激光-电弧复合焊接技术研究本科毕业论文.doc

编号 本科生毕业论文毕业论文中文题目the subject of graduation project学 生 姓 名 专 业机械设计制造及其自动化学 号 指 导 教 师 学 院 机电工程学院摘 要 本文在对激光-电弧复合焊接技术研究现状总结的基础上，对复合热源焊接技术进行了工艺基础及应用的研究。本文采用yag -mag激光电弧和co2激光器-mag焊机进行了复合焊接试验。试验中主要对激光功率、电弧功率及保护气体对熔滴过渡的影响进行了研究。结果表明：在一定的焊接工艺条件下，焊缝熔深主要由激光功率影响，焊缝熔宽主要由电弧功率影响。电弧对熔深影响不大，但电弧电流过大时，焊接熔深反而减小，主要是由于电流过大时熔滴过渡方式改变，等离子体和熔滴对激光产生屏蔽和阻碍，使激光能量减弱。实验数据表明：当激光功率为2.5kw，焊接电流为180a时较为理想；焊接速度在1.21.4m/min左右时，焊缝形貌较好，激光与电弧耦合效果最佳，焊缝成形系数较低，熔滴过渡、电信号波形稳定。 关键词：激光-电弧复合焊接 等离子体 熔滴过度 保护气体 abstract in this paper, on the basis of summarizing hybrid welding technique,a program of experimental work was undertaken to investigate the hybrid lasermag welding process and its application. this paper uses yag laser-mag and co2 laser and mag welding machine to do the hybrid welding test. the effects of laser power, arc voltage, arc current and shielding gas on bead profile and droplet transfer are studied. the results indicate that under certain conditions of welding, the arc power mainly affects the weld width, the laser power is the main effect of the composite weld penetration. arc current has little effect on the welding penetration, but the welding penetration decreaces when arc current is too large. because the plasma and droplet shield laser.laser power is 2.5kw, 180a is the required welding current; the welding speed at 1.21.4m / min, so the better appearance is visible. the laser and arc coupling effect is in the best state, weld reinforcement shape coefficient in stability, droplet transfer and the electrical signal are in stability. key words: laser-arc hybrid welding laser-induced plasma droplet transfer shielding gas 第1章 绪论 为了解决传统焊接中遇到的一系列问题，于20世纪80年代初期，英国学者w.m.steen 首先提出了激光与电弧复合焊接这一全新的焊接形式。但是受当时条件限制，这种技术并没有立刻引起广泛关注。近年来随着工业生产对焊接工艺的要求越来越高，各国学者再次将精力集中到激光-电弧复合焊接技术上来。