【文章內(nèi)容簡介】 有部分的反射與散射的效果，激光功率過小會影響熱源耦合影響激光匙孔的形成，因此在線能量匹配中與電弧功率比例要恰當。表31為本組實驗的主要參數(shù)。 表31激光功率對焊接質(zhì)量影響的工藝參數(shù)P（kW）Δf（mm）I（A）U（V）20%CO2+80%Ar（L/min）DLA (mm)V (m/min)1180261811802618118026181180261811802618 復合焊中激光對熔滴的影響主要由于激光光致等離子體形成時，相比于電弧焊其光致等離子體中的電子密度變大，可達到1017~1020/cm3，導致電弧弧根特性改變。在復合焊接中電弧被吸引到激光匙孔附近，由于激光匙孔很窄，因此電弧弧柱被壓縮，致使電弧能量更加集中。另外由于激光光致等離子體的熱輻射作用，使得熔滴的表面張力系數(shù)減小，可以使表面張力減小，從而更加有利于熔滴的細化，促進了熔滴的過渡。 :YAG激光MAG電弧復合焊一個周期內(nèi)的熔滴過度形態(tài)。其中第一張為熔滴開始形成，最后一張為熔滴進入熔池。從圖中可以看出，雖然復合焊熔滴過渡基本為射滴過渡，這由于YAG激光波長較短，更容易起到引弧、穩(wěn)弧的作用使激光的高溫離子云與電弧的低溫粒子云更容易相互作用，熔滴過渡中熔滴直徑較小比較穩(wěn)定。這也對應了其表面照片焊接中飛濺較少。但隨著激光能量的提高熔滴逐漸向顆粒過渡轉變。這表明，當激光功率較小時，激光主要起到穩(wěn)弧和壓縮電弧的作用，有助于熔滴的形成和過渡。當激光功率提高到一定值時，激光匙孔形成，匙孔中噴發(fā)出的金屬蒸汽作用力方向為豎直向上，阻礙了熔滴的細化。而且當激光功率較高時激光光致等離子體對電弧吸引，使得電磁收縮力方向由原來沿著焊絲的方向變?yōu)榕c焊絲有一定的夾角，導致促進熔滴過渡的等離子體流力在沿著焊絲方向的分力變小，熔滴過渡變的困難。使熔滴長大時間增加，直徑增大，發(fā)生顆粒過渡，導致熔滴過渡周期變長。（a） （b）2kW （c） （d）3kW （e） 圖 ：YAGMAG激光電弧復合焊的熔滴過度形態(tài) ：YAG激光MAG電弧復合焊不同功率下熔滴過渡頻率曲線。數(shù)據(jù)是由每個功率下各取5組單獨完整的熔滴過渡再取平均值計算而來。從圖中可以看出，熔滴過渡頻率隨著激光功率的增加隨之減小，而且熔滴過渡頻率變化跨度較大。熔滴頻率的變化主要是由于此時激光能量的提高，激光匙孔中產(chǎn)生的金屬蒸氣較多對熔滴向上的推力加大再加上光致等離子體密度提高增加了對熔滴的吸引力，導致熔滴過渡困難。實驗發(fā)現(xiàn)此復合焊中熔滴過渡頻率較快，這是由于激光器波長造成的YAG激光波長較短，大量的激光的能量傳遞到材料表面而且容易被材料吸收，使在激光產(chǎn)生的匙孔中噴發(fā)出的金屬蒸汽較少，故而對熔滴過渡阻礙較少導致了熔滴過渡頻率較快。也對應了高速攝像照片的特點過渡形式基本為射滴過渡。圖 激光功率對熔滴過渡頻率的影響 焊接電流對熔滴過渡規(guī)律的影響 焊接電流是激光電弧復合焊接中最重要的參數(shù)之一，對焊縫的熔寬與焊縫形貌有這主要的影響，同時也對復合焊接中熔滴過渡規(guī)律與焊接電流、電弧電壓的電信號穩(wěn)定有較大影響，因此在線能量匹配中要控制恰當。在Nd：YAGMAG激光電弧復合焊中電弧會對激光有部分的反射與散射的效果，因此，焊接電流的大小會影響激光能量的傳輸。同樣試驗中同軸保護氣體沒有采用，本組實驗的主要參數(shù)如表32所示。 表32焊接電流對焊接質(zhì)量影響的工藝參數(shù)P（kW）Δf（mm）I（A）U（V）20%CO2+80%Ar（L/min）DLA (mm)V (m/min)1120261811402618116026181180261812002618 焊接電流對熔滴過渡的影響主要體現(xiàn)在，電流改變時電弧軸向壓力改變，熔滴在焊絲底端成型時間改變。：YAG激光MAG電弧復合焊一個周期內(nèi)的熔滴過度形態(tài)。其中第一張為熔滴開始形成，最后一張為熔滴進入熔池。