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    電弧狀態(tài)對鋁合金激光 - 電弧復(fù)合焊接工藝過程穩(wěn)定性的影響*

    2023-09-07 07:54:20胡佩佩
    航空制造技術(shù) 2023年13期
    關(guān)鍵詞:熔滴熔池電弧

    張 臣,胡佩佩

    (1. 武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院,武漢 430072;2. 上海航天精密機(jī)械研究所,上海 201699)

    未來航空航天裝備面臨越來越多的極端使用環(huán)境,將大量使用高強(qiáng)度、高耐性材料以提高性能,如高強(qiáng)鋁合金、鈦合金、超合金、高熵合金等。然而,這些材料的成形加工性普遍較差。高能量密度激光焊接可以熔/汽化幾乎所有材料,能勝任許多傳統(tǒng)制造方法無法達(dá)成的工作,正快速發(fā)展成為主流制造手段。單一熱源激光焊接常常面臨質(zhì)量與效率不能兼得的難題。如深窄的光致小孔是提升效率的重要手段,但是過深的小孔容易導(dǎo)致失穩(wěn),形成嚴(yán)重氣孔缺陷。激光-電弧復(fù)合焊接通過有機(jī)結(jié)合兩種熱源,在保留單一熱源優(yōu)點的同時,利用熱源耦合效應(yīng)克服缺點,提升效率,是激光焊接的重要發(fā)展方向[1]。

    航空航天裝備中應(yīng)用的鋁合金部件具有大尺寸的特點,因此其連接部位以長焊縫居多,穩(wěn)定的焊接工藝過程是保證長焊縫焊接質(zhì)量的必要條件。作為一種集成兩種焊接工藝的新技術(shù),激光-電弧復(fù)合焊接的可調(diào)節(jié)參數(shù)增加,意味著在實際焊接中的干擾因素也相應(yīng)增多,工藝穩(wěn)定性控制難度增大。因此,掌握影響鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接工藝穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素,對促進(jìn)該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用具有重要意義?,F(xiàn)階段,盡管已經(jīng)有較多的激光-電弧復(fù)合焊接工藝研究[2-4],但關(guān)于焊接工藝過程穩(wěn)定性方面的系統(tǒng)研究還相對缺乏。

    無論是激光焊接還是MIG 電弧焊接,飛濺和焊縫表面形貌是最直觀反映焊接過程穩(wěn)定性的物理現(xiàn)象。在激光焊接中,小孔的波動導(dǎo)致等離子體流力方向變化,使得小孔周圍熔液從小孔內(nèi)飛出,產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象[5];在脈沖MIG 電弧焊接中,不穩(wěn)定的熔滴過渡是形成飛濺的主要原因,不合理的保護(hù)氣成分、過高或過低的保護(hù)氣流量都可以影響熔滴過渡,電弧電壓過低會導(dǎo)致熔滴過渡方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的短路過渡,而不平穩(wěn)的熔滴過渡會導(dǎo)致焊縫表面成形變差[6]。在激光-電弧復(fù)合焊接中,激光和電弧之間的相互作用會改變電弧熔滴的受力情況,影響熔滴沖擊力和電弧壓力,從而影響復(fù)合焊接工藝穩(wěn)定性、飛濺的形成傾向及焊縫表面形貌[7]?;谏鲜龇治隹傻秒娀顟B(tài)對飛濺等穩(wěn)定性因素的影響更大。如果能建立電弧參數(shù)與工藝穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)關(guān)系,對于優(yōu)化復(fù)合焊接工藝參數(shù)、改善復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性和提高焊縫質(zhì)量具有重要的理論指導(dǎo)意義。

    本研究將基于焊接飛濺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和焊縫表面成形質(zhì)量,系統(tǒng)研究保護(hù)氣、電弧工藝參數(shù)等影響熔滴過渡的因素對激光- MIG 電弧復(fù)合焊接工藝過程穩(wěn)定性的影響規(guī)律,為鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接工藝的工程化應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