激光-电弧复合焊接是将两种截然不同的热源复合在了一起，是两种热源相互影响，优势互补形成了一种更加高效地焊接方式。 激光焊接过程属于热传导型，即激光通过辐射加热工件表面，工件表面的热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的能量、宽度、峰值功率和重复频率等，使工件熔化，形成特定的熔池。激光-电弧复合焊接技术与单独的激光焊、电弧焊相比，具有高焊接速度、优化焊缝截面质量、力学性能，降低装配精度和成本等优势，因此被广泛的研究和应用。高功率co2及高功率yag激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域，获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接。 尽管激光-电弧复合焊接拥有诸多优点，但是其复合过程十分复杂，诸多参数都对焊缝质量造成影响，因而对两热源复合工艺的研究，将有助于我们获得更好的焊接效果。 1.1 课题的研究意义及主要内容激光-电弧复合焊接技术与单独的激光、电弧焊相比，具有提高焊接速度、桥接性能，增大焊接熔深，降低装配精度和成本等优势，因此被广泛的研究和应用。近几年来，为了实现对铝合金、不锈钢等中厚板的焊接，研究人员更多的注意到采用激光-熔化极惰性气体保护焊/熔化极活性气体保护焊(metal inert gas welding/metal active gas welding简称mig/mag)复合焊接方法4-5。在复合焊接研究中co2激光和nd：yag激光被广泛使用，而两种波长激光与电弧复合后产生的效果有较大差别。一方面由于激光器产生的激光波长不同（co2激光器和nd：yag激光器所产生的激光波长分别为10.6 m和1.06 m）；因此金属对激光能量吸收不同，导致焊缝熔深、熔宽、热影响区大小有所不同；另一方面由于不同波长激光与电弧等离子体相互作用时由于作用点处等离子云密度不同，使电弧特征改变，导致熔滴受力状态发生变化进而导致熔滴过渡特征发生变化。激光-电弧复合焊接对于许多传统的难焊材料经过工艺的优化都能实现良好的焊接，本文就是利用此技术，并凭借现有设备，通过对两种复合焊接焊缝形貌、熔滴过渡规律与电信号等信息的采集对比分析，研究不同激光波长在不同激光功率下其对应的两热源相互作用效果、焊缝质量，有利于对整个复合焊接过程的理解，可为实现稳定、高质量的复合焊接过程提供依据。 1.2 激光-电弧复合焊特点及研究现状 1.2.1 激光-电弧复合焊接技术的特点激光-电弧复合焊接作为一种先进的焊接技术，将激光和电弧两种不同的热源复合在一起，作用于工件的同一位置，通过两种热源的相互作用及复合热源与工件的作用，完成焊接过程。激光-电弧复合焊接技术既体现了两种热源各自的优势，又弥补了各自的不足，达到了1+12的效果。激光-电弧复合焊接主要有以下优点： （1）提高了焊接接头的适应性。由于电弧的作用降低了激光对接头间隙的装配精度的要求，因此可以在较大的接头间隙下实现焊接。 （2）增加了焊缝的熔深。在激光的作用下电弧可以到达焊缝的深处，使得熔深增加。其次由于电弧的作用会增大金属对激光的吸收率也是熔深增大的原因。 （3)改善焊缝质量，减少焊接缺陷。激光的作用使得焊缝的加热时间变短，不易产生晶粒过大而且使热影响区减小，改善焊缝组织性能。由于在电弧的作用下，复合热源能够减缓熔池的凝固时间，使得熔池的相变充分的进行，而且有利于气体的溢出，能够有效地减少气孔、裂纹、咬边等焊接缺陷。 （4）增加焊接过程的稳定性。由于激光的作用在熔池中会形成匙孔，它对电弧有吸引作用，从而增加了焊接的稳定性。而且匙孔会使电弧的根部压缩，从而增大电弧能量的利用率。 （5）提高生产效率，降低生产成本。激光与电弧的作用会提高焊接速度，由于电弧的作用使得用较小功率的激光器就能达到很好的焊接效果，与激光焊相比可以降低设备成本。由此可见，激光-电弧复合焊接比单一的激光焊接和电弧焊接有着明显的优势。研究表明，利用激光-电弧复合焊接技术，能够对以往一些难焊甚至认为不可焊的材料进行焊接，并且随着工艺的参数的优化，焊接效果越来越好。