1 引言

激光及其复合焊技术具有能量密度高、焊接热输入小、焊缝成形与性能良好、焊接效率高等特点,被广泛应用于航天航空、汽车、造船以及石油管线等领域。从热源看,激光-电弧复合焊的研究主要集中在激光与非熔化极稀有气体保护电弧(TIG)或熔化极活性气体保护电弧(GMA)的复合;从应用看,主要集中在中、厚板的焊接^[1-2]。相对于TIG,熔化极稀有气体保护电弧(MIG)具有送丝功能,可以改善焊缝成形和冶金性能,提高焊缝装配适应性,而冷金属过渡焊接技术(CMT)在MIG基础上发展而来,具有热输入小、电弧更稳定、无飞溅等优点^[3-4]。因此,激光-CMT复合焊可能是一种更适用于薄板焊接的方法^[5]。

复合焊的研究主要集中于激光-MIG复合焊^[6-7],而有关激光-CMT复合焊的研究鲜有报道。Lamas等^[8]研究发现,虽然激光-CMT复合焊的热输入小于激光-MAG复合焊的,填充量也较少,但其得到的焊缝更稳定。Frostevarg等^[9]研究发现,CMT电弧通过功率调制和送丝控制,热输入量小于脉冲MIG和标准MIG电弧的,飞溅量显著减少,热影响区范围也更小。雷振等^[10-11]研究发现,激光与CMT复合后,原本不稳定的CMT焊接过程变得更加稳定,并且焊缝成形得到改善,激光-CMT复合焊的热输入量明显减小。高明等^[12-13]认为,激光-CMT复合焊的低热输入量不仅细化了AA6061铝合金对接接头的等轴晶,而且抑制了柱状晶的生成。

激光使得激光-CMT复合焊的熔滴过渡行为发生了改变,但目前的研究主要集中于工艺优化、组织及力学性能分析等方面,而针对激光-CMT熔滴过渡行为的研究鲜有报道。本文采用平板堆焊的方式,进行了激光-CMT复合焊试验,研究了焊接过程中熔滴过渡行为的变化,分析了不同波长的激光对熔滴过渡行为的影响,为激光-CMT复合焊技术的应用提供了试验依据。

2 试验材料及方法

以S355J2W+N耐候钢为母材进行焊接试验,试件尺寸为300 mm×200 mm×6 mm,碳的质量分数约为0.07%,属于低碳低合金钢,焊接性能较好。焊丝采用直径为1.2 mm的BÖHLER NiCu 1-IG焊丝,母材及焊丝的化学成分见表1。焊前需对试件表面进行适当的切削加工、清洗。

激光-CMT焊接系统包括:美国IPG公司生产的YLS-5000型光纤激光器,激光波长为1070~1080 nm,最小光斑直径为0.36 mm;德国Rofin公司生产的DC030型CO₂激光器,激光波长为10.6 μm,最大输出功率P为3000 W,最小聚焦直径为0.2 mm,并配合计算机数字化控制实现多自由度的焊接;奥地利Fronius公司生产的CMT2700型CMT焊机,最大焊接电流为270 A。同时,德国Optronis公司生产的CR5000型高速摄像机对焊接过程进行拍摄,采集熔滴过渡过程的图像特征。

图 1. 激光-CMT复合焊。(a)装置;(b)示意图

Fig. 1. Laser-CMT hybrid welding. (a) Equipment; (b) schematic

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激光-CMT复合焊的装置及示意图如图1所示。激光倾角α为80°,焊枪角度β为45°,光丝间距D约为1.5 mm。选择熔滴投影面积、熔滴过渡频率作为熔滴过渡行为的主要表征参数。CMT为短路过渡,熔滴随电流的增大呈不同的形态变化,因此,以其在拍摄平面上的投影面积表征其体积变化,测量时刻为其接近熔池但并未过渡且呈规则形态的某一时刻。熔滴投影面积测量示意图如图2所示,其中白色区域为熔滴面积。运用软件测量图像电弧区域的亮度即灰度值变化,统计时间为2 s,共10000 frame。熔滴平均过渡频率的计算公式为

f=N2,(1)

