1 引言

激光-电弧复合焊接是将激光能量和电弧能量耦合在一起的复合加工技术,具有高的焊接质量和焊接效率,克服了单独激光、电弧焊接时热源输入不稳定、焊接裂纹和熔深小的缺点^[1-4]。目前,激光-熔化极惰性气体保护焊/熔化极活性气体保护焊(MIG/MAG)复合焊接技术在各生产制造领域被广泛地研究与应用^[5]。与单热源焊接相比,复合焊接包含更多的工艺参数。焊接工艺参数的选取会直接影响熔池的流动特性,而熔池的流动行为也会对熔池的传热特性及溶质元素分布产生很大影响,对焊缝成形、结构强度及应力状态亦有重要影响^[6-7]。因此,对激光-电弧复合焊接熔池流动行为开展研究,有助于理解复合焊接缺陷产生的机理,亦有助于控制焊接质量,具有较高的研究价值。赵琳等^[8]研究了保护气体中O₂对激光-电弧复合焊接过程中熔池流动行为的影响,结果发现,保护气体中O₂的含量对熔池流动具有明显作用:当O₂的体积分数大于等于2%时,Marangoni 对流方向由外向流动变为内向流动,从而促进熔池的整体流动,使焊缝溶质元素的分布更加均匀。刘双宇等^[9]运用高速摄像机和扫描电子显微镜分析了激光-电弧复合焊接过程中熔池形成过程与熔池内溶质元素分布的关系,结果表明,光丝距是引起溶池流动特征变化的决定性因素,当光丝距为3 mm时,焊缝成形最好,溶质元素分布得最均匀。刘西洋等^[10]以304不锈钢为研究对象,借助高速相机记录了光丝距对激光-电弧复合焊接过程中熔池形貌的影响,结果表明:光丝距决定了激光能量与电弧能量的耦合程度,当光丝距为3 mm时,焊接熔池的形貌和飞溅现象得到改善。马国龙等^[11]对比研究了单/双光束激光焊接过程中的熔池形态和焊缝形貌,结果表明,单/双光束激光焊接具有不同的熔池形态演变过程,两激光热源间距是影响熔池流动行为的关键因素,双激光束间的相互作用加强了熔体流动,促进了焊缝的良好成形。

低合金高强钢是在非合金钢的基础上加入微量合金元素而形成的钢,该钢具有高的强度、耐腐蚀性能,被广泛应用于航空、航海及汽车工业等生产制造领域。然而,目前国内外研究人员对高强钢激光-电弧复合焊接技术的研究仍相对较少,尤其是关于复合焊接熔池流动行为的研究更少。针对这一情况,为深入研究激光-MAG复合焊接熔池表面流动行为,本文以6 mm厚HG785D低合金高强钢为研究对象,选用高熔点、低密度的ZrO₂颗粒作为示踪粒子,采用高速相机记录示踪粒子在复合焊接熔池中的运动轨迹,研究光丝距对熔池流动行为及焊缝形貌的影响规律。

2 试验方法

焊接设备采用德国Trumpf公司生产的HL4006D型Nd∶YAG激光器、松下Panasonic YD-350AG2HGE型MIG/MAG焊机与KUKA机器人组成的旁轴复合焊接系统。试验材料为150 mm×50 mm×6 mm的HG785D低合金高强钢,在焊接前对其进行机械打磨并用丙酮擦拭,以去除其表面的氧化层和油污。填充材料采用牌号为HCr20Ni10Mn7Mo的奥氏体不锈钢焊丝,直径为1.2 mm。母材及焊丝的主要化学成分如表1所示。采用型号为CMOS-CR5000×2的高速相机拍摄熔池的流动特征,频率为4000 frame/s。为方便拍摄到连续的熔池形貌,焊接过程中复合焊枪与高速相机的位置被固定,高强钢被固定于数控工作台上作匀速运动。采用电弧在前、激光在后的焊接方式,焊枪保护气体为5%二氧化碳气体+95%氩气,后置保护气体选择纯度为99.99%的氩气。焊接示意图如图1所示。

图 1. 激光-电弧复合焊接示意图

Fig. 1. Schematic of laser-GMAW hybrid welding

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图 2. 高强钢激光-电弧复合焊接熔池的表面形貌(D_LA=1 mm)。(a) t=0 ms;(b) t=5 ms;(c) t=10 ms;(d) t=15 ms;(e) t=20 ms;(f) t=25 ms;(g) t=30 ms;(h) t=35 ms;(i) t=40 ms;(j)示踪粒子轨迹