    1 試驗及方法

    試驗材料采用AA6082-T6 鋁合金,厚度為8 mm 和12 mm,焊絲為ER5087。電弧焊炬采用Ar-He 混合保護(hù)氣。試驗研究了單一工藝參數(shù)對焊接過程的影響。如不作特殊說明,試驗中的工藝參數(shù)保持恒定:激光束入射角10°、離焦量- 2 mm、保護(hù)氣成分100% Ar、保護(hù)氣流量40 L/min、焊炬傾角60°、光絲間距2 mm、焊絲干伸長16 mm。

    試驗所用激光器為IPG 公司的YLR-6000 連續(xù)光纖激光器,波長為1070~1080 nm,光束質(zhì)量參數(shù)(BPP)為6.9 mm×mrad,光束模式為TEM01。激光束通過200 μm 芯徑的傳導(dǎo)光纖傳輸?shù)郊す夂附宇^。激光焊接頭聚焦焦距為250 mm,聚焦后焦點處光斑直徑為0.4 mm。電弧電源采用Fronius 公司的TPS4000 MIG焊機(jī)。采用PCO Dimax HD 高速攝像機(jī)分別記錄焊接過程熔滴過渡和等離子體形貌,具體見圖1(a)。飛濺的分析采用了熔滴過渡的高速攝影結(jié)果,通過統(tǒng)計固定視場和視角的高速攝影圖片內(nèi)飛濺顆粒的數(shù)量,定量地分析飛濺的程度,如圖1(b)所示,在激光功率P為3 kW,電弧電流I為180 A,焊接速度v為2 m/min 時飛濺顆粒數(shù)約為35 個 (一個圓圈包含一個飛濺顆粒)。由于脈沖電弧的周期性,這里選擇1 個脈沖內(nèi)飛濺顆粒最多的時刻進(jìn)行統(tǒng)計,這個時刻一般在熔滴從焊絲脫離后與熔池接觸的瞬間,且選取3 個不同脈沖的平均飛濺顆粒數(shù)作為最終結(jié)果。一個熔滴的過渡周期在10 ms 左右,高速攝影機(jī)的采集幀速為3000 ~ 5000 f/s。高速攝影機(jī)從起弧穩(wěn)定后約1 ~ 2 s 開始采集圖像,保證采集到至少3 個以上熔滴過渡周期的影像。由于1 個脈沖內(nèi)的圖像包含了重復(fù)的飛濺顆粒,這里采用人工逐幀分析方法確定飛濺數(shù)量。焊接完成后對焊縫表面成形質(zhì)量進(jìn)行檢查,并對表面保護(hù)效果、表面缺陷等按照ISO 10042 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評價。

    圖1 復(fù)合焊接過程高速攝影試驗設(shè)置及飛濺統(tǒng)計方法 (P=3 kW,I=180 A,v=2 m/min)Fig.1 Experimental setup of high-speed photography and statistical method of spatters(P=3 kW,I=180 A,v=2 m/min)

    2 結(jié)果與討論

    2.1 保護(hù)氣體的影響

    (1)保護(hù)氣體成分的影響。

    如圖2 所示,焊接過程中He 保護(hù)氣的體積分?jǐn)?shù)對飛濺數(shù)量影響較小。焊縫表面形貌如圖3 所示,純Ar氣具有最佳的表面形貌。但是添加He 氣后,焊縫表面失去金屬光澤,甚至產(chǎn)生了少量黑色氧化物,且He 氣體積分?jǐn)?shù)越高,保護(hù)效果越差。

    圖2 保護(hù)氣中He 氣體積分?jǐn)?shù)對焊接飛濺的影響 (P=3 kW,I=240 A,v=1.5 m/min)Fig.2 Influence of He gas content in shielding gas on spatter (P=3 kW,I=240 A,v=1.5 m/min)

    圖3 不同He 氣體積分?jǐn)?shù)下焊縫表面形貌Fig.3 Surface morphologies of weld seams under diffe ent He gas volume fractions

