基于擺動激光掃描的GMAW焊縫成形調(diào)控

肖珺，葛欣雨，蓋勝男，陳樹君，盛衛(wèi)星，陳少君

(1.北京工業(yè)大學(xué),機(jī)械與能源工程學(xué)院,北京,100124；2.中國空間技術(shù)研究院,北京衛(wèi)星制造廠有限公司,北京,100190)

0 序言

鋁合金熔化極氣體保護(hù)焊(gas metal arc welding，GMAW)因其具有較高的熔覆效率、對焊接接頭裝配精度要求低等優(yōu)點(diǎn)，在生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛，并且也是鋁合金增材制造的主要工藝[1].由于鋁合金散熱系數(shù)大，焊接過程溫度梯度大，在較低熱輸入時(shí)鋁合金熔池流動鋪展不足，極易形成駝峰等不規(guī)則的焊縫成形缺陷.要改善此種情況下的焊縫成形，就必須對熔池流動行為進(jìn)行主動調(diào)控.

傳統(tǒng)熔化極電弧的熱質(zhì)力傳輸耦合特性，使得特定熱輸入條件下的熔池流動行為不可控，通過外場輔助調(diào)控熔池行為是主動調(diào)控焊縫成形的可行方法.國內(nèi)外諸多學(xué)者通過對熔池施加不同的外場作用取得了一定的效果，如使用超聲輔助電弧可以有效增大熔深，細(xì)化熔滴，并降低焊縫氣孔率[2-5].在熔池區(qū)域施加磁場，對熔池的溫度場和流場進(jìn)行了有效控制，成功消除了高速焊接過程中的焊縫隆起等缺陷[6-7].

高能擺動激光技術(shù)的發(fā)展為調(diào)控GMAW 熔池行為提供了新的技術(shù)途徑.傳統(tǒng)的激光電弧復(fù)合焊接技術(shù)，激光作用區(qū)域集中，主要被用于增大熔深、提高焊接效率和提高焊接穩(wěn)定性[8].而擺動激光光斑可以沿編程預(yù)設(shè)的路徑進(jìn)行周期性高速擺動，從而對熔池進(jìn)行攪拌，熔池匙孔處在高速動態(tài)運(yùn)動之中，對于鋁合金焊接而言可以顯著降低焊接氣孔率[9-10]，但已有研究主要集中于用激光的小幅擺動攪拌熔池[11]，表征焊縫微觀組織形貌及力學(xué)性能，而對焊縫幾何形貌調(diào)控的研究較少.

文中采用脈沖GMAW 工藝在5 mm 厚度的6061 鋁合金板材上進(jìn)行表面堆焊工藝試驗(yàn)，利用擺動激光直接掃描液態(tài)金屬熔池，對其溫度場和流場進(jìn)行調(diào)控，以改變?nèi)鄢販囟忍荻?，主動調(diào)控熔池流動，抑制不均勻焊縫形貌和駝峰缺陷的發(fā)生，并對焊縫寬度進(jìn)行調(diào)控.

1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)采用直徑1.2 mm的6061 鋁合金焊絲，母材尺寸為200 mm × 30 mm × 5 mm的6061 板材.焊接設(shè)備為肯比MIG Pulse 450 型半自動焊機(jī)，激光光源選用YLS-4000 激光器，擺動激光焊接頭可以實(shí)現(xiàn)擺幅0～ 5.5 mm、擺頻0～ 300 Hz的自由調(diào)節(jié)，光斑直徑實(shí)際尺寸約為0.3 mm，采用旁軸復(fù)合方式，激光相對母材離焦量為0 mm，復(fù)合焊接原理如圖1 所示，保護(hù)氣體選用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為99.99%的氬氣，焊接速度為0.6 m/min，送絲速度4 m/min，焊接電流65 A，激光擺動頻率選擇f=100 Hz，通過改變其余擺動激光參數(shù)觀察復(fù)合焊縫成形.焊接過程中通過英國iXCameras 公司生產(chǎn)的i-Speed716型高速攝像機(jī)觀測記錄擺動激光掃描熔池的動態(tài)過程.保持電弧工藝參數(shù)不變，其余試驗(yàn)參數(shù)如表1～ 表3 所示，探究光絲間距Dla、激光擺動幅度A和激光功率P對焊縫成形的影響.