式中N为过渡的熔滴个数;f为平均过渡频率。

图 2. 熔滴投影面积测量示意图

Fig. 2. Schematic of projection area measurement of droplet

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3 试验结果与讨论

3.1 激光-CMT复合焊接特性

不同焊接方法下的焊缝表面形貌如图3所示。可以看出,激光-CMT复合焊的过程比CMT焊接更加稳定、可靠。当电流I为40 A时,激光-CMT复合焊中的激光促进了稳定连续的熔池形成,使得焊缝从不连续变为连续,并且熔宽明显增大;当电流为80 A时,激光-CMT复合焊中的激光使焊缝余高减小,熔宽增大,焊缝出现明显的铺展现象。不同焊接方法下的焊缝横截面如图4所示。通过测量可知,激光-CMT复合焊的熔深比单激光焊接的增大了9.6%,熔宽比CMT 焊接的增大了49.2%,表面余高比CMT 焊接的减小了22.9%。

图 3. 不同焊接方法下的焊缝表面形貌。(a) I=40 A,P=1500 W;(b) I=80 A,P=1500 W

Fig. 3. Weld surface morphologies under different welding methods. (a) I=40 A, P=1500 W; (b) I=80 A, P=1500 W

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图 4. 不同焊接方法下的焊缝横截面。(a)单激光;(b) CMT;(c)激光-CMT

Fig. 4. Weld cross sections under different welding methods. (a) Laser; (b) CMT; (c) laser-CMT

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不同焊接方法下的熔滴过渡过程及相应的图像亮度曲线分别如图5、6所示。可以看出,CMT焊接的过渡位置在熔池前面,熔滴在母材表面的润湿性较差,无法铺展形成连续的熔池,导致焊缝成形不连续。焊丝直接撞击在母材上,缩短了焊丝送进至回抽的缓冲时间,但当熔池不连续且起伏较大时,起弧及收弧时均会产生明显的偏吹现象,电弧形态不稳定。当加入激光后,激光促使连续稳定的熔池的形成,保证了CMT过渡的稳定性,并且熔池向两侧润湿铺展、高度减小,过渡位置变为熔池中部,焊丝完成回抽缓冲的过程,导致短路时间略有增大;同时,能量输入的增大可能会使焊丝持续熔化为液态金属,液桥断开时间增大,因此,激光-CMT复合焊的过渡时间相对较长,最终过渡频率减小约9%。激光-CMT复合焊中的激光起到了吸引电弧的作用,使电弧方向偏转向激光方向,避免了电弧的偏吹,有利于电弧形态的扩张且形态更加稳定,电弧体积变化较小,图像亮度的平均峰值增大并趋于一致,熔深比单激光和CMT焊接都有所增大。不同焊接方法下的熔滴过渡周期分布如图7所示。可以看出,激光-CMT复合焊的熔滴过渡周期中位数与平均值都相对较高,表明其周期较慢,但其箱体范围(25%~75%)较小,说明分布更为集中。CMT焊接的过渡周期数据在内限(1.5IQR)外存在较多异常值,且距离箱体较远,相比激光-CMT复合焊过程更不稳定。

图 5. 不同焊接方法下的熔滴过渡过程。(a) CMT;(b)激光-CMT

Fig. 5. Droplet transition processes under different welding methods. (a) CMT; (b) laser-CMT

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图 6. 不同焊接方法下的熔滴过渡亮度曲线

Fig. 6. Brightness curves of droplet transition processes under different welding methods

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图 7. 不同焊接方法下的熔滴过渡周期分布

Fig. 7. Transfer period distribution of droplets under different welding methods

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图 8. 激光功率对激光-CMT复合焊熔滴过渡的影响

Fig. 8. Effect of laser power on droplet transition in laser-CMT welding process

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3.2 不同波长对激光-CMT复合焊接熔滴过渡行为的影响