    采用Ar 和He 氣作為保護(hù)氣的焊接電弧的性質(zhì)具有較大差異。Ar和He 的第一電離能分別為15.755 eV 和24.580 eV,Ar 明顯低于He,使Ar 保護(hù)氣電弧不需要較高的電壓和電流密度即能維持。因此,Ar 電弧的溫度低于He 電弧。在保護(hù)氣為He 的MIG 焊接中,熔滴受到由陰極指向陽極的大陰極力的作用而使過渡不暢,造成過渡的熔滴形狀不規(guī)則,并使熔滴過渡的方向也不規(guī)律[8]。這一現(xiàn)象使焊接過程不穩(wěn)定,易產(chǎn)生飛濺。但是在激光- MIG 復(fù)合焊接中隨著保護(hù)氣He 體積分?jǐn)?shù)的增加,焊接過程中的飛濺并沒有明顯增加,說明激光與MIG 電弧的相互作用穩(wěn)定了電弧中的熔滴過渡。

    He 保護(hù)氣可以使電弧電壓和電流密度增加,產(chǎn)生高能量電弧。而激光作用于電弧又進(jìn)一步增加了電弧的能量密度,電弧能量進(jìn)一步增加,這種高能電弧導(dǎo)致鋁合金中低熔點元素 (如Mg)的燒損,使焊縫表面保護(hù)效果變差。說明含He 的保護(hù)氣體并不是非常適合于鋁合金復(fù)合焊接。

    綜合以上結(jié)果可知,在復(fù)合焊接鋁合金中,激光與電弧兩種熱源的相互作用能夠穩(wěn)定電弧,使得含He 氣的保護(hù)氣對焊接過程穩(wěn)定性的不利影響變小。但是,含He 氣的保護(hù)氣又使相應(yīng)的焊縫保護(hù)效果變差。鋁合金復(fù)合焊接適合采用純Ar 保護(hù)氣。

    (2)保護(hù)氣體流量的影響。

    當(dāng)采用純Ar作為焊接保護(hù)氣時,焊接飛濺隨保護(hù)氣流量的變化規(guī)律如圖4 所示。當(dāng)氣體流量為10 L/min時,飛濺顆粒數(shù)量約為31 個;氣體流量增加到20 L/min 時,飛濺顆粒數(shù)量下降,約為20 個;氣體流量繼續(xù)增加,飛濺顆粒并沒有隨之下降,而是趨于穩(wěn)定。

    圖4 純Ar 保護(hù)氣流量對焊接飛濺的影響(P=3 kW,I=240 A,v=1.5 m/min)Fig.4 Influence of pure Ar gas on spatter(P=3 kW,I=240 A,v=1.5 m/min)

    如圖5 所示,當(dāng)氣體流量大于10 L/min 時,所有焊縫表面都無肉眼可見的咬邊、氣孔和裂紋缺陷;而且保護(hù)氣體流量越大,保護(hù)效果越好。當(dāng)氣體流量為10 L/min 時,焊縫表面有明顯的黑色氧化物存在;但是,當(dāng)氣體流量增加至40 L/min 時,焊縫表面呈現(xiàn)出金屬光澤,邊緣有明顯的陰極霧化區(qū)出現(xiàn)。

    圖5 不同Ar 保護(hù)氣流量下焊縫表面形貌Fig.5 Weld surface morphologies under diffe ent Ar gas flows

    圖6(a)是當(dāng)保護(hù)氣體流量為10 L/min 時復(fù)合焊接的高速攝像圖,電弧在箭頭所示的部位產(chǎn)生了漂移,說明保護(hù)氣流量過低時,氣流挺度較差,產(chǎn)生了紊流。電弧保護(hù)氣的波動將影響電弧內(nèi)部電磁力和等離子體流力的大小和方向,進(jìn)而使熔滴受到波動電弧力的影響,不能規(guī)律地過渡到熔池中,容易產(chǎn)生飛濺。

