電弧弧長對激光-電弧復(fù)合焊飛濺和底部駝峰的影響

鄒德敏， 齊錦剛， 趙琳， 曹洋， 彭云， 田志凌， 朱彥潔

(1.鋼鐵研究總院，先進(jìn)鋼鐵流程及材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081；2.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001)

0 前言

近年來，隨著高功率光纖激光器的不斷發(fā)展，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在中厚板焊接領(lǐng)域的研究有了進(jìn)一步進(jìn)展[1-2]。然而，通過研究發(fā)現(xiàn)，激光-電弧復(fù)合焊接頭存在氣孔、咬邊、飛濺及底部駝峰等缺陷。其中，飛濺和底部駝峰的抑制一直是焊接缺陷研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。這2類缺陷不僅大幅度的降低了構(gòu)件的質(zhì)量可靠性，而且對生產(chǎn)效率造成較大影響[3-4]。因此，進(jìn)一步深入研究激光-電弧復(fù)合焊飛濺和底部駝峰缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，并探索相應(yīng)的抑制方法具有重要的工程意義。

目前，關(guān)于激光-電弧復(fù)合焊飛濺的產(chǎn)生機(jī)理和抑制手段已經(jīng)有一定的研究。高明等學(xué)者[5]認(rèn)為從匙孔內(nèi)噴射出的大量金屬蒸氣促使焊絲端部的金屬粘附在焊絲端部，阻礙熔滴的過渡，易誘發(fā)成形不良和飛濺缺陷。Zhang等學(xué)者[6]研究了活性劑對焊接過程穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)中利用高速攝像機(jī)、實(shí)時電信號采集卡等設(shè)備對焊接電弧形態(tài)、熔池動態(tài)行為和電信號波形進(jìn)行在線監(jiān)測。結(jié)果表明，SiO2，CaO和B2O3顯著惡化了焊接穩(wěn)定性，因?yàn)榇祟愌趸飼?dǎo)致熔滴過渡模式從噴射過渡變?yōu)槎搪坊虼笄驙钆懦膺^渡。TiO2，ZnO和Fe2O3在焊接過程中發(fā)生分解和蒸發(fā)，產(chǎn)生的氧氣引起電弧收縮，進(jìn)而提高焊接穩(wěn)定性，降低飛濺產(chǎn)生。Pan等學(xué)者[7]和Zhang等學(xué)者[8]比較了保護(hù)氣體成分對焊接缺陷的影響。結(jié)果表明，隨著保護(hù)氣體中CO2含量的增加，焊接過程的穩(wěn)定性降低，轉(zhuǎn)移模式轉(zhuǎn)變?yōu)榕懦廪D(zhuǎn)移，導(dǎo)致產(chǎn)生較多飛濺。提出通過優(yōu)化保護(hù)氣體成分來控制過渡模式，進(jìn)而減少飛濺。Atabaki等學(xué)者[9]針對12.5 mm厚的高強(qiáng)鋼進(jìn)行了激光-電弧復(fù)合焊，并對坡口夾角和根部開口尺寸進(jìn)行了調(diào)整，發(fā)現(xiàn)雙Y槽可以為電弧和激光的穩(wěn)定性提供最佳條件，焊接飛濺程度大幅降低。

考慮到激光-電弧復(fù)合焊接方法的焊接效率及服役條件，在實(shí)際生產(chǎn)中往往需要使用單面焊雙面成形工藝，即在背部無襯板的前提下，一次性將試板熔透。然而，該情況下熔池具有很高的不穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生底部駝峰缺陷。Ilar等學(xué)者[10]和Haug等學(xué)者[11]先后采用高速攝像技術(shù)對駝峰的產(chǎn)生過程進(jìn)行了初步觀察，指出焊縫底部駝峰和高速焊接時焊縫上表面駝峰焊道的形成有著本質(zhì)的區(qū)別。國內(nèi)外研究者對底部駝峰的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。有學(xué)者認(rèn)為液態(tài)金屬流動的不連續(xù)，熔池下表面的液態(tài)金屬堆積是產(chǎn)生底部駝峰的主要原因[12-13]。也有學(xué)者認(rèn)為底部駝峰的產(chǎn)生與底部熔池受力狀態(tài)及激光深熔的小孔行為有關(guān)[14]?；谝陨显?，國內(nèi)外對于激光-電弧復(fù)合焊底部駝峰的抑制手段也有了一定研究。周聰?shù)葘W(xué)者[15]及丁心同等學(xué)者[16]的研究結(jié)果表明，通過調(diào)整激光功率、焊接速度、離焦量和保護(hù)氣體流量可以有效減小底部駝峰傾向。Shen等學(xué)者[17]指出加電磁場可以降低底部駝峰的產(chǎn)生傾向。唐國[18]建立了激光-電弧復(fù)合焊熔池流動模型，通過采用高速攝像和PIV lab工具結(jié)合的方式，研究了焊接熱源先后順序?qū)Φ撞狂劮瀹a(chǎn)生的影響，結(jié)果表明電弧前置模式能夠抑制焊縫底部駝峰的產(chǎn)生。Bachmann等學(xué)者[19]在研究高功率激光焊接厚板奧氏體不銹鋼時，指出外加電磁場可以降低底部駝峰的產(chǎn)生傾向。此種方案通過增加根部熔池的表面張力使其不易產(chǎn)生駝峰，但電磁場設(shè)備搭建結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易大規(guī)模應(yīng)用。