1.2.2 激光电弧复合焊接技术的分类激光-电弧复合热源使用的激光器一般有co2激光器和nd：yag激光器。根据激光与电弧的相对位置不同可分为：同轴复合，如图1.1，即激光与电弧处于同轴共同作用于工件的同一位置；旁轴复合，如图1.2，即激光束与电弧以一定的角度共同作用于工件的同一位置。旁轴复合又分为两种情形：一是激光与电弧间距离较大，两者所形成的熔池互相不影响；二是激光与电弧间距离较小，两者所形成的熔池相互作用。此外，如图1.3所示，还存在一种特殊的激光-电弧复合方式，沿焊接方向，激光和电弧之间以一定距离分布，两种热源空间上独立，基本互不影响，两种热源焊接效果简单叠加，相当于短时间内对同一位置实施两次焊接，这种焊接方法称为激光-电弧级联焊。电弧主要进行预热或后热，减少材料对激光能量的反射，增强对激光能量的吸收，从而改善焊缝成形和接头组织性能。 图1.1 激光-电弧同轴复合 图1.2 激光-电弧旁轴复合 图1.3 激光-电弧级联复合焊接示意图 根据电弧种类的不同，激光-电弧复合焊接可分为以下几种： （1）激光-tig复合焊激光-tig电弧复合焊接是最早出现的一种复合焊接方法，大多用于薄板高速焊接，也可以用于不等厚材料的对接焊。tig电弧焊是非溶化极气体保护焊接，与激光复合的工艺相对比较简单，复合方式既可以是同轴复合，也可以是旁轴复合。激光与tig电弧进行旁轴复合时，激光在前可以去除母材金属表面的杂质及氧化物，很大程度上减少钨极所受污染，增加钨极的使用寿命。激光-tig电弧复合焊在高速焊接时，电弧仍然能够保持稳定，焊缝形貌美观，气孔、咬边等焊接缺陷较少，尤其是在低电流和长电弧条件下，焊接速度几乎可以达到单独激光焊接的两倍。 （2）激光-mig/mag复合焊 激光-mig/mag电弧复合焊接利用填焊丝的优势可以改善焊缝的冶金性能和微观组织结构，进而提高了焊缝力学性能，相比激光-tig复合焊，其焊接适应性更好，常用于焊接中厚板。mig/mag电弧比tig电弧方向性强，因此焊接时激光与电弧之间位置关系很重要。电弧前置，激光后置时，电弧可以对工件表面进行预热，使表面微熔，降低了工件表面对激光的反射率，使激光更容易穿透工件表面，提高了激光能量的利用率，使焊接熔深和熔宽都相应有所增加，并且更易形成深熔小孔焊。电弧后置，激光前置时，可以使电弧起弧更容易，在适合的条件下能够调整熔滴过渡方式，使焊接过程更稳定。激光-mig/mag复合焊接一般采用旁轴复合方式。tishide发现，当两热源距离很小时，激光大部分能量就会用于熔化焊丝，不利于形成匙孔，因此调整两热源相对位置能够改善焊缝熔深。 （3）激光-等离子弧复合焊激光与等离子体复合一般采用同轴复合方式。等离子体弧具有刚性好、温度高、方向性好、电弧易引燃等优点，非常有利于进行复合热源焊接。blundell等人采用激光-等离子体复合焊高速焊接0.16mm厚的镀锌板时发现，焊接时电弧非常稳定，即使是在90m/min时电弧也很稳定，而且不会出现单纯激光焊接时的缺陷，而单独激光焊接时在48m/min时就会出现电弧不稳定现象而且还会出现焊接缺陷。此外，还有一些其它激光-电弧复合焊接，如激光-双电弧复合焊、双激光-电弧复合焊、激光-电阻热复合焊及激光-摩擦热复合焊等，这些方式虽然应用较少，但也都有各自的优点。1.2.3 激光-电弧复合焊接的应用复合焊的适用性较强，可以进行平板对接焊、角接焊、环形焊缝的焊接。近几年来，复合焊被应用于不同材料的焊接中，日本、美国、德国等几个发达国家用复合焊接对低碳钢、高碳钢、不锈钢、铝及其合金、镁及其合金等进行焊接，并应用在了汽车、造船、石油等生产制造中。1. 在汽车制造工业中的应用近年来，在汽车制造业中，更倾向于朝着轻量化发展，为了节约能源、减少污染及合理利用材料等，在车身框架结构中大量使用了铝、铝镁等轻质合金结构。因此为激光-电弧复合焊接技术的应用提供了条件，德国大众汽车公司率先将其用于在奥迪a8轿车车体框架、辉腾轿车车门的焊接中。随着激光-电弧复合焊工艺的日益成熟，在铝合金车身焊缝焊接中复合焊所占比例越来越重，大有取代以往激光焊和熔化极气体保护焊之势。图1.4为奥迪a8车体框架结构及复合焊接现场，在车架的横向顶框上的车身焊缝中大约4.6m使用了激光-电弧复合焊接。 