【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 有部分的反射與散射的效果，激光功率過小會(huì)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(dāng)。表31為本組實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)。 表31激光功率對(duì)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(fù)合焊中激光對(duì)熔滴的影響主要由于激光光致等離子體形成時(shí)，相比于電弧焊其光致等離子體中的電子密度變大，可達(dá)到1017~1020/cm3，導(dǎo)致電弧弧根特性改變。在復(fù)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(xì)化，促進(jìn)了熔滴的過渡。 :YAG激光MAG電弧復(fù)合焊一個(gè)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(jìn)入熔池。從圖中可以看出，雖然復(fù)合焊熔滴過渡基本為射滴過渡，這由于YAG激光波長(zhǎng)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(duì)應(yīng)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(zhuǎn)變。這表明，當(dāng)激光功率較小時(shí)，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(dāng)激光功率提高到一定值時(shí)，激光匙孔形成，匙孔中噴發(fā)出的金屬蒸汽作用力方向?yàn)樨Q直向上，阻礙了熔滴的細(xì)化。而且當(dāng)激光功率較高時(shí)激光光致等離子體對(duì)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(dǎo)致促進(jìn)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(zhǎng)大時(shí)間增加，直徑增大，發(fā)生顆粒過渡，導(dǎo)致熔滴過渡周期變長(zhǎng)。（a） （b）2kW （c） （d）3kW （e） 圖 ：YAGMAG激光電弧復(fù)合焊的熔滴過度形態(tài) ：YAG激光MAG電弧復(fù)合焊不同功率下熔滴過渡頻率曲線。數(shù)據(jù)是由每個(gè)功率下各取5組單獨(dú)完整的熔滴過渡再取平均值計(jì)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(shí)激光能量的提高，激光匙孔中產(chǎn)生的金屬蒸氣較多對(duì)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(duì)熔滴的吸引力，導(dǎo)致熔滴過渡困難。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此復(fù)合焊中熔滴過渡頻率較快，這是由于激光器波長(zhǎng)造成的YAG激光波長(zhǎng)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(duì)熔滴過渡阻礙較少導(dǎo)致了熔滴過渡頻率較快。也對(duì)應(yīng)了高速攝像照片的特點(diǎn)過渡形式基本為射滴過渡。圖 激光功率對(duì)熔滴過渡頻率的影響 焊接電流對(duì)熔滴過渡規(guī)律的影響 焊接電流是激光電弧復(fù)合焊接中最重要的參數(shù)之一，對(duì)焊縫的熔寬與焊縫形貌有這主要的影響，同時(shí)也對(duì)復(fù)合焊接中熔滴過渡規(guī)律與焊接電流、電弧電壓的電信號(hào)穩(wěn)定有較大影響，因此在線能量匹配中要控制恰當(dāng)。在Nd：YAGMAG激光電弧復(fù)合焊中電弧會(huì)對(duì)激光有部分的反射與散射的效果，因此，焊接電流的大小會(huì)影響激光能量的傳輸。同樣試驗(yàn)中同軸保護(hù)氣體沒有采用，本組實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)如表32所示。 表32焊接電流對(duì)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(duì)熔滴過渡的影響主要體現(xiàn)在，電流改變時(shí)電弧軸向壓力改變，熔滴在焊絲底端成型時(shí)間改變。：YAG激光MAG電弧復(fù)合焊一個(gè)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(jìn)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(xì)小，當(dāng)焊接電流低于180A時(shí)熔滴為顆粒過渡，當(dāng)其等于或高于180A時(shí)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(shí)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(yùn)動(dòng)，因此產(chǎn)生對(duì)熔滴向上較大的推力阻礙熔滴與焊絲底端分離，導(dǎo)致熔滴過渡周期較長(zhǎng)。而當(dāng)焊接電流增加到一定值時(shí)，電子流力加強(qiáng)，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(dǎo)致其直徑減小、細(xì)化明顯，熔滴過渡形式也由顆粒過渡逐漸向射滴過渡轉(zhuǎn)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(fù)合焊的熔滴過度形態(tài) ：YAG激光MAG電弧復(fù)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(gè)功率下各取5組單獨(dú)完整的熔滴過渡再取平均值計(jì)算而來。從圖中可以看出，當(dāng)焊接電流低于160A時(shí)熔滴過渡頻率很低在100Hz以下說明此時(shí)能量匹配中電弧能量過低不能正常燃弧，當(dāng)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明當(dāng)焊接電流達(dá)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(dǎo)致其過渡頻率加快，說明此時(shí)焊接過程穩(wěn)定焊接線能量配比合理。 焊接電流對(duì)熔滴過渡頻率的影響 電弧電壓對(duì)熔滴過渡規(guī)律的影響電弧電壓是激光電弧復(fù)合焊接中最重要的參數(shù)之一，是指從焊槍導(dǎo)電嘴到材料表面之間的電壓對(duì)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(dāng)，隨著電弧電壓提高，電弧長(zhǎng)度隨之增加。在Nd：YAGMAG激光電弧復(fù)合焊中電弧電壓匹配不合理也會(huì)影響熔滴過渡穩(wěn)定，短路過渡增多，導(dǎo)致熔滴顆粒大飛濺增多。