表1 工藝試驗(yàn)參數(shù)-光絲間距的影響Table 1 Experimental parameters-effect of Dla

表2 工藝試驗(yàn)參數(shù)-激光功率的影響Table 2 Experimental parameters-effect of P

表3 工藝試驗(yàn)參數(shù)-激光擺幅的影響Table 3 Experimental parameters-effect of A

圖1 激光掃描熔池中部復(fù)合成形示意圖Fig.1 Schematic diagram of oscillating laser arc hybrid welding

2 結(jié)果與分析

2.1 擺動激光對焊縫成形的調(diào)控機(jī)理

光絲間距Dla被定義為焊絲延長線與母材的交點(diǎn)到激光光斑的距離，其決定了激光掃描熔池的縱向位置，進(jìn)而決定了復(fù)合熔池的溫度分布與熔池流動.當(dāng)保持其余參數(shù)不變，Dla從0 逐漸增大的過程中，焊縫形貌分別如圖2 和圖3 所示.

圖2 光絲間距對焊縫成形的影響(俯視圖)Fig.2 Effect of Dla on bead formation (top view)

圖3 光絲間距對焊縫成形的影響(側(cè)視圖)Fig.3 Effect of Dla on bead formation (side view)

如圖2 和圖3 所示，當(dāng)無激光掃描時(shí)，脈沖GMAW焊接熱輸入較低，熔池難以在兩側(cè)較冷的母材金屬上鋪展，所以焊縫狹窄；同時(shí)熔池溫度梯度大，熔池前端的液態(tài)金屬在向后流動過程中快速凝固，導(dǎo)致形成駝峰缺陷，焊縫高度存在較大波動，成形質(zhì)量差.而當(dāng)引入激光掃描后，當(dāng)激光擺動參數(shù)和激光功率恒定時(shí)，焊縫成形隨光絲間距變化而有明顯差異，隨著光絲間距的增加對駝峰缺陷的抑制程度先增強(qiáng)后變?nèi)酰缚p寬度先增加后減小，二者都在Dla=2 mm 時(shí)達(dá)到峰值.

隨著光絲間距的增加，激光路徑遠(yuǎn)離了電弧弧柱區(qū)根部，對電弧的干擾減弱，電弧不再發(fā)生不穩(wěn)定跳動，且不再對熔滴過渡產(chǎn)生明顯干涉，焊接飛濺大幅降低，對熔池流動和焊縫成形產(chǎn)生正面影響，此時(shí)的熔池行為如圖4 所示.隨著Dla的增大，“8”字形激光掃描熔池位置由熔池前端變?yōu)槿鄢刂胁?，激光能量直接傳遞給熔池.使熔池中部金屬的溫度進(jìn)一步上升，降低其表面張力和粘度，有利于熔池自發(fā)地從中心線向焊縫兩側(cè)流動鋪展，抑制窄高焊縫的形成.同時(shí)“8”字形擺動在焊縫橫向上改變了熔池的溫度場，在5 mm 較大掃描寬度下，激光掃描區(qū)域覆蓋到熔池兩側(cè)固-液邊界，激光能量使熔池邊緣的液態(tài)金屬溫度升高，補(bǔ)償了熔池側(cè)邊緣在鋪展過程中給予母材的熱量損失，降低了熔池兩側(cè)邊緣金屬的張力，促進(jìn)了熔池向焊縫兩側(cè)進(jìn)一步地潤濕鋪展.

圖4 擺動激光掃描熔池示意圖Fig.4 Schematic diagram of laser scanning on weld pool

對于液態(tài)熔池鋪展界面而言，由于小電流脈沖GMAW焊的熱輸入較低，焊縫兩側(cè)的母材沒有受到很好的預(yù)熱，且鋁合金材料的導(dǎo)熱性強(qiáng)，熔池側(cè)邊緣在母材上鋪展的過程中向母材傳遞了大量熱量，金屬粘度逐漸升高阻礙流動，最后直至凝固，使得熔池在固態(tài)母材上較難浸潤鋪展，是形成焊縫窄高不均勻成形的主要原因.在激光擺幅大于原生熔池寬度時(shí)，光斑掃描到熔池外側(cè)的母材，觀察到了如圖5 所示的現(xiàn)象，激光能量直接作用于熔池邊緣的母材使其微量熔化，在母材表面形成較薄的高溫金屬液膜，此時(shí)熔池在固態(tài)母材上的潤濕鋪展改為在同材質(zhì)液態(tài)金屬薄膜上的吸附和流動，大幅提升了其鋪展能力，增加熔寬且降低了潤濕角，從而實(shí)現(xiàn)了對焊縫寬度的控制.同時(shí)擺動激光對于熔池流動具有驅(qū)動作用，由于擺動激光此時(shí)擺幅較大，光斑移動線速度高，激光功率也相對較低，故不能在熔池上產(chǎn)生明顯匙孔，但激光蒸發(fā)反沖力仍可伴隨激光掃描路徑驅(qū)動熔池流動，促使其向焊縫兩側(cè)的鋪展.