图1.4 奥迪a8车体框架结构及复合焊接现场2. 在造船工业中的应用 激光-电弧复合焊接具有焊接速度快、自动化程度高、焊接热变形小等优点，是船舶焊接技术发展不可缺少的一种新技术，尤其在高强钢、铝合金的焊接中有明显优势。近年来，这一技术已经在日本、韩国和欧美一些国家得到了广泛的研究与应用，而我国还处于起步阶段。美国海军连接中心（njc）和爱迪生焊接研究所（ewi）已证实激光-电弧复合焊接在造船中是一种高效的连接方法。克服了一般船体结构中手工电弧焊和mag/mig焊效率较低的缺点 。德国meyer-werft造船厂于2002年第一个将激光-电弧复合焊接应用于造船业生产线，该生产线在船体平板和加强筋焊接中采用了co2激光-gmaw复合焊接。采用激光-电弧复合焊接后，自动化程度大幅提高，平板对焊焊炬一次可行走范围为20m20m，焊缝间隙熔宽达1mm，焊接速度提高3倍以上，甲板变形程度降低2/3以上，减少了焊接后续处理时间和装配难度。目前，一些大中型造船厂的中厚板焊接都积极采用了该项技术。 图1.5 全面采用激光-电弧复合焊技术的德国meyer造船厂3. 在其它领域中的应用激光-电弧复合焊接技术在石油化工的大型管道、油罐连接中也有着重要的应用。由于一般石油管道壁厚较大，普通焊接方法很难一次性焊透，必须要开破口，进行多道焊接，多道焊接时就容易产生缺陷。而激光-电弧复合焊接熔深和熔宽均较大，能够保证焊缝的桥接性能和一次性焊透，从而提高焊接效率和质量。2000年，德国fruanhofer研究所研制了一套复合焊接系统，利用激光-mig电弧复合热源焊接储油罐。焊接参数采用激光功率5.8kw、焊接电流250a、焊接电压30v、焊接速度1.6m/min，对壁厚48mm，管径1.7m的小油箱焊接，用时不到4min。焊后利用x射线检测发现，焊缝无气孔、裂纹等缺陷，焊接质量通过了德国tuv鉴定21。同年，美国的ewi为了减少管道焊接成本和提高管道焊接效率，也进行了运输管道连接项目，叫做“yag管道”。2006年，美国宾夕法尼亚州的arl实验室和造船公司（nassco）共同开发管道激光-电弧复合焊接系统。芬兰的jernstrom petteri采用co2激光-mig电弧复合焊接对伸缩式中空梁进行了焊接，采用激光功率5kw 和mig电流132a的功率参数，焊接速度1.8m/min仍能保证焊接质量。丹麦的bagger claus等人进行了电磁感应加热器锅体的co2激光-tig电弧复合焊接可焊性研究。焊接工件的内环材料和外环材料分别为4mm厚的x6cr17和2mm厚度的奥氏体不锈钢。焊接参数为激光功率1.5kw 、tig电弧电流137a和焊接速度1.5m/min，焊后经过检测缺陷，焊缝质量完全达到了实际使用标准。 1.3 本论文的研究内容及意义国外对激光电弧复合焊接技术的研究已经开展了很多年，取得了相当多的成果并成功地运用到很多领域。而国内对此的研究却并不多，在工业中的应用很少。尽管一套先进的复合焊接设备高达数百万人民币，但复合焊技术的研究对国内的焊接技术水平的提高有着重大的意义，对制造业的发展将产生深远的影响。本文以高强钢为材料，分别利用nd:yag -mag激光电弧和co2激光器-mag焊机进行复合焊接试验，研究分析激光电弧复合焊接技术的基础工艺，主要进行以下几个方面： （1）复合焊接工艺参数优化研究：研究激光功率、焊接电流、电弧电压、热源间距、焊接速度、线能量等工艺参数对焊缝成形的影响，包括焊缝形貌、焊缝熔宽、焊缝熔深、热影响区面积、焊缝成形系数。分析考察复合焊接过程中影响其稳定性的因素，以及各工艺参数对焊缝质量的影响关系。 （2）熔滴过渡规律和电信号波形研究：研究各工艺参数在激光电弧复合焊接过程中，熔滴过渡特征、焊接电流电弧电压信号、焊接电流电弧电压概率密度分布对焊接质量及稳定性的影响。 第二章 实验设备、材料及方法 2.1 实验设备 实验采用的主要设备有激光器、机器人、机床、焊机、复合焊接装置、高速摄像机，以下将作具体介绍。 （1）激光器实验采用的激光器有两种，分别为nd：yag固体激光器和co2板条激光器。图2.1为nd：yag固体激光器照片。trumpf公司生产的型号为hl4006d型nd：yag固体激光器，其额定功率为4kw。