目前，激光-電弧復(fù)合焊飛濺和底部駝峰的抑制手段較多。然而，有關(guān)調(diào)節(jié)電弧弧長抑制飛濺和底部駝峰的研究較少。在激光-電弧復(fù)合焊的眾多工藝參數(shù)中，電弧弧長是一個極易被忽視的工藝參數(shù)，電弧弧長對激光與電弧相互作用有著重要的影響。通過對激光-電弧復(fù)合焊中的電弧弧長參數(shù)進(jìn)行深入研究，有望進(jìn)一步提高焊接過程穩(wěn)定性，改善激光-電弧復(fù)合焊接頭質(zhì)量。此外，在激光電弧復(fù)合焊底部駝峰形成機(jī)理方面，目前觀點(diǎn)尚不統(tǒng)一，還需進(jìn)一步深入研究。為此，針對厚度為6 mm的590 MPa級船用低合金高強(qiáng)鋼，開展了光纖激光-電弧復(fù)合焊工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)研究了不同電弧弧長對激光-電弧焊接飛濺和底部駝峰的影響，并對飛濺和底部駝峰的形成機(jī)理及抑制方法進(jìn)行了分析和探討，旨在進(jìn)一步探索激光-電弧復(fù)合焊缺陷的抑制手段，提高激光-電弧復(fù)合焊工藝的研究深度，為其工業(yè)應(yīng)用提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)采用的母材為590 MPa級船用低合金高強(qiáng)鋼板，厚度為6 mm。焊絲采用鋼鐵研究總院自研的新型實(shí)心氣體保護(hù)焊絲，直徑為1.2 mm。

試驗(yàn)采用的焊接設(shè)備主要包括IPG YLS-6000光纖激光器、CLOOS Champ 450焊機(jī)、PRECITEC YW52激光焊接頭及KUKA KR60機(jī)械臂等。焊接裝置如圖1所示。采用激光引導(dǎo)電弧的焊接方式，激光垂直工件入射，熱源夾角為50°。激光波長為1 070 nm，離焦量為0 mm，最小光斑直徑為0.4 mm。采用流量為20 L/min的高純Ar作為焊接保護(hù)氣體。焊接工藝參數(shù)見表1。此外，試驗(yàn)中還使用NAC HX-5E高速攝像機(jī)對熔池的動態(tài)行為進(jìn)行實(shí)時采集，采樣頻率為5 000幅/秒。

圖1 激光-MIG復(fù)合焊裝置示意圖

表1 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電弧弧長對飛濺的影響

圖2為不同電弧弧長條件下激光-電弧復(fù)合焊接頭的表面形貌?；￠L修正系數(shù)為0%時，表示未調(diào)節(jié)弧長；弧長修正系數(shù)為+20%時，表示增加弧長；弧長修正系數(shù)為-20%時，表示縮短弧長。通過觀察發(fā)現(xiàn)，弧長修正系數(shù)為+20%時，飛濺情況較為嚴(yán)重，試板表面存在較多大尺寸的顆粒狀飛濺?；￠L修正系數(shù)為0%時，試板表面飛濺的尺寸減小，但飛濺顆粒的數(shù)量增加?；￠L修正系數(shù)為-20%時，試板表面十分整潔，無明顯飛濺產(chǎn)生。