Fig. 2. Surface morphology of molten pool during laser-GMAW hybrid welding of high strength steel (D_LA=1 mm). (a) t=0 ms; (b) t=5 ms; (c) t=10 ms; (d) t=15 ms; (e) t=20 ms; (f) t=25 ms; (g) t=30 ms; (h) t=35 ms; (i) t=40 ms; (j) trajectory of tracer particle

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在焊接路径轴线一侧1.5 mm处钻孔填埋ZrO₂颗粒(直径约为0.8 mm)。放置ZrO₂颗粒的孔直径为1.5 mm,深度为2.0 mm,间隔为25 mm。通过高速摄像技术,观察示踪粒子ZrO₂颗粒在熔池表面的运动轨迹,以获得复合焊接熔池表面的流动方向。试验过程中的具体工艺参数如表2所示。

3 试验结果与分析

3.1 激光-电弧复合焊接熔池表面的流动行为

图2所示为光丝距为1 mm时,高速相机拍摄获取的熔池表面形貌,可见:在高强钢激光-电弧复合焊接过程中,激光匙孔的位置存在较为明显的波动;示踪粒子绕着电弧作用区流动至后侧,然后沿熔

图 3. 高强钢激光-电弧复合焊接熔池的表面形貌(D_LA=3 mm)。(a) t=0 ms;(b) t=5 ms;(c) t=10 ms;(d) t=15 ms;(e) t=20 ms;(f) t=25 ms;(g) t=30 ms;(h) t=35 ms;(i) t=55 ms;(j) t=75 ms;(k) t=95 ms;(l) t=100 ms;(m) t=105 ms;(n) t=110 ms;(o) t=115 ms;(p)示踪粒子轨迹

Fig. 3. Surface morphology of molten pool during laser-GMAW hybrid welding of high strength steel (D_LA=3 mm). (a) t=0 ms; (b) t=5 ms; (c) t=10 ms; (d) t=15 ms; (e) t=20 ms; (f) t=25 ms; (g) t=30 ms; (h) t=35 ms; (i) t=55 ms; (j) t=75 ms; (k) t=95 ms; (l) t=100 ms; (m) t=105 ms; (n) t=110 ms; (o) t=115 ms; (p) trajectory of tracer particles

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池中轴线向熔池后方运动。示踪粒子的运动轨迹及激光匙孔的漂移位置具体如图2(j)所示。这主要是由于当激光和电弧距离较近时,电弧等离子体会对激光产生吸收、散射和折射现象,又由于电弧等离子体处于一种十分不稳定的状态,从而使得激光束在工件表面的位置发生漂移,故表现为匙孔在焊接熔池中的位置发生波动^[12]。

此外,从图2(j)中还可以发现,匙孔上下移动的范围大于其左右移动的范围。这主要是由于除了等离子体对激光束位置产生影响外,焊接熔池液面的高低起伏也会反映为匙孔的上下移动。因此,在图片上显示为匙孔上下移动的范围大于其左右移动的范围。

当其他参数不变,光丝距增加到3 mm时,示踪粒子整体呈现出先顺时针运动而后逆时针运动的轨迹,此过程是较为典型的卡门涡街现象,如图3所示。事实上,在焊接过程中,增加光丝距就会弱化电弧等离子对激光束的影响。因此,在该条件下,高强钢激光-电弧复合焊接过程中激光匙孔的位置相对稳定,且位于电弧作用区的外侧。然而,电弧后侧的流体在经过匙孔时,类似于层流液体绕过一个圆柱体,且由于钢液具有较大的黏度,在绕过匙孔区域时会产生摩擦损耗,流速会有所降低,示踪粒子在顺时针运动的结束端出现了一个缓慢运动区域,从而会在匙孔后方形成漩涡。故而,示踪粒子先是绕着焊接匙孔向熔池后方运动,然后折返回来向焊接匙孔方向运动,具体运动轨迹如图3(p)所示。