從圖中可以看出，隨著焊接電流的增加熔滴由顆粒過渡逐漸變?yōu)樯涞芜^渡，電流越大熔滴越細小，當焊接電流低于180A時熔滴為顆粒過渡，當其等于或高于180A時過渡形式完全變成射滴過渡。從焊縫表面照片也可以看出在焊接電流小時由于是顆粒過渡飛濺較多。這是由于能量配比中配比激光能量較大，激光匙孔中由于溫度較高產(chǎn)生出大量金屬蒸氣向上運動，因此產(chǎn)生對熔滴向上較大的推力阻礙熔滴與焊絲底端分離，導致熔滴過渡周期較長。而當焊接電流增加到一定值時，電子流力加強，等離子密度增加，電弧燃燒充分，熔滴的表面張力急劇減小，導致其直徑減小、細化明顯，熔滴過渡形式也由顆粒過渡逐漸向射滴過渡轉變。（a）120A（b）140A （c）160A （d）180A （e）200A 圖 不同焊接電流下Nd：YAGMAG激光電弧復合焊的熔滴過度形態(tài) ：YAG激光MAG電弧復合焊不同焊接電流下熔滴過渡頻率曲線。數(shù)據(jù)同樣是由每個功率下各取5組單獨完整的熔滴過渡再取平均值計算而來。從圖中可以看出，當焊接電流低于160A時熔滴過渡頻率很低在100Hz以下說明此時能量匹配中電弧能量過低不能正常燃弧，當焊接電流超過160A后熔滴過渡頻率增加的非?？霫=160A與I=180A頻率相差近300Hz。實驗數(shù)據(jù)表明當焊接電流達到180A后電弧等離子體更加活躍，電弧作用更加明顯減小了熔滴表面張力、直徑，導致其過渡頻率加快，說明此時焊接過程穩(wěn)定焊接線能量配比合理。 焊接電流對熔滴過渡頻率的影響 電弧電壓對熔滴過渡規(guī)律的影響電弧電壓是激光電弧復合焊接中最重要的參數(shù)之一，是指從焊槍導電嘴到材料表面之間的電壓對電弧燃燒的穩(wěn)定性有主要的影響。因此在線能量匹配中要控制恰當，隨著電弧電壓提高，電弧長度隨之增加。在Nd：YAGMAG激光電弧復合焊中電弧電壓匹配不合理也會影響熔滴過渡穩(wěn)定，短路過渡增多，導致熔滴顆粒大飛濺增多。試驗中同樣同軸保護氣體沒有采用，表33為本組實驗的主要參數(shù)。表33電流電壓對焊接質(zhì)量影響的工藝參數(shù)P（kW）Δf（mm）I（A）U（V）20%CO2+80%Ar（L/min）DLA (mm)V (m/min)1180201811802218118024181180261811802818 電弧電壓對熔滴過渡影響主要是由于，電壓改變時弧柱直徑改變，熔滴表面張力改變。：YAG激光MAG電弧復合焊一個周期內(nèi)的熔滴過度形態(tài)。同樣第一張為熔滴開始形成，最后一張為熔滴進入熔池。從圖中可以看出，隨著電弧電壓的增加熔滴由顆粒過渡逐漸變?yōu)樯涞芜^渡，電壓越大熔滴越細小，在電弧電壓為20V、22V時，電弧線能量熱輸入過低，影響電弧正常燃燒起弧受阻，導致熔滴過大且與熔池直接接觸，造成短路過渡，這也對應了其焊縫表面照片表面飛濺較多。當電弧電壓達到24V，兩種熱源相耦合效果提高，相互作用下增加等離子流動，熔滴直徑變小有變?yōu)檎ｎw粒過渡的趨勢，隨著電弧電壓的繼續(xù)提高，熱源耦合效果更好熔滴過渡也逐漸變成射滴過渡，焊接情況趨于穩(wěn)定，焊縫表面情況轉好。（a）20V （b）22V （c）24V （d）26V （e）28V 圖 不同電弧電壓下Nd：YAGMAG激光電弧復合焊的熔滴過度形態(tài) ：YAG激光MAG電弧復合焊不同電弧電壓下熔滴過渡頻率曲線。數(shù)據(jù)同樣是由每個功率下各取5組單獨完整的熔滴過渡再取平均值計算而來。從曲線可以看出，當電弧電壓U≤24V時熔滴過渡頻率很低在U=24V時也只有130Hz，說明此時電弧電壓過低，熔滴過渡短路過渡較多，這也對應了其高速攝像圖片。當電弧電壓達到26V時熔滴過渡頻率最高達到390Hz左右，說明此時，線能量匹配最好，兩種或熱源耦合，熔滴的表面張力急劇減小，熔滴細化明顯，熔滴過渡形式也由顆粒過渡進一步變?yōu)樯涞芜^渡。