圖2 焊接試板表面情況

使用Image pro軟件對飛濺的尺寸和數(shù)量進(jìn)行定量統(tǒng)計，并利用單位面積試板上飛濺所占的面積分?jǐn)?shù)來表征飛濺的程度。隨著弧長修正系數(shù)減小，弧長縮短，飛濺的產(chǎn)生傾向逐漸降低，如圖3所示。弧長修正系數(shù)為+20%時，弧長較長，電弧挺直性和能量集中性很差，激光的加入對電弧造成干擾，易產(chǎn)生飛濺?；￠L修正系數(shù)為0%時，弧長縮短，電弧挺直性和能量集中性提高，激光和電弧間的干擾作用減小，焊接穩(wěn)定性提高，飛濺減少?；￠L修正系數(shù)為-20%時，弧長再次縮短，此時電弧具有很強(qiáng)的方向性，激光對其影響較小，焊接穩(wěn)定性較高，幾乎不產(chǎn)生飛濺。此外，弧長還影響焊縫上表面成形，當(dāng)弧長修正系數(shù)為+20%和0%時，焊縫表面存在高低不平和咬邊現(xiàn)象，表明焊接過程中存在很高的不穩(wěn)定性，熔池擾動強(qiáng)烈。

圖3 不同電弧弧長對激光-電弧復(fù)合焊飛濺的影響

為了深入研究焊接飛濺的產(chǎn)生機(jī)理，利用高速攝像設(shè)備對飛濺的產(chǎn)生及運(yùn)動過程進(jìn)行了采集，如圖4所示。為了便于分析，將采集到的圖片進(jìn)行了水平對稱處理，即圖中的焊接方向?yàn)閺淖笙蛴?，焊接方式保持激光引?dǎo)電弧不變。圖4a為Lc=+20%時的飛濺產(chǎn)生過程圖像。當(dāng)t=0 ms時，焊絲尖端產(chǎn)生的熔滴流未及時過渡，長時間存留于焊絲尖端，熔滴流發(fā)生前后晃動具有很高的不穩(wěn)定性；當(dāng)t=0.6 ms時，熔滴流被甩出；在t=1.2～3.6 ms時，由于熔滴落下行程過長，熔滴無法落入熔池，而是沿焊接方向朝熔池前方運(yùn)動，使得試板表面呈現(xiàn)出大尺寸的飛濺顆粒。由于采用的是激光前置的焊接方式時，受到向前焊接速度的影響，激光與工件作用而產(chǎn)生的金屬蒸氣向后相對運(yùn)動，對后置電弧的熔滴過渡產(chǎn)生一個向上的推力，阻礙其過渡，這是熔滴流長時間在焊絲尖端存留的原因。由圖4b可見，Lc=0%時，金屬蒸氣對熔滴的作用力減小，熔滴過渡流暢，被甩出的概率較小，因此不存在大尺寸飛濺。當(dāng)t=0～0.8 ms時，焊絲尖端逐漸形成熔滴。當(dāng)t=1.8 ms時，熔滴還未與焊絲尖端完全分離就已與熔池接觸，發(fā)生短路。此時熔滴剛進(jìn)入熔池時，熔滴能量高度聚集，使得冶金反應(yīng)生成的一氧化碳類氣體瞬間得到釋放，熔滴表面破碎發(fā)生爆炸，形成顆粒細(xì)小的氣體逸出型飛濺。在此之后熔滴與熔池融為一體，當(dāng)熔滴過渡即將結(jié)束時，產(chǎn)生較細(xì)的液橋，大電流的通過使液橋金屬迅速被加熱；當(dāng)t=2.4 ms時，過大的電流和電磁力使細(xì)小液橋發(fā)生爆斷，再次產(chǎn)生大量細(xì)小的液滴飛濺。此為Lc=0%時小尺寸飛濺較多的原因。由圖4c可見，Lc=-20%時，熔滴過渡順暢，焊接過程較為穩(wěn)定，無飛濺產(chǎn)生。

圖4 不同弧長條件下焊接飛濺的產(chǎn)生過程

2.2 電弧弧長對焊縫底部駝峰的影響

圖5為Lc=0%時底部駝峰的形成過程。由圖可見，激光小孔處于未熔透狀態(tài)。當(dāng)激光小孔穩(wěn)定時，熔池下表面的液態(tài)金屬沿著熔池下表面向后流動，凝固前沿不斷向前推移并均勻凝固，如圖5a所示；當(dāng)小孔突然膨脹時，大量液態(tài)金屬沿小孔向下流動，熔池下表面向后流動的液態(tài)金屬量驟增，導(dǎo)致凝固前沿?zé)o法繼續(xù)向前推移，開始出現(xiàn)液態(tài)金屬“隆起”，由于受表面張力和重力作用，“隆起”的液態(tài)金屬不能及時回填，如圖5b所示；隨著液態(tài)金屬源源不斷的從小孔尾部產(chǎn)生并向熔池后部流動和堆積，“隆起”不斷長大，長大速率逐漸減小，如圖5c～圖5e所示；當(dāng)小孔與“隆起”位置水平距離較遠(yuǎn)時，“隆起”不再長大，凝固后形成底部駝峰，如圖5f所示。