由图4可见,当光丝距增加到5 mm时,在激光-电弧复合焊接过程中,匙孔位置未发生类似于光丝距为1 mm时的漂移现象。此外,通过观察示踪粒子2、3在熔池中的运动轨迹可以发现,在电弧作用区与激光匙孔中间存在一个低温区域,当示踪粒子的体积较小时可以很容易地穿过该区域(见示踪粒子2的运动轨迹),当示踪粒子体积略微大一点时则很难通过该区域(见示踪粒子3的运动轨迹)。观察30 ms时刻的照片很容易发现,示踪粒子3之所以最终能够穿过该区域主要是电弧在那一瞬间发生了短路过渡,对整个熔池形成了一个较大的冲击力。图4(m)为上述过程中示踪粒子的具体运动轨迹,观察示踪粒子3的运动轨迹不难发现,该示踪粒子在电弧作用区与焊接匙孔间的某一区域出现了停滞现象。同时,由于相机视场的原因,在光丝距为5 mm时,焊接匙孔在照片的右侧边缘位置,故在该光丝距条件下,未看到如光丝距3 mm时出现的漩涡现象。

图 4. 高强钢激光-电弧复合焊接熔池的表面形貌(D_LA=5 mm)。(a) t=0 ms;(b) t=5 ms;(c) t=10 ms;(d) t=15 ms;(e) t=20 ms;(f) t=25 ms;(g) t=30 ms;(h) t=35 ms;(i) t=40 ms;(j) t=45 ms;(k) t=50 ms;(l) t=55 ms;(m)示踪粒子轨迹

Fig. 4. Surface morphology of molten pool in laser-GMAW hybrid welding of high strength steel(D_LA=5 mm). (a) t=0 ms; (b) t=5 ms; (c) t=10 ms; (d) t=15 ms; (e) t=20 ms; (f) t=25 ms; (g) t=30 ms; (h) t=35 ms;(i) t=40 ms; (j) t=45 ms; (k) t=50 ms; (l) t=55 ms; (m) trajectory of tracer particle

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综合上述不同光丝距条件下的激光-电弧复合焊接熔池表面示踪粒子的流动现象可以发现:当光丝距较小时,电弧对激光的吸收、散射、折射等现象明显,出现了较为显著的匙孔位置漂移和电弧等离子体积膨胀现象,从而使得电弧作用区面积增加,示踪粒子绕着该区域向熔池后方流动,如图5(a)所示;随着光丝距增加,电弧对激光的作用减弱,电弧作用区的面积比光丝距为1 mm时有所减小,使得焊接匙孔位于电弧作用区的边缘,匙孔后方区域不再受电弧压力的影响,绕过电弧作用区的熔体流经匙孔时发生反向旋转,从而出现了卡门涡街现象,如图5(b)所示;当光丝距为5 mm时,电弧对激光的作用几乎消失,此时的激光匙孔位置不再发生漂移,且在电弧作用区与焊接匙孔区之间出现了一个较为明显的低温带,导致较大粒径的示踪粒子在该区域难以通过,从而出现了停滞现象,如图5(c)所示。

图 5. 示踪粒子在各作用力下的运动轨迹示意图。(a) D_LA=1 mm;(b) D_LA=3 mm;(c) D_LA=5 mm

Fig. 5. Schematics of the trajectory of tracer particles at various forces.(a) D_LA=1 mm; (b) D_LA=3 mm; (c) D_LA=5 mm

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3.2 光丝距对熔池表面示踪粒子流动距离的影响

为进一步研究熔池表面的流动行为,对不同光丝距下示踪粒子的流动距离进行对比分析,测量方法如图6所示,即测量示踪粒子在焊接前后的水平位移L。

图 6. 测量示踪粒子流动距离的示意图

Fig. 6. Schematic for measuring the flow distance of a tracer particle

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图 7. 光丝距对示踪粒子流动距离的影响

Fig. 7. Effect of laser-arc distance on flow distance of tracer particle

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图 8. 光丝距对熔滴过渡周期的影响

Fig. 8. Effect of laser-arc distance on transition period of droplets

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图7所示为高强钢激光-电弧复合焊接时,光丝距对熔池表面示踪粒子流动距离的影响,可见:在光丝距由1 mm增加到2 mm的阶段,示踪粒子流动距离的变化相对较大;在其余阶段显示,光丝距对焊接熔池表面示踪粒子运动距离的影响较小。由于示踪粒子的流动距离主要由示踪粒子的流动速度和熔池的液相停留时间决定,而示踪粒子的流动速度受熔滴进入溶池一瞬间所形成的冲击力的影响较大,因此,从熔滴过渡频率和熔池的液相停留时间两个方面来分析光丝距对示踪粒子流动距离的影响原理。图8所示为光丝距对高强钢激光-电弧复合焊接过程中熔滴过渡周期影响结果的非线性拟合曲线,可见:随着光丝距由1 mm增加到2 mm,熔滴过渡周期由9.2 ms降至5 ms左右,变化较为明显;当光丝距为2~5 mm时,熔滴过渡周期始终在5 ms左右。