    圖6 不同保護(hù)氣流量時典型復(fù)合焊接羽輝變化過程的高速攝影Fig.6 High-speed photography of typical hybrid welding plume change process with diffe ent shielding gas flow rates

    圖6(b)是當(dāng)保護(hù)氣流量為40 L/min 時的復(fù)合焊接過程高速攝影圖,與圖6(a)相比可以發(fā)現(xiàn),焊接過程中飛濺明顯減少,電弧形貌與焊接過程穩(wěn)定??梢姡捎幂^大的保護(hù)氣流量有利于在電弧周圍形成穩(wěn)定的層流層,不僅可以穩(wěn)定電弧,也鞏固了保護(hù)范圍,阻止外圍空氣卷入電弧和熔池,所以焊縫表面成形良好。當(dāng)然,氣體流量過大,不僅使得成本增加,氣流在噴嘴近壁層流很薄,甚至形成紊流,保護(hù)效果也不會好。

    綜合上述試驗數(shù)據(jù)可見,在本試驗條件下,復(fù)合焊接過程采用20 L/min以上的保護(hù)氣流量可以增強(qiáng)焊接過程穩(wěn)定性并提高焊縫保護(hù)效果。

    2.2 電弧特性的影響

    (1)電弧電流的影響。

    圖7 所示為激光-電弧復(fù)合焊接過程中不同電弧電流條件下飛濺程度的關(guān)系,可見焊接過程穩(wěn)定,飛濺數(shù)量變化受電弧電流大小影響不大。如圖8 所示,不同電流下焊縫表面都具有均勻的魚鱗紋,焊縫邊緣陰極霧化區(qū)較寬。隨電流的增加,焊縫寬度有所增加。

    圖7 電弧電流對焊接飛濺的影響(P=3 kW,v=1.5 m/min)Fig.7 Influence of arc current on welding spatter(P=3 kW,v=1.5 m/min)

    圖8 不同電弧電流時焊縫表面形貌Fig.8 Surface morphology of weld seams under diffe ent arc currents

    圖9 為不同電流時的電弧焊接和復(fù)合焊接等離子體羽輝形貌,對比結(jié)果表明復(fù)合焊接羽輝與電弧焊接羽輝的形貌差異較小,說明激光和電弧的相互作用過程中,激光導(dǎo)致的羽輝完全融入電弧并成為一個整體。因此,光纖激光對電弧的干擾作用較小。上述研究結(jié)果同時還發(fā)現(xiàn),兩種工藝的羽輝形狀未隨電流變化而發(fā)生明顯改變,說明當(dāng)電流不同時復(fù)合焊接過程都能保持穩(wěn)定。

    圖9 不同電弧電流時復(fù)合焊接羽輝形貌(P=3 kW,v=1 m/min)Fig.9 Appearance of welding plume under diffe ent arc currents (P=3 kW,v=1 m/min)

    以上規(guī)律表明,光纖激光與電弧之間的相互作用產(chǎn)生了穩(wěn)定的復(fù)合焊接過程,使得電弧電流大小對穩(wěn)定性的影響較弱。

    (2)電弧電壓的影響。

    與240 A 焊接電流相匹配的電壓為21.4 V,如圖10 所示,電弧電壓大于21.4 V 時,焊接過程飛濺顆粒數(shù)量約為24 ~ 30 顆。電弧電壓降低,飛濺數(shù)量急劇增加,如電壓為18.9 V 時,飛濺顆粒最大,達(dá)100 顆以上。導(dǎo)致飛濺較多的工藝參數(shù)使得焊接過程不穩(wěn)定,這也將影響焊縫的表面形貌。如圖11 中焊縫形貌所示,電壓較高時焊縫形貌較均勻,隨著電壓的降低焊縫表面均勻度越來越差,與上述飛濺規(guī)律基本吻合。

    圖10 電弧電壓對焊接飛濺的影響(P=6 kW,I=240 A,v=4 m/min)Fig.10 Influence of arc voltage on welding spatter (P=6 kW,I=240 A,v=4 m/min)