而當電弧電壓繼續(xù)增加熔滴過渡頻率曲線又下降到270Hz左右，這是由于此時電弧能量再度升高，等離子云密度過強，材料預熱溫度很高因此激光匙孔效果明顯，匙孔中金屬蒸汽大量向上噴出阻礙了熔滴過渡，導致熔滴過渡頻率下降。 電弧電壓對熔滴過渡頻率的影響 本章小結 （1）隨著激光能量的增加熔滴過渡頻率增加、熔滴變大。 （2）電弧功率越大熔滴過渡越穩(wěn)定，熔滴直徑越小；在其功率較小時容易出現(xiàn)短路過渡波形圖不穩(wěn)定。I=180A，U=26V時效果最好 （3）電流越大熔滴越細小，當電流增加到一定值時，熔滴直徑減小、細化明顯，熔滴過渡形式也由顆粒過渡逐漸向射滴過渡轉變。  第四章 CO2激光對激光電弧復合焊接等離子體特征的影響本章利用CO2激光器和MAG焊機對高強鋼材料進行了復合焊接試驗，主要研究了激光功率與電弧功率的匹配、保護氣體對熔滴過渡的影響，從而尋求復合焊接中最合適的匹配參數(shù)，實現(xiàn)對復合焊接的優(yōu)化。 激光功率與電弧功率不同匹配對焊縫成形的影響在激光電弧復合焊接中，激光功率與電弧功率是焊接中最重要的工藝參數(shù)，它們的變化對焊縫表面形貌、焊接熔寬及熔深影響很大。激光功率主要影響焊接熔深。電弧電流決定了送絲速度和熔敷金屬量，對焊縫熔寬影響較大。電弧電壓對電弧穩(wěn)定燃燒影響最大，激光功率同電弧電流和電壓不同匹配時，兩熱源的耦合效果差異很大，對焊縫形貌、熔滴過渡及焊接過程穩(wěn)定性影響很大，只有在一個比較合理的匹配范圍，才能取得最佳焊接工藝。本組試驗主要分為三組試驗，研究激光功率同電弧電流及電壓不同匹配時對復合焊接的影響，并結合高速攝像機拍攝的熔滴過渡圖像進行分析，優(yōu)化出較理想的工藝參數(shù)范圍。試驗工藝參數(shù)如下表所示：表41 激光功率對焊縫影響的工藝參數(shù)第一組第二組第三組P（kW）I（A） U（V）I（A）U（V）I（A）U（V） V (m/min)160251802620027160251802620027160251802620027160251802620027160251802620027160251802620027另外，其它焊接參數(shù)為光絲距0mm，離焦量1mm，激光保護氣體30%He+70%Ar。電弧保護氣體20%CO2+80%Ar，流量16L/min。，在I=160A,U=25V時，焊縫表面均有不同程度的飛濺導致的焊瘤。，焊縫表面飛濺更加嚴重，同時焊縫形狀極不均勻，存在咬邊缺陷；，焊縫表面飛濺仍然嚴重，但焊縫表面形狀有所改善，咬邊缺陷減少。飛濺嚴重因為此時電弧電流為160A，熔滴過渡方式屬于短路過渡，熔滴過渡不穩(wěn)定，易形成較大熔滴而后發(fā)生爆破，產(chǎn)生飛濺（）。但飛濺的產(chǎn)生不只這一個原因，熔池的冶金反應也是產(chǎn)生飛濺的一個重要原因，由于保護氣體有CO2，CO2具有氧化性，高溫時進行分解，產(chǎn)物為CO和O2，這樣熔滴和熔池中的碳將會被氧化成CO，在高溫情況下CO膨脹引起爆破，也會產(chǎn)生飛濺。從焊縫截面形貌看，焊縫有氣孔缺陷，焊趾處有咬邊缺陷，當功率增大時，氣孔、咬邊等缺陷消失，激光與電弧耦合狀態(tài)較好。，焊縫有堆積情況出現(xiàn)，同時焊趾處有咬邊缺陷。 I=160A,U=25V時，激光功率變化對焊縫形貌的影響 短路過渡時因飛濺形成的焊瘤，在I=180A，U=26V時，激光功率變化過程中，焊縫表面形貌較好，飛濺較少，焊縫相比第一組試驗更加平滑、均勻，但在激光功率較低時，焊縫均勻程度不如激光功率較高時，這主要因為高功率激光穩(wěn)弧能力比低功率時更強。從表面形貌看，此時焊接效果較第一組試驗好。從熔滴過渡圖像看，此時熔滴過渡屬于射滴過渡，過渡穩(wěn)定，熔滴大小均勻，焊接過程較穩(wěn)定。從截面形貌看，激光功率較小時（），激光與電弧耦合情況不理想，電弧對激光產(chǎn)生了屏蔽。，耦合情況有明顯好轉。在焊縫截面圖中可見電弧存在不同程度的偏移，這主要是熔滴過渡時熔滴在等離子體力等作用下產(chǎn)生擺動所至。 I=180A,U=26V時，激光功率變化對焊縫形貌的影響，在I=200A，U=2