激光器具有加工安全、性能可靠、控制简单的特点，可以完成连续、脉冲两种模式的激光输出。其主要结构有泵浦原、谐振腔以及激光工作物质。激光光速质量因数bbp=25mm*mrad，yag激光通过心经为600um的光纤传输，经过焦距f=200mm的聚焦镜后焦点光斑直径d=0.6mm。如图2.2所示为co2板条激光器，该激光器由德国rofin-sinar公司生产，型号为dc 050，额定功率5kw，试验采用he和nr作为同轴保护气体。激光器主要由谐振腔、热交换器、气流管道、及高压直流放电系统等组成。co2激光器的工作物质为co2、he和n2的混合气体。co2 是产生激光辐射的气体。he的加入一是能够加速低能级的热驰预过程，二是实现有效的传热。n2的加入主要是在co2激光器中起到能量传递作用，为co2激光上能级粒子数的积累和高效率大功率的激光。co2激光额定功率为5kw，波长=10.6m。光束模式可在tem00和tem01自由转换，光束质量因数k0.9，并且发散度极小，约为0.001弧度，近于绝对平行。波形模式有16种，通常使用连续波形p0。聚焦镜采用焦距f=24的反射聚焦镜，焦点光斑直径d=0.3mm。 图2.1 nd：yag固体激光器 图2.2 试验中使用的co2激光器 （2）机器人 试验中激光电弧热源的移动靠操作德国kuka机器人公司制造的库卡机器人来完成，库卡机器人可完成6轴不同方向的复杂焊接。操作者通过操作盘编程可实现复杂焊接，机器人定位速度快，焊接速度控制准确，移动误差小，适合完成焊接加工。图2.3为kuka机器人照片。 图2.3 kuka机器人 （3）数控机床 图2.4为数控二位工作台照片，由上海联谊光纤激光器械有限公司制造，可实现工件固定且x、y两个方向的移动控制。 图2.5为上海团结普瑞玛公司生产的数控机床，其控制系统采用西班牙fagor公司的fagor 8055的数控技术，可以实现五轴控制，其中f轴为调焦轴，。此数控机床为多功能型，可以实现焊接、切割、打孔、熔覆、复合焊接，控制系统功能强大，通过编程可以实现各种简单、复杂二维图形的激光加工。 图2.4 数控二位工作台 图2.5 数控机床 （4）mag焊机 mag焊机为松下公司生产的微电脑焊接波形控制脉冲mig/mag焊机（如图2.6），该款焊机可以焊接钢类、铝及铝合金材料，采用20%co2+80%ar混合气体作为保护气体，。电压与电流匹配良好，可以微调电流和电压来满足不同焊接工艺参数的需要，高速高精度数据处理，提高了基本焊接性能。同时具有优秀的引弧性能，薄板焊接的对应力强，有满足多种焊接需要的电弧特性。 图2.6 mag焊机 （5）复合焊接装置设计为完成nd:yag -mag激光电弧旁轴复合焊接实验和co2激光器-mag激光电弧复合焊接实验，自行根据实验需要设计了两种复合焊接装置。图2.7为焊枪接头夹具，适用于nd:yag -mag激光复合焊接实验，夹具可完成mag焊机枪头x、y、z三轴调整。图2.8为co2激光器-mag激光电弧复合焊接实验的复合焊接装置，该装置可以在x、y、z三个方向上进行手动调整，激光焊接头固定不动，调整此装置位置，寻找焊枪的合适位置，调整好后紧固即可。同时能够实现焊枪角度的旋转，这样激光-电弧复合焊接的所有参数都可以设置，满足不同工艺参数的实验。使用此装置在进行复合焊接过程中避免了因焊枪松动带来的不利影响，试验证明：该装置能够更好的实现两种热源的有效复合，提高了焊接质量，为复合焊接的实施提供了条件。 图2.7 焊枪接头夹具 图2.8 自行设计的复合焊接装置 （6）焊接夹具 实验材料为高强钢薄板，焊接中容易发生变形，故设计了如图2.9所示的焊接夹具。装件前时，先将焊接夹具固定在工作台上，之后用压板将工件牢牢固定在夹具上，此夹具有利于将焊接过程中工件上产生的余热尽快传导出去，有减少应力集中的作用，因此有控制焊接变形的作用。 图2.9 样品焊接工装实物图 （7）高速相机使用cmos.cr50002型高速相机观测并采集熔滴过渡规律模式、激光匙孔是否稳定和等离子体形态的变化。 图2.10 cr5000x2型高速相机 2.2 实验材料 2.2.1 试验材料 试验材料为一种高强钢，采用平板堆焊。