    圖11 不同電弧電壓的焊縫表面形貌Fig.11 Weld surface morphologies with diffe ent arc voltages

    眾所周知,焊接電弧弧長取決于電弧電壓,電壓越大弧長越長。電弧電壓對焊接穩(wěn)定性的影響與電弧弧長有關(guān)。電弧電壓為18.9 V 時的焊接過程高速攝影如圖12 所示。在t= 4 ms 時,電弧幾乎熄滅,很顯然電弧產(chǎn)生了短路現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因是,電弧電壓相對標(biāo)準(zhǔn)電壓降低幅度較大,導(dǎo)致電弧弧長大幅變短,焊絲頂端距離熔池表面較近,使得熔滴運動的距離較短。如果熔滴過渡受到外界的干擾,如激光束改變電弧能量,進(jìn)而改變?nèi)鄣问芰?,則導(dǎo)致焊絲頂端與熔池接觸造成短路。在t= 8 ms 時,高速攝影照片電弧等離子體急劇膨脹,這是因為焊接回路短路會導(dǎo)致焊絲頂端的電流密度劇烈增加,焊接等離子體急劇膨脹,并產(chǎn)生熔滴爆炸,而在爆炸過程中產(chǎn)生大量飛濺顆粒。所以,復(fù)合焊接中的短弧長容易導(dǎo)致焊接飛濺。

    圖12 電弧電壓為18.9 V 時復(fù)合焊接過程電弧短路的高速攝影Fig.12 High-speed photography of arc short circuit in welding when arc voltage is 18.9 V

    由于低電壓焊接過程中短路過渡現(xiàn)象的存在,熔滴不能規(guī)律地過渡到熔池中,導(dǎo)致焊縫成形變差。所以,焊接過程中應(yīng)采用較高的電壓,以維持電弧弧長在一個穩(wěn)定、不產(chǎn)生短路過渡的范圍內(nèi)。但是電壓過高會導(dǎo)致弧長過長,容易使MIG 焊接中導(dǎo)電咀燒損。因此,電壓的選擇需要在上述兩個因素之間平衡。

    綜上所述,鋁合金激光- MIG 電弧復(fù)合焊接過程中電弧電壓對飛濺的影響較大。采用較高的電弧電壓適當(dāng)提高電弧長度,可以避免不穩(wěn)定短路過渡的發(fā)生,有利于抑制飛濺,并使焊縫表面成形更佳。

    2.3 激光-電弧光絲間距的影響

    如圖13 所示,激光與電弧兩種光絲間距為0 時,焊接過程飛濺較多。隨著光絲間距的增加,飛濺數(shù)量逐漸下降。同時,光絲間距為0 的焊縫表面成形及保護(hù)效果也最差,與飛濺規(guī)律相對應(yīng),如圖14 所示。

    圖13 光絲間距對焊接飛濺的影響(P=3 kW,I=240 A,v=1.5 m/min)Fig.13 Influence of distance between laser beam and wire tip on welding spatter(P=3 kW,I=240 A,v=1.5 m/min)

    圖14 不同光絲間距的焊縫表面形貌Fig.14 Weld surface morphologies at diffe ent distance between the center of laser beam and wire tip

    熔滴過渡后,在熔池中的落點位置決定了飛濺的形成規(guī)律。如圖15所示,隨著光絲間距的擴(kuò)大,熔池前端與焊絲末端的距離Dpw依次增加。光絲間距為0 時,由于Dpw較小,過渡熔滴很可能未落入熔池中,而是進(jìn)入固態(tài)母材區(qū)域,圖15(a)中熔池前端出現(xiàn)金屬顆粒印證了上述假設(shè),這與電弧焊接的情況比較類似,因此飛濺產(chǎn)生的概率較大;光絲間距增加到2 mm 后,激光預(yù)熱作用使得熔滴前端面積增加,熔滴可以完全落入熔池中;隨著光絲間距繼續(xù)增加到4 mm,熔滴前端面積進(jìn)一步增加,熔滴落入點在熔池中心,且遠(yuǎn)離小孔位置,避免了激光束輻照,以及小孔內(nèi)部反沖等離子體對熔滴運動的干擾,焊接過程將更加穩(wěn)定,飛濺更少。