为进一步研究熔池的变化特征,利用SYSWELD焊接仿真软件,并借助前期开发的旋转组合体热源模型和有限元网格模型对高强钢复合焊接过程中熔池的温度场进行仿真计算^[13],获得了如图9(a)所示的不同光丝距下激光-电弧复合焊接过

程的热循环曲线。图9(b)为高强钢液相阶段的局部放大图,可以发现:光丝距为3 mm和5 mm时,熔池液相停留时间的改变并不显著;当光丝距为5 mm时,热循环曲线出现了温度先上升后下降再上升又下降的现象,可以说明在两热源间出现了一个温度相对较低的低温带,这与前面光丝距为5 mm时高速相机拍摄到的结果一致,如图4所示。综合液相停留时间和熔滴过渡周期随光丝距的变化规律可以发现:除了光丝距由1 mm增加到2 mm时,熔池表面示踪粒子流动距离出现显著增加外,其他条件下的变化不显著。

图 9. 仿真得到的不同光丝距下激光-电弧复合焊接的热循环曲线。(a)全图;(b)局部放大图

Fig. 9. Simulated thermal cycle curves of laser-GMAW hybrid welding at different laser-arc distances. (a) Whole view; (b) partial view

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3.3 光丝距对焊缝成形的影响

图10为不同光丝距下高强钢激光-电弧复合焊接焊缝的形貌,可见:当光丝距为1 mm时,焊缝底部存在气孔缺陷。这是因为两热源距离过近时,电弧等离子体对激光的散射、折射和吸收作用强烈,致使匙孔位置出现漂移,如图2(j)所示,大大增加了匙孔坍塌的风险,因此会在底部形成工艺性气孔^[14-16]。当光丝距为3 mm时,此时激光能量与电弧能量达到最佳的耦合效果,一方面激光等离子体为电弧提供了良好的导电通道,减小了弧柱的电阻,降低了场强,将电弧压向匙孔,提高了电弧的稳定性^[17];另一方面电弧对激光等离子体具有一定的稀释作用,减小了等离子体对激光的影响,匙孔的稳定性得到增强,且熔池内出现卡门涡街现象,熔体的流动性提高,焊缝成形良好。当光丝距增加至5 mm时,过大的热源间距使光致等离子体与电弧等离子体逐渐分离,此时两热源间的相互作用减弱,激光束作用于已冷却的熔池中,工件表面对激光的吸收率降低,致使焊缝熔深显著减小^[18]。

图 10. 不同光丝距下激光-电弧复合焊接的焊缝形貌。(a) D_LA=1 mm;(b) D_LA=3 mm;(c) D_LA=5 mm

Fig. 10. Laser-GMAW hybrid welding seam morphology at different laser-arc distances. (a) D_LA=1 mm; (b) D_LA=3 mm; (c) D_LA=5 mm

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4 结论

在高强钢激光-电弧复合焊接中,光丝距的改变对焊接熔池流动特征及焊缝成形等具有重要影响。当光丝距为1 mm时,由于激光束与电弧位置太近,电弧对激光的散射、折射和吸收作用强烈,使得激光匙孔位置波动较大,导致匙孔很容易发生闭合,焊缝底部存在明显的气孔缺陷。当光丝距为3 mm时,激光能量与电弧能量达到最佳的耦合效果,激光匙孔较为稳定,在熔池表面出现了典型的卡门涡街现象,熔体流动性较强,焊缝成形良好,焊接熔深较深。当光丝距为5 mm时,在电弧作用区与激光匙孔之间存在明显的低温区域,小颗粒示踪粒子能够顺利通过,但大颗粒示踪粒子只有在电弧发生短路过渡时才能通过该低温区。同时,该低温区的存在也证明了在该光丝距下激光与电弧两热源间的耦合效率下降,焊接熔深明显减小。