其主要化学成分及性能见表2-1、表2-2。表2-1 试验中所采用的高强钢化学成份csimnpscunbnimob0.040.080.351.51.80.020.010.50.10.50.350.003表2-2 试验中所采用的高强钢力学性能类型板厚，mms，mpab，mpa5，%试验温度akv，j1800冷弯热轧31859067083017-4047d=2a完好通过线切割获得初始试验件，试件表面磨削后尺寸为150mm30mm5mm，用砂纸去除棱角毛刺、凹陷等，焊接面平整光洁，有利于减少焊接缺陷。脏污、灰尘、油脂会引起熄弧、气孔、裂纹和氢脆等缺陷，因此，焊接前需用丙酮或工业酒精清洗焊接表面，去除脏物、油污等，必要时需100150预热处理。本实验采用平板堆焊及对接焊，对焊时光束需沿着端面间隙行进，而且光束直径很小，要求对接端面平直，否则会影响材料对激光能量吸收，影响焊缝质量；为减少焊接变形采用特殊夹具紧固，连续焊接工件时每个工件焊完后等一会再取下，有利于减少焊缝应力变形。2.2.2 材料焊接性分析金属焊接性就是金属对于焊接加工的适应能力，能否形成完整的、达到使用要求的焊接接头的特性。焊接性不仅包括结合性能，还包括结合后的使用性能。评价金属的焊接性最直接的就是通过对金属进行焊接试验的方式，来确定金属的焊接性，此外，通过对金属的物理特性、化学成份、相图特点、工艺条件等，也可以在某种程度上判定金属的焊接性。本论文通过高强钢的化学成份来分析其焊接性。主要化学成份为：0.04%0.08%c，0.35%si，1.50%1.80%mn，0.02%p，0.01%s，0.50%cu，0.10%nb，0.50%ni，0.35%mo，0.003%b。该钢含碳量低，合金元素种类多，含量少，属于高强钢，因此按国际焊接学会（iiw）的碳当量计算公式： （2.1）此式适用于中、高强度的非调质低合金高强钢。ce0.45%时，焊接厚度25mm的板可以不预热；ce0.41%且含碳量c0.207%时，焊接厚度37mm的板可以不预热。经计算，其碳当量在0.36%0.45%之间，不需要预热和焊后处理。用ce或ceq估计焊接性不是特别精确，因为实际上钢材中包含许多其它元素，而公式中只计算了几种元素，不同含量不同合金系统中的元素作用也不同，公式中不能反映元素之间相互抵消或加强的影响。因此，碳当量法判断金属的焊接性只是理论上的初步分析。2.3 试验方法 激光-电弧复合焊接的工艺参数多，且相互关联性较大。因此，设定多组实验分别对不同参数考察，通过分析实验数据确定不同参数对焊接质量的影响。寻求激光与电弧之间的匹配存在最佳值，即热源耦合最小值。 采用激光-电弧复合焊接设备，研究不同工艺参数对高强钢复合焊接焊缝质量影响，通过分析实验数据，优化出较科学的高强钢激光-电弧复合焊接工艺参数。采用高速相机和汉诺威电弧分析仪采集分析复合焊接过程中熔滴过渡图像和电信号波形，研究参数对工艺稳定性的影响。第三章 yag激光对激光-电弧复合焊接等离子体特征的影响焊接中熔滴过渡的稳定对焊缝质量有着重要的影响，是飞溅产生、焊缝不均匀等缺陷的重要原因。复合焊接为双热源共同作用其情况更加复杂。焊接中激光与电弧两种等离子云共同作用，再加上激光对电弧的稳弧效果、激光匙孔作用、电弧弧柱在激光介入后膨胀等，熔滴过渡规律变得十分复杂。本章采用高速摄像机、电流电压采集仪及光谱分析仪，通过对不同参数时熔滴过渡与电信号稳定性的观察，分析不同参数对熔滴过渡规律的影响，寻求稳定的焊接过程。3.1 激光功率对熔滴过渡规律的影响 激光功率是激光-电弧复合焊接中最重要的参数之一，对焊缝的熔深有着主要的影响，同时对复合焊接中熔滴过渡规律也有较大影响。在nd：yag-mag激光电弧复合焊中电弧会对激光有部分的反射与散射的效果，激光功率过小会影响热源耦合影响激光匙孔的形成，因此在线能量匹配中与电弧功率比例要恰当。表3-1为本组实验的主要参数。 表3-1激光功率对焊接质量影响的工艺参数p（kw）f（mm）i（a）u（v）20%co2+80%ar（l/min）dla (mm)v (m/min)1.5-118026182.51.22.0-118026182.51.22.5-118026182.51.23.0-118026182.51.23.5-118026182.51.2 复合焊中激光对熔滴的影响主要由于激光光致等离子体形成时，相比于电弧焊其光致等离子体中的电子密度变大，可达到10171020/cm3，导致电弧弧根特性改变。