不同波长激光对激光-CMT复合焊熔滴过渡行为的影响不同。短波长激光对熔滴体积的影响较小,但起到了促进熔滴过渡的作用;长波长激光功率较小时可促进熔滴过渡,而激光功率过大后会阻碍熔滴过渡。

激光功率对激光-CMT复合焊熔滴过渡的影响如图8所示。激光的加入使得熔池铺展,熔滴过渡频率增大。当激光功率较小时,激光等离子体的热作用较小,熔滴体积增大较小。当激光功率大于1500 W时,激光匙孔较稳定,等离子体喷发导致的热作用增强,熔滴体积增大,熔滴过渡频率减小。当激光功率增大到2500 W时,熔池形态改变且铺展的效果更好,不同激光功率下熔池的形态如图9所示,可以看到,激光的热作用十分显著,熔滴过渡频率平均减小了约5.7%。

图 9. 不同激光功率下熔池的形态。(a) 1500 W; (b) 2500 W

Fig. 9. Molten pool shapes under different laser powers. (a) 1500 W; (b) 2500 W

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图 10. 不同波长的激光功率对熔滴过渡的影响

Fig. 10. Effects of laser power on droplet transition under different laser wavelengths

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不同波长的激光功率对熔滴过渡的影响如图10所示。可以看出,光纤激光对熔滴体积的影响较小,熔滴投影面积约为1.2 mm²。CO₂激光在正交试验范围内的熔滴过渡频率呈无规律的波动,并且均值小于2%。光纤激光起到了加快熔滴过渡的作用,由于光纤激光的波长较短,因此,母材和熔池对光纤激光的吸收率较大;当光纤激光的功率为500 W时,热输入增加,熔池形态发生改变,进而熔滴过渡频率增大。而母材和熔池对CO₂激光的吸收率较小,且CO₂激光对激光功率、离焦量的变化较为敏感。因此,当CO₂激光的功率为500 W时,焊接过程中可能不产生匙孔,熔滴过渡频率没有改变。随着激光功率的增大,熔滴过渡频率迅速增大后趋于稳定,当激光功率大于1000 W时,使用光纤激光焊接的熔滴过渡频率平均增大约12%。光纤激光-CMT复合焊过程如图11所示。可以看出,使用光纤激光进行复合焊时,匙孔上方等离子体的体积明显减小,甚至看不到等离子体呈团状喷发,因此,其对熔滴的热作用小于CO₂激光的。

图 11. 光纤激光-CMT复合焊过程

Fig. 11. Fiber-laser-CMT hybrid welding process

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熔滴体积的变化主要受激光热作用的影响,等离子体和熔滴体积随着激光功率的增大而增大,表现为熔滴过渡频率受熔滴体积的影响并与其呈负相关。短波长激光的等离子体体积较小,对熔滴加热作用不明显,因此,短波长激光促进熔池铺展、增大熔滴过渡频率。不同波长激光的熔滴过渡频率随电流的变化如图12所示。光纤激光的加入一直增大熔滴过渡频率,而CO₂激光只有在电流为140 A时才起到促进过渡的作用。对于CO₂激光,当电弧电流为40 A时,激光形成熔池促使过渡加快的作用与使焊丝端头熔化导致过渡减慢的作用接近平衡,因此熔滴过渡频率基本一致;而当电弧电流增大后,稳定熔池的作用减弱,激光等离子体热作用使其频率减小,但随着电流逐渐增大,激光等离子体热作用占

