duì)電弧面積的影響，如圖7所示。

由圖7可知，AL狀態(tài)下和LL狀態(tài)下的電弧面積均大于純TIG狀態(tài)，且隨著熱源間距由10 mm減小至4 mm，電弧面積逐漸增加。但相比于LL狀態(tài)，AL狀態(tài)下電弧面積增加得更多。

出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因是：純TIG電弧存在粘滯性，在高焊接速度下工件陽(yáng)極斑點(diǎn)滯后導(dǎo)致電弧軸線偏離鎢極軸線（見圖3）;但在電弧輔助激光時(shí)，激光的加入導(dǎo)致不同熱源位置隨熱源間距變化出現(xiàn)不同特征。AL狀態(tài)時(shí)，激光形成的離子體面積更大，且含有更多的電子和正離子，為電弧提供了導(dǎo)電通道，電弧偏離更大，造成電弧面積增大;相反，LL狀態(tài)時(shí)，由于激光首先加熱工件表面，隨后的TIG電弧作用的工件表面溫度較高，已形成陽(yáng)極斑點(diǎn)，TIG電弧會(huì)優(yōu)先通過(guò)激光等離子體形成的通道[7]，導(dǎo)致TIG電弧的偏離程度變小，使得電弧面積變化相對(duì)小于AL狀態(tài)。

結(jié)合激光-電弧復(fù)接特性分析和穩(wěn)定性研究[8-9]，對(duì)比分析不同熱源模式和熱源間距的電弧面積標(biāo)準(zhǔn)差，如圖8所示。在AL模式下，當(dāng)熱源間距由4 mm增加至6 mm時(shí)，電弧面積標(biāo)準(zhǔn)差呈下降趨勢(shì)，當(dāng)熱源間距由6 mm增加至10 mm時(shí)，呈上升趨勢(shì)，熱源間距6 mm時(shí)的電弧面積變化最小;在LL模式下，熱源間距4 mm時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)差最小，且隨熱源間距的增加而逐步增大。整體而言，LL模式的電弧面積標(biāo)準(zhǔn)差均小于AL模式，可見LL模式焊接過(guò)程的穩(wěn)定性優(yōu)于AL模式。

2.2 不同熱源位置和間距下的熔池行為

AL狀態(tài)下不同熱源間距下熔池形貌如圖9所示。可以看出，AL狀態(tài)下TIG電弧并未熔化鈦板，更多是起到一個(gè)預(yù)熱鈦板以提高激光吸收率的作用，由激光加熱形成熔池。此時(shí)激光和電弧對(duì)熔池形成相互作用，隨著熱源間距從10 mm減小至4 mm，熔池寬度和長(zhǎng)度都有了一定的增加。AL狀態(tài)下不同熱源間距下的熔池長(zhǎng)度和寬度的變化如圖10所示。由圖10可知，AL狀態(tài)下，隨著熱源間距的減小，熔池長(zhǎng)度顯著增加，而熔池寬度增加有限。

LL狀態(tài)下的不同熱源間距下熔池形貌如圖11所示?？梢钥闯觯琇L狀態(tài)下，激光熔化鈦板并形成熔池，TIG電弧對(duì)激光形成的熔池起到修復(fù)作用。當(dāng)熱源間距減小到6 mm時(shí)，激光形成的熔池和TIG電弧形成的熔池連在一起，形成共熔池現(xiàn)象。LL狀態(tài)下不同熱源間距下的熔池長(zhǎng)度和寬度的變化如圖12所示。可以看出，隨著熱源間距的減小，熔池寬度增加很少，熔池長(zhǎng)度卻顯著增加，尤其是熱源間距由8 mm減小為6 mm時(shí)，此時(shí)由于形成共熔池現(xiàn)象，熔池長(zhǎng)度激增。

由圖10和圖12 還可知，相比于AL狀態(tài)下，LL狀態(tài)時(shí)由于后置的輔助熱源TIG電弧對(duì)熔池的擾動(dòng)作用，提高了熔池的流動(dòng)性，使得熔池長(zhǎng)度更大，液態(tài)金屬能夠更好地向焊縫兩邊鋪展，其熔寬增加。在LL狀態(tài)和AL狀態(tài)下的焊縫宏觀金相如圖13所示，在LL狀態(tài)下焊縫的正面熔寬平均值為10.83 mm，而在AL狀態(tài)下焊縫的正面熔寬平均值為9.25 mm。

3 結(jié)論

（1）不管是AL還是LL狀態(tài)下，隨著熱源間距由10 mm減小至4 mm，電弧面積均會(huì)逐漸增加。但相比于LL狀態(tài)，AL狀態(tài)電弧面積增加得更多;LL狀態(tài)下的TIG電弧面積標(biāo)準(zhǔn)差更小，說(shuō)明LL狀態(tài)下的焊接過(guò)程更加穩(wěn)定。

（2）相較于AL狀態(tài)，LL狀態(tài)下熱源間距逐漸減小時(shí)，TIG電弧的面積增加減緩;從熔池角度看，TIG電弧對(duì)激光形成的熔池起到修復(fù)作用，當(dāng)熱源間距減小到6 mm時(shí)，激光形成的熔池和TIG電弧形成的熔池連在一起，形成了共熔池現(xiàn)象。

（3）LL狀態(tài)下，由于后置輔助熱源TIG電弧的擾動(dòng)增強(qiáng)了熔池流動(dòng)性，熔池長(zhǎng)度更大，使液態(tài)金屬能夠更好地向焊縫兩邊鋪展，其熔寬也更大。

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