圖5 底部駝峰形成過程

圖6為不同弧長條件下的焊縫背部的宏觀形貌和高速攝像圖像。由圖6可見，當(dāng)Lc=+20%時，有輕微的底部駝峰產(chǎn)生傾向；當(dāng)Lc=0%時，焊縫背部產(chǎn)生周期性的底部駝峰，底部駝峰的密集程度和尺寸有較大幅度的增加；當(dāng)Lc=-20%時，不產(chǎn)生底部駝峰。通過對不同弧長條件下底部液態(tài)熔池進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Lc=+20%時，激光小孔處于未熔透狀態(tài)，液態(tài)金屬從小孔尾部產(chǎn)生后在重力和表面張力作用下離開熔池；當(dāng)Lc=0%時，激光小孔同樣處于為未熔透狀態(tài)，液態(tài)金屬自小孔尾部產(chǎn)生后并未離開熔池，而是沿熔池下表面向后流動。隨著液態(tài)金屬不斷堆積，最終形成較大尺寸的底部駝峰；當(dāng)Lc=-20%時，發(fā)生小孔熔透，熔池下表面液態(tài)金屬流動處于穩(wěn)定連續(xù)狀態(tài)，凝固后得到均勻的焊縫表面形貌。

圖6 不同弧長條件下的焊縫背部的宏觀形貌(左)和高速攝像圖像(右)

圖7為不同弧長條件下的電弧形態(tài)。通過對比不同弧長條件下的電弧形態(tài)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Lc=+20%時，電弧弧長較長，電弧等離子體吸收部分激光能量，導(dǎo)致被試板吸收的能量降低，發(fā)生小孔未熔透。前文提到，液態(tài)金屬流動的連續(xù)性與激光小孔的熔透狀態(tài)密切相關(guān)，當(dāng)發(fā)生未熔透時，液態(tài)金屬流動的連續(xù)較差。不僅如此，當(dāng)Lc=+20%時，小孔具有很高的不穩(wěn)定性，使得液態(tài)金屬自小孔尾部產(chǎn)生后直接滴落，因此底部駝峰并不明顯；當(dāng)Lc=0%時，電弧弧長縮短，有效降低等離子體對激光的吸收，激光能量利用效率得到提升，但是該提升不足以使小孔發(fā)生熔透，小孔仍然處于未熔透狀態(tài)。此時小孔的穩(wěn)定性提高，液態(tài)金屬并未離開熔池，而是沿熔池下表面向后流動，最終形成較大尺寸的底部駝峰；當(dāng)Lc=-20%時，電弧弧長再次縮短，電弧等離子體對激光的屏蔽效應(yīng)進(jìn)一步降低，激光能量利用率提高，使得小孔發(fā)生熔透。熔池下表面液態(tài)金屬流動的連續(xù)性大幅度增加，不發(fā)生液態(tài)金屬堆積，因此不產(chǎn)生底部駝峰。

圖7 不同弧長條件下的電弧形態(tài)

根據(jù)上述內(nèi)容可知，底部駝峰是在激光小孔未熔透時產(chǎn)生的。當(dāng)發(fā)生小孔未熔透時，熔池底部液態(tài)金屬流動具有很高的不連續(xù)性，易出現(xiàn)過量液態(tài)金屬堆積，形成底部駝峰。因此，想要從根本上解決底部駝峰問題，需要提高激光小孔的熔透性?？s短電弧弧長之所以可以抑制底部駝峰的產(chǎn)生，是因?yàn)檫@種方式在一定程度上可以增加激光能量利用率，從而提高小孔熔透性。

3 結(jié)論

(1)隨著電弧弧長縮短，激光-電弧復(fù)合焊飛濺產(chǎn)生傾向降低?；￠L修正系數(shù)為+20%時，熔滴過渡具有很高不穩(wěn)定性，主要產(chǎn)生大尺寸飛濺；弧長修正系數(shù)為0%時，發(fā)生熔滴爆炸和液橋爆斷，主要產(chǎn)生小尺寸飛濺；弧長修正系數(shù)為-20%時，焊接過程穩(wěn)定，幾乎不產(chǎn)生飛濺。

(2)激光-電弧復(fù)合焊的底部駝峰是由激光小孔未熔透時熔池下表面液態(tài)金屬流動連續(xù)性差所引起的。

(3)適當(dāng)縮短電弧弧長，可以提高激光的能量利用率，促使激光小孔發(fā)生熔透，熔池下表面液態(tài)金屬流動趨于連續(xù)和穩(wěn)定，有利于抑制底部駝峰的產(chǎn)生。