比逐渐减小,阻碍熔滴过渡的作用减弱;当电弧电流达到140 A时,激光等离子体的热作用使得熔滴体积增大并且提前出现了颈缩现象,有时会导致熔滴在短路瞬间直接脱落,焊丝立即回抽并再次起弧,其间可能会伴有少量飞溅,这种状态介于短路过渡与滴状过渡之间,熔滴过渡加快。对于光纤激光,等离子体热作用的减弱对熔滴体积的影响较小,主要作用为熔池铺展作用,明显加快了熔滴过渡;当电流较大时,激光等离子体带来的加快作用呈逐渐减弱的趋势。当电弧电流为60 A时,熔滴过渡频率出现了较大的波动,这是因为其增大效果受到硬件条件的限制。

图 12. 不同波长激光的熔滴过渡频率变化率随电流的变化

Fig. 12. Change rate of transition frequency of droplet versus current under different laser wavelengths

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3.3 不同波长对激光-CMT复合焊接等离子体的影响

当激光功率为2000 W时,CO₂激光等离子体光谱测量数据如图13所示,在此基础上,采用玻尔兹曼图法进行了激光焊接等离子体温度的计算。

图 13. CO₂激光等离子体光谱测量数据

Fig. 13. Spectral measurement data of CO₂ laser plasma

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选取了FeⅠ谱线进行计算,根据采集到的光谱信息,避开部分交叉光谱,选取的谱线见表2,其中g_i为能级简并度,A_i为跃迁几率,E_i为跃迁能级间的能量。

利用玻尔兹曼法进行电子温度的计算。读取各个波长对应的强度峰值,计算各个波长λ对应的ln[I_iλ/(g_iA_i)],并以其为纵坐标,以E_i为横坐标,其中I_i为光谱强度,得到的等离子体玻尔兹曼图如图14所示。将图中各点进行直线拟合,得到直线的斜率就是-1/(kT_e),其中k为玻尔兹曼常数,T_e

为等离子体温度,R为决定系数,R²=0.4。因此,当CO₂激光功率为2000 W时,等离子体的温度约为5174 K。

图 14. 等离子体玻尔兹曼图

Fig. 14. Boltzmann graph of plasma

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不同波长激光等离子体的温度变化曲线如图15所示。可以看出,采用两种激光进行焊接时,等离子体温度均随激光功率的增大而增大,但温度并不相等。当激光功率较小时,光纤激光等离子体的温度较大;当激光功率大于1500 W时,CO₂激光产生的等离子体温度相对光纤激光的更高一些;当激光功率为2500 W时,两者温度差距达到1000 K以上。

图 15. 不同波长激光等离子体的温度变化

Fig. 15. Temperature change of laser plasma under different wavelengths

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当激光功率较大时,光纤激光在匙孔上方喷发出的等离子体电子密度小于CO₂激光的,这可能是因为光纤激光等离子体临界密度远大于CO₂激光的,光纤激光难以形成大量的等离子体,尤其是发生电子崩后,悬浮在匙孔表面的团状等离子体,其能量主要以金属蒸气喷发的形式逸出^[14-15]。当激光功率为2500 W时,不同波长激光匙孔喷发的高速摄像图如图16所示。可以看出,CO₂激光等离子体喷发剧烈,形成明显的团状等离子体,而光纤激光被母材吸收较多,喷发形式类似于气体喷发,未见到团状等离子体,因此其对熔滴的加热作用较小。

图 16. 不同波长激光匙孔喷发的高速摄像图。(a) CO₂激光;(b)光纤激光

Fig. 16. High speed camera shooting of keyhole eruption by lasers with different laser wavelengths. (a) CO₂ laser; (b) fiber laser

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4 结论

通过激光-CMT复合焊试验,研究了不同波长激光对熔滴过渡行为的影响,得出结论:激光-CMT复合焊的过程比CMT焊接过程更加稳定可靠,熔池稳定连续,电弧体积更加稳定,熔滴过渡周期分布更加集中。CO₂激光在激光功率较小时可促进熔滴过渡,光纤激光对熔滴体积的影响较小,增大了熔滴过渡频率。不同波长激光进行激光-CMT复合焊时,等离子体温度均随激光功率的增大而增大。