圖5 擺動激光熔化熔池兩側(cè)附近的母材Fig.5 Laser melting of the base metal on side area near the weld pool

焊縫的高度波動較大主要是由于熔池金屬在電弧力和表面張力梯度作用下快速向熔池后方流動，堆積于熔池尾部，而熔池尾部溫度較低，使得此部分金屬未經(jīng)充分鋪展而凝固，形成了圖3(無激光)中的形貌，任何阻礙此“后向金屬流”的措施均將有利于駝峰缺陷的改善.如圖6 所示，當(dāng)“后向金屬流”運(yùn)動到熔池中部的激光照射區(qū)域時(shí)，激光光斑可直接作用于“后向金屬流”的前波峰之上，激光能量產(chǎn)生的蒸發(fā)反力在其前坡面上表現(xiàn)為正壓力，在熔池中部形成“緩沖區(qū)”，以阻礙“后向金屬流”，同時(shí)“后向金屬流”的流速越快則前波峰越陡峭，激光作用時(shí)產(chǎn)生的正壓力向前的分量越大，阻礙效果越顯著，使其具有一定的自調(diào)節(jié)能力，最終使得熔池尾部凝固區(qū)的熔池流動趨于穩(wěn)定，成形改善，并且“8”字形擺動模式速度對稱的特點(diǎn)會使其在中心交匯處的速度方向始終指向熔池前方，也有利于阻礙“后向金屬流”的流動.此外，激光掃描熔池中部也降低了熔池在焊接方向的溫度梯度，有利于抑制熔池金屬的后向流動.

圖6 激光阻礙后向金屬流Fig.6 Laser obstructs the backward metal flow

Dla=0 mm時(shí)，“8”字形激光光斑的中心交匯于熔池的前端，有很大一部分照射在了熔池前方和兩側(cè)的母材金屬上，在焊接過程中直接觀察到了一定程度的焊接飛濺和電弧不穩(wěn)定跳動，產(chǎn)生這種現(xiàn)象是由于光絲間距過小，激光掃描過程會直接掃描到焊絲，干擾熔滴過渡和電弧穩(wěn)定性.但是整體上由于激光在熔池前對母材進(jìn)行了預(yù)熱，促進(jìn)了熔池的潤濕鋪展，使焊接成形有所改善.Dla=4 mm時(shí)，擺動激光照射于熔池尾部的半固態(tài)熔融區(qū)，小功率激光不足以使其重新熔化，僅能通過熱效應(yīng)對熔池后部進(jìn)行升溫，一定程度上延長了液態(tài)金屬的凝固時(shí)間，但對于成形的改善程度嚴(yán)重低于激光照射于熔池中部時(shí)的程度.

2.2 激光功率對焊縫成形的影響

激光功率是另一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，期望使用較小的激光功率獲得良好的焊縫成形調(diào)控效果.如表2 所示，設(shè)定擺動模式和擺動幅度不變.激光功率對于焊縫成形的影響如圖7 所示，當(dāng)無激光掃描時(shí)，焊縫窄高且波動較大，激光功率從500 W 增大到1 000 W 過程中，焊縫寬高比上升，寬高波動都減小，成形改善，此時(shí)激光功率的上升對于熔池向兩側(cè)的鋪展仍然起促進(jìn)作用，但當(dāng)功率由1 000 W 增加至1 500 W 過程中，焊縫截面幾何尺寸幾乎不變，證明此時(shí)單純依靠提高激光功率升高熔池溫度對于促進(jìn)熔寬提升的影響幾乎已達(dá)到極限，焊縫寬度接近激光的擺動的路徑寬度(由于光斑直徑與等離子體散射等原因，激光實(shí)際作用區(qū)域的寬度大于其擺幅2 mm 左右)，此時(shí)阻礙熔寬進(jìn)一步提升的是焊縫兩側(cè)未被激光熔化的母材金屬仍然溫度較低，熔池難以在較冷的母材金屬上鋪展.