    圖15 不同光絲間距時的熔池狀態(tài)Fig.15 State of molten pool with different distance between the center of laser beam and wire tip

    在旁軸復(fù)合焊接中,激光和電弧光絲間距越大,熱源的相互作用越弱,當(dāng)增大到一定程度將失去相互作用。研究表明,在鋼材CO2激光-電弧復(fù)合焊接中光絲間距超過4 mm后,相互作用程度將大幅降低[9]。雖然大光絲間距有利于減少飛濺,但是失去復(fù)合焊接相互作用后,可能降低焊接效率和質(zhì)量,將得不償失。所以,鋁合金復(fù)合焊接的光絲間距最佳值還需經(jīng)過后續(xù)相互作用研究后確定。

    以上試驗結(jié)果說明,復(fù)合焊接過程中光絲間距的增加可以減少焊接過程中的飛濺。光絲間距在0 ~ 6 mm 時,光絲間距越大,激光的預(yù)熱作用越強(qiáng),熔池前端面積也越大,激光對熔滴干擾越小,熔滴可以更加平穩(wěn)地過渡到熔池中。但是,考慮到光絲間距越大,熱源相互作用越弱,復(fù)合焊接特征減弱,最佳值須根據(jù)相互作用研究來確定。

    綜上所述,為了得到飛濺較少、焊縫成形較佳的焊接效果,主要復(fù)合焊接工藝參數(shù)都存在一個較為合適的范圍,為后續(xù)試驗穩(wěn)定地進(jìn)行提供了參考。

    2.4 復(fù)合焊接過程中有關(guān)飛濺的物理模型探討

    焊接過程中的飛濺是焊接是否穩(wěn)定的直接體現(xiàn),飛濺的存在不僅說明焊接熔池不穩(wěn)定,而且減少了填充材料的利用率,同時,工件表面飛濺的焊后清理增加了額外制造成本。另外,飛濺顆粒過多可能影響精密零部件的表面精度,限制了焊接的應(yīng)用范圍。因此,研究復(fù)合焊接過程的飛濺影響因素,探索飛濺抑制機(jī)制具有重要意義。激光焊接過程中,飛濺通常由激光光致小孔內(nèi)部的反沖壓力裹挾小孔邊緣的熔化物質(zhì)脫離熔池而形成。MIG 電弧焊接中,飛濺一般由熔滴過渡時受力不均分解而形成。穩(wěn)定的熔滴過渡是抑制飛濺的關(guān)鍵因素。熔滴運動主要受到電弧內(nèi)部的力作用,作用于熔滴的力主要包括電磁收縮力、等離子流力、斑點力等[10]。其中,以電磁力最為重要[11]。熔滴受力的狀態(tài)如圖16 所示。

    圖16 鋁合金激光- MIG 復(fù)合焊接中熔滴所受電弧力的分析Fig.16 Analysis of arc force on droplet in laser - MIG hybrid welding of aluminum alloy

    如圖16(a)所示,電弧中的電流形成了電磁力,電磁力的合力形成電磁收縮力。在電弧焊接中,作用于熔滴的電磁收縮力作用方向從陰極指向工件[11]。電流越大,電磁收縮力越大;弧長越長,熔滴中的電流線趨于平行,電磁收縮力越小。在復(fù)合焊接中,不僅電弧參數(shù)對電磁收縮力有影響,熱源相互作用也會產(chǎn)生新的影響。激光小孔與電弧陽極之間可形成穩(wěn)定的導(dǎo)電通道,電弧被壓縮[12],電流線被吸引至小孔,并趨于平行,電磁收縮力變小,甚至反向[13],如圖16(b) 所示。電磁收縮力的下降對熔滴內(nèi)部的作用力減小,可以降低熔滴分裂成小飛濺顆粒的概率,并減小了熔滴對熔池的沖擊力,有利于減少飛濺。復(fù)合焊接參數(shù)中,電弧電壓、光絲間距增加都使電弧體積增加,導(dǎo)電通道變長,作用于熔滴的電磁收縮力下降,飛濺減少。另外,導(dǎo)電通道作用于小孔附近,增強(qiáng)了電弧在小孔開口上方的能量密度,小孔開口受到高能電弧的熔融作用會擴(kuò)大開口尺寸,減少了小孔內(nèi)部反沖壓力對小孔開口熔融物質(zhì)的沖擊,減少了飛濺的形成。