試驗(yàn)中同樣同軸保護(hù)氣體沒有采用，表33為本組實(shí)驗(yàn)的主要參數(shù)。表33電流電壓對(duì)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(duì)熔滴過渡影響主要是由于，電壓改變時(shí)弧柱直徑改變，熔滴表面張力改變。：YAG激光MAG電弧復(fù)合焊一個(gè)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(jìn)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(xì)小，在電弧電壓為20V、22V時(shí)，電弧線能量熱輸入過低，影響電弧正常燃燒起弧受阻，導(dǎo)致熔滴過大且與熔池直接接觸，造成短路過渡，這也對(duì)應(yīng)了其焊縫表面照片表面飛濺較多。當(dāng)電弧電壓達(dá)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(dòng)，熔滴直徑變小有變?yōu)檎ｎw粒過渡的趨勢(shì)，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(zhuǎn)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(fù)合焊的熔滴過度形態(tài) ：YAG激光MAG電弧復(fù)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(gè)功率下各取5組單獨(dú)完整的熔滴過渡再取平均值計(jì)算而來。從曲線可以看出，當(dāng)電弧電壓U≤24V時(shí)熔滴過渡頻率很低在U=24V時(shí)也只有130Hz，說明此時(shí)電弧電壓過低，熔滴過渡短路過渡較多，這也對(duì)應(yīng)了其高速攝像圖片。當(dāng)電弧電壓達(dá)到26V時(shí)熔滴過渡頻率最高達(dá)到390Hz左右，說明此時(shí)，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(xì)化明顯，熔滴過渡形式也由顆粒過渡進(jìn)一步變?yōu)樯涞芜^渡。而當(dāng)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(shí)電弧能量再度升高，等離子云密度過強(qiáng)，材料預(yù)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(dǎo)致熔滴過渡頻率下降。 電弧電壓對(duì)熔滴過渡頻率的影響 本章小結(jié) （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??；在其功率較小時(shí)容易出現(xiàn)短路過渡波形圖不穩(wěn)定。I=180A，U=26V時(shí)效果最好 （3）電流越大熔滴越細(xì)小，當(dāng)電流增加到一定值時(shí)，熔滴直徑減小、細(xì)化明顯，熔滴過渡形式也由顆粒過渡逐漸向射滴過渡轉(zhuǎn)變。  第四章 CO2激光對(duì)激光電弧復(fù)合焊接等離子體特征的影響本章利用CO2激光器和MAG焊機(jī)對(duì)高強(qiáng)鋼材料進(jìn)行了復(fù)合焊接試驗(yàn)，主要研究了激光功率與電弧功率的匹配、保護(hù)氣體對(duì)熔滴過渡的影響，從而尋求復(fù)合焊接中最合適的匹配參數(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)合焊接的優(yōu)化。 激光功率與電弧功率不同匹配對(duì)焊縫成形的影響在激光電弧復(fù)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(duì)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(duì)焊縫熔寬影響較大。電弧電壓對(duì)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(shí)，兩熱源的耦合效果差異很大，對(duì)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(gè)比較合理的匹配范圍，才能取得最佳焊接工藝。本組試驗(yàn)主要分為三組試驗(yàn)，研究激光功率同電弧電流及電壓不同匹配時(shí)對(duì)復(fù)合焊接的影響，并結(jié)合高速攝像機(jī)拍攝的熔滴過渡圖像進(jìn)行分析，優(yōu)化出較理想的工藝參數(shù)范圍。試驗(yàn)工藝參數(shù)如下表所示：表41 激光功率對(duì)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(hù)氣體30%He+70%Ar。電弧保護(hù)氣體20%CO2+80%Ar，流量16L/min。，在I=160A,U=25V時(shí)，焊縫表面均有不同程度的飛濺導(dǎo)致的焊瘤。，焊縫表面飛濺更加嚴(yán)重，同時(shí)焊縫形狀極不均勻，存在咬邊缺陷；，焊縫表面飛濺仍然嚴(yán)重，但焊縫表面形狀有所改善，咬邊缺陷減少。飛濺嚴(yán)重因?yàn)榇藭r(shí)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(gè)原因，熔池的冶金反應(yīng)也是產(chǎn)生飛濺的一個(gè)重要原因，由于保護(hù)氣體有CO2，CO2具有氧化性，高溫時(shí)進(jìn)行分解，產(chǎn)物為CO和O2，這樣熔滴和熔池中的碳將會(huì)被氧化成CO，在高溫情況下CO膨脹引起爆破，也會(huì)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(dāng)功率增大時(shí)，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(shí)焊趾處有咬邊缺陷。 I=160A,U=25V時(shí)，激光功率變化對(duì)焊縫形貌的影響 短路過渡時(shí)因飛濺形成的焊瘤，在I=180A，U=26V時(shí)，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(yàn)更加平滑、均勻，但在激光功率較低時(shí)，焊縫均勻程度不如激光功率較高時(shí)，這主要因?yàn)楦吖β始す夥€(wěn)弧能力比低功率時(shí)更強(qiáng)。從表面形貌看，此時(shí)焊接效果較第一組試驗(yàn)好。從熔滴過渡圖像看，此時(shí)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(shí)（），激光與電弧耦合情況不理想，電弧對(duì)激光產(chǎn)生了屏蔽。，耦合情況有明顯好轉(zhuǎn)。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(shí)熔滴在等離子體力等作用下產(chǎn)生擺動(dòng)所至。 I=180A,U=26V時(shí)，激光功率變化對(duì)焊縫形貌的影響，在I=200A，U=2