圖7 激光掃描功率對焊縫成形的影響Fig.7 Effect of scanning laser power on weld bead formation

2.3 擺動幅度對焊縫成形的影響

擺動幅度對焊縫熔寬的影響，如圖8 和圖9 所示，總體上焊縫寬度隨擺動幅度的上升而上升.當(dāng)擺動幅度A≤ 2.0 mm時(shí)，激光擺動寬度小于原生熔池寬度，此時(shí)相比無激光照射時(shí)，激光對熔池的熱輸入作用更集中，熔池溫度更高，但焊縫成形調(diào)控效果不顯著，焊縫熔寬沒有明顯變化.當(dāng)擺動幅度從2.0 mm 升高至4.0 mm的過程中，熔池溫度梯度發(fā)生改變，其兩側(cè)邊緣的溫度逐漸因吸收激光能量而上升，一定程度上促進(jìn)了其向兩側(cè)鋪展，但由于其尚未照射于母材，擺動幅度的增加對熔寬的促進(jìn)效果較弱，且潤濕角大于90°，此時(shí)還沒有產(chǎn)生熔化母材改變鋪展介質(zhì)的效應(yīng).當(dāng)擺動幅度A≥4.0 mm時(shí)，激光擺動幅度大于原生熔池寬度，其一部分照射于兩側(cè)母材上將其熔化，很大程度上促進(jìn)了熔池向兩側(cè)的鋪展能力.當(dāng)4.0 mm ≤A≤ 5.5 mm 時(shí)焊縫寬度與激光的實(shí)際作用寬度高度一致，并獲得了無駝峰等成形缺陷的焊縫，值得注意的是，當(dāng)A=5.5 mm時(shí)，焊縫兩側(cè)潤濕角極小，但焊縫并未鋪展均勻且存在一定高度波動，一方面由于擺動幅度的增加使得激光掃描能量降低，熔池流動驅(qū)動效應(yīng)減弱，另一方面是由于過大的寬高比使熔池達(dá)到了鋪展的極限.綜上所述，在一定條件范圍內(nèi)，可以通過改變擺動幅度對焊縫寬度實(shí)現(xiàn)精確控制.

圖8 激光擺動幅度對焊縫成形的影響Fig.8 Effect of laser oscillating amplitude on bead formation

圖9 激光擺動幅度對焊縫熔寬的影響Fig.9 Effect of oscillating amplitude on bead width

2.4 擺動激光掃描對層間結(jié)合的影響

探究大擺幅擺動激光掃描熔池中部對層間結(jié)合以及氣孔率的影響，在無激光時(shí)，如圖10(a)所示，電弧熱輸入不足以充分熔化母材，導(dǎo)致熔覆焊縫與母材的結(jié)合效果較差，其間可以觀察到明顯裂紋，如圖10(b)所示，且伴隨有較為嚴(yán)重的氣孔，通過加大電流可以促進(jìn)層間結(jié)合，但焊縫熱影響區(qū)也會明顯增大，也不能有效根除焊縫兩側(cè)邊緣的未熔合裂紋，因?yàn)楹缚p邊緣受電弧加熱較弱，熔池鋪展到此區(qū)域已經(jīng)接近凝固，故無法使此區(qū)域母材熔化并與熔覆金屬充分結(jié)合，形成裂紋.

圖10 擺動激光掃描對層間結(jié)合的作用Fig.10 Effect of oscillating laser scanning on interlayer bonding.(a) cross-section of GMAW;(b) fusion zone of GMAW;(c) cross-section of laser scanned bead;(d) fusion zone of laser scanned bead

在擺動激光調(diào)控工藝中(光絲間距Dla=2.0 mm，擺動幅度A=5.0 mm，激光功率P=1 000 W)，對于氣孔缺陷的調(diào)控而言，擺動激光一方面通過促進(jìn)熔池流動以提高焊縫寬高比，降低焊縫高度縮短了氣孔的上浮距離，另一方面通過蒸發(fā)反力攪拌熔池促進(jìn)了氣孔的逸出，有效減少了焊縫中的氣孔，如圖10(c)所示，對于焊縫兩側(cè)邊緣區(qū)域，由于是擺動激光先照射于母材使其熔化，熔池才在其上進(jìn)行鋪展，故層間充分結(jié)合，熔深加大，并有效消除焊縫外沿與母材結(jié)合區(qū)域的裂紋，如圖10(d)所示.

3 結(jié)論

(1) 使用較低功率，較大擺動幅度的“8”字形擺動激光作用于熔池中部，能有效促進(jìn)熔池向熔池兩側(cè)的流動鋪展，消除了駝峰等不規(guī)則成形缺陷，并提高了焊縫寬度的一致性，顯著提高了鋁合金脈沖GMAW 低熱輸入情況下的焊縫成形質(zhì)量.

(2) 光絲間距對激光掃描調(diào)控成形效果有重要影響，隨著光絲間距的增加，焊縫寬度先增加后減小，同時(shí)抑制駝峰缺陷的程度先增強(qiáng)后變?nèi)?

(3) 激光掃描功率對焊縫寬度的調(diào)節(jié)作用存在一個(gè)閾值，超過此閾值后不能進(jìn)一步增大熔寬；激光擺動幅度大于原生熔池寬度時(shí)，對于提升全焊縫長度上的熔寬一致性效果顯著，同時(shí)通過改變激光擺動幅度可以在一定范圍內(nèi)較精確的控制焊縫寬度.