在复合焊接中电弧被吸引到激光匙孔附近，由于激光匙孔很窄，因此电弧弧柱被压缩，致使电弧能量更加集中。另外由于激光光致等离子体的热辐射作用，使得熔滴的表面张力系数减小，可以使表面张力减小，从而更加有利于熔滴的细化，促进了熔滴的过渡。 图3.1为每个激光功率下nd:yag激光-mag电弧复合焊一个周期内的熔滴过度形态。其中第一张为熔滴开始形成，最后一张为熔滴进入熔池。从图中可以看出，虽然复合焊熔滴过渡基本为射滴过渡，这由于yag激光波长较短，更容易起到引弧、稳弧的作用使激光的高温离子云与电弧的低温粒子云更容易相互作用，熔滴过渡中熔滴直径较小比较稳定。这也对应了其表面照片焊接中飞溅较少。但随着激光能量的提高熔滴逐渐向颗粒过渡转变。这表明，当激光功率较小时，激光主要起到稳弧和压缩电弧的作用，有助于熔滴的形成和过渡。当激光功率提高到一定值时，激光匙孔形成，匙孔中喷发出的金属蒸汽作用力方向为竖直向上，阻碍了熔滴的细化。而且当激光功率较高时激光光致等离子体对电弧吸引，使得电磁收缩力方向由原来沿着焊丝的方向变为与焊丝有一定的夹角，导致促进熔滴过渡的等离子体流力在沿着焊丝方向的分力变小，熔滴过渡变的困难。使熔滴长大时间增加，直径增大，发生颗粒过渡，导致熔滴过渡周期变长。（a）1.5kw （b）2kw （c）2.5kw （d）3kw （e）3.5kw 图 3.1不同激光功率下nd：yag-mag激光电弧复合焊的熔滴过度形态 图3.2为nd：yag激光-mag电弧复合焊不同功率下熔滴过渡频率曲线。数据是由每个功率下各取5组单独完整的熔滴过渡再取平均值计算而来。从图中可以看出，熔滴过渡频率随着激光功率的增加随之减小，而且熔滴过渡频率变化跨度较大，特别是激光功率由2kw提高到2.5kw时变化达到了50hz左右。熔滴频率的变化主要是由于此时激光能量的提高，激光匙孔中产生的金属蒸气较多对熔滴向上的推力加大再加上光致等离子体密度提高增加了对熔滴的吸引力，导致熔滴过渡困难。实验发现此复合焊中熔滴过渡频率较快，这是由于激光器波长造成的yag激光波长较短，大量的激光的能量传递到材料表面而且容易被材料吸收，使在激光产生的匙孔中喷发出的金属蒸汽较少，故而对熔滴过渡阻碍较少导致了熔滴过渡频率较快。也对应了高速摄像照片的特点过渡形式基本为射滴过渡。图 3.2 激光功率对熔滴过渡频率的影响 3.2 焊接电流对熔滴过渡规律的影响 焊接电流是激光-电弧复合焊接中最重要的参数之一，对焊缝的熔宽与焊缝形貌有这主要的影响，同时也对复合焊接中熔滴过渡规律与焊接电流、电弧电压的电信号稳定有较大影响，因此在线能量匹配中要控制恰当。在nd：yag-mag激光电弧复合焊中电弧会对激光有部分的反射与散射的效果，因此，焊接电流的大小会影响激光能量的传输。同样试验中同轴保护气体没有采用，本组实验的主要参数如表3-2所示。 表3-2焊接电流对焊接质量影响的工艺参数p（kw）f（mm）i（a）u（v）20%co2+80%ar（l/min）dla (mm)v (m/min)2.5-112026182.51.22.5-114026182.51.22.5-116026182.51.22.5-118026182.51.22.5-120026182.51.2 焊接电流对熔滴过渡的影响主要体现在，电流改变时电弧轴向压力改变，熔滴在焊丝底端成型时间改变。图3.3为每个焊接电流下nd：yag激光-mag电弧复合焊一个周期内的熔滴过度形态。其中第一张为熔滴开始形成，最后一张为熔滴进入熔池。从图中可以看出，随着焊接电流的增加熔滴由颗粒过渡逐渐变为射滴过渡，电流越大熔滴越细小，当焊接电流低于180a时熔滴为颗粒过渡，当其等于或高于180a时过渡形式完全变成射滴过渡。从焊缝表面照片也可以看出在焊接电流小时由于是颗粒过渡飞溅较多。这是由于能量配比中配比激光能量较大，激光匙孔中由于温度较高产生出大量金属蒸气向上运动，因此产生对熔滴向上较大的推力阻碍熔滴与焊丝底端分离，导致熔滴过渡周期较长。