    等離子流力由中性粒子運動和保護(hù)氣流共同作用而形成。由于靠近陽極區(qū)電弧弧柱區(qū)被壓縮,該區(qū)的中性粒子密度高于靠近陰極的弧柱區(qū),電弧中的中性粒子從高密度的陽極區(qū)向低密度的陰極區(qū)運動。同時,保護(hù)氣流方向也是由陽極指向陰極。所以,等離子流力的方向由陽極指向陰極,如圖16(b)所示。在復(fù)合焊接中,保護(hù)氣的變化會影響等離子體流力,而等離子體流力直接作用于熔滴表面。當(dāng)保護(hù)氣流能保持層流時,電弧等離子波動較小,等離子流力穩(wěn)定。在本研究的范圍內(nèi),保護(hù)氣流量的上升增加了等離子體流力,對熔滴過渡形成一種更強(qiáng)的、外在的、包裹式的約束作用,也有利于保持熔滴的完整性,減少熔滴碎裂為飛濺顆粒。

    以上兩種力在熔滴過渡過程中始終存在。當(dāng)熔滴未完全脫離焊絲時,還受電子運動產(chǎn)生的陽極斑點力的作用,它會與上述兩種力同時作用于熔滴。前面研究已經(jīng)表明,鋁合金激光電弧復(fù)合焊接中采用含He 成分的保護(hù)氣時,He 導(dǎo)致電弧溫度升高,提升了陽極斑點力。大的陽極斑點力方向與熔滴過渡方向相反,阻礙了熔滴過渡,容易產(chǎn)生飛濺。

    3 結(jié)論

    (1) 本研究采用統(tǒng)計飛濺顆粒數(shù)量和焊縫表面成形形貌描述的方法來評價激光-電弧復(fù)合焊接過程的穩(wěn)定性。結(jié)果表明,保護(hù)氣流量和成分、電弧電學(xué)特性、光絲間距對焊接過程穩(wěn)定性影響很大:與Ar 和He 混合保護(hù)氣比較,純Ar 最適合于鋁合金復(fù)合焊接,其氣流量在20 ~ 40 L/min 時,飛濺較少,且趨于平穩(wěn),焊縫保護(hù)效果較好;適當(dāng)提高電弧電壓可以避免短路過渡,降低飛濺的發(fā)生概率,并優(yōu)化焊縫成形;當(dāng)光絲間距在0 ~ 6 mm 時,光絲間距越大,激光的預(yù)熱作用越大,有利于熔滴平穩(wěn)過渡。

    (2) 復(fù)合焊接飛濺數(shù)量減少的機(jī)理是:激光對熔池的預(yù)熱作用擴(kuò)大了熔池前端的面積,熔滴從焊絲過渡熔池的過程更平穩(wěn);優(yōu)化的工藝參數(shù)使電弧對熔滴的作用力保持在合理范圍,減少了熔滴過程時被分解的傾向;復(fù)合熱源能量密度的提升擴(kuò)大了小孔開口,有利于減少小孔內(nèi)部反沖壓力形成的飛濺。通過系統(tǒng)的鋁合金復(fù)合焊接飛濺和焊縫成形規(guī)律研究,為穩(wěn)定地開展后續(xù)工作奠定了工藝基礎(chǔ)和調(diào)控理論。

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