而当焊接电流增加到一定值时，电子流力加强，等离子密度增加，电弧燃烧充分，熔滴的表面张力急剧减小，导致其直径减小、细化明显，熔滴过渡形式也由颗粒过渡逐渐向射滴过渡转变。（a）120a（b）140a （c）160a （d）180a （e）200a 图 3.3 不同焊接电流下nd：yag-mag激光电弧复合焊的熔滴过度形态 图3.4为nd：yag激光-mag电弧复合焊不同焊接电流下熔滴过渡频率曲线。数据同样是由每个功率下各取5组单独完整的熔滴过渡再取平均值计算而来。从图中可以看出，当焊接电流低于160a时熔滴过渡频率很低在100hz以下说明此时能量匹配中电弧能量过低不能正常燃弧，当焊接电流超过160a后熔滴过渡频率增加的非常快i=160a与i=180a频率相差近300hz，对应了图3.3此时的熔滴过渡变化。实验数据表明当焊接电流达到180a后电弧等离子体更加活跃，电弧作用更加明显减小了熔滴表面张力、直径，导致其过渡频率加快，说明此时焊接过程稳定焊接线能量配比合理。图3.4 焊接电流对熔滴过渡频率的影响 3.3 电弧电压对熔滴过渡规律的影响电弧电压是激光-电弧复合焊接中最重要的参数之一，是指从焊枪导电嘴到材料表面之间的电压对电弧燃烧的稳定性有主要的影响。因此在线能量匹配中要控制恰当，随着电弧电压提高，电弧长度随之增加。在nd：yag-mag激光电弧复合焊中电弧电压匹配不合理也会影响熔滴过渡稳定，短路过渡增多，导致熔滴颗粒大飞溅增多。试验中同样同轴保护气体没有采用，表3-3为本组实验的主要参数。表3-3电流电压对焊接质量影响的工艺参数p（kw）f（mm）i（a）u（v）20%co2+80%ar（l/min）dla (mm)v (m/min)2.5-118020182.51.22.5-118022182.51.22.5-118024182.51.22.5-118026182.51.22.5-118028182.51.2 电弧电压对熔滴过渡影响主要是由于，电压改变时弧柱直径改变，熔滴表面张力改变。图3.5为每个电弧电压下nd：yag激光-mag电弧复合焊一个周期内的熔滴过度形态。同样第一张为熔滴开始形成，最后一张为熔滴进入熔池。从图中可以看出，随着电弧电压的增加熔滴由颗粒过渡逐渐变为射滴过渡，电压越大熔滴越细小，在电弧电压为20v、22v时，电弧线能量热输入过低，影响电弧正常燃烧起弧受阻，导致熔滴过大且与熔池直接接触，造成短路过渡，这也对应了其焊缝表面照片表面飞溅较多。当电弧电压达到24v，两种热源相耦合效果提高，相互作用下增加等离子流动，熔滴直径变小有变为正常颗粒过渡的趋势，随着电弧电压的继续提高，热源耦合效果更好熔滴过渡也逐渐变成射滴过渡，焊接情况趋于稳定，焊缝表面情况转好。（a）20v （b）22v （c）24v （d）26v （e）28v 图 3.5 不同电弧电压下nd：yag-mag激光电弧复合焊的熔滴过度形态 图3.6为nd：yag激光-mag电弧复合焊不同电弧电压下熔滴过渡频率曲线。数据同样是由每个功率下各取5组单独完整的熔滴过渡再取平均值计算而来。从曲线可以看出，当电弧电压u24v时熔滴过渡频率很低在u=24v时也只有130hz，说明此时电弧电压过低，熔滴过渡短路过渡较多，这也对应了其高速摄像图片。当电弧电压达到26v时熔滴过渡频率最高达到390hz左右，说明此时，线能量匹配最好，两种或热源耦合，熔滴的表面张力急剧减小，熔滴细化明显，熔滴过渡形式也由颗粒过渡进一步变为射滴过渡。而当电弧电压继续增加熔滴过渡频率曲线又下降到270hz左右，这是由于此时电弧能量再度升高，等离子云密度过强，材料预热温度很高因此激光匙孔效果明显，匙孔中金属蒸汽大量向上喷出阻碍了熔滴过渡，导致熔滴过渡频率下降。图3.6 电弧电压对熔滴过渡频率的影响 3.6 本章小结 （1）随着激光能量的增加熔滴过渡频率增加、熔滴变大。 （2）电弧功率越大熔滴过渡越稳定，熔滴直径越小；在其功率较小时容易出现短路过渡波形图不稳定。i=180a，u=26v时效果最好 （3）电流越大熔滴越细小，当电流增加到一定值时，熔滴直径减小、细化明显，熔滴过渡形式也由颗粒过渡逐渐向射滴过渡转变。 第四章 co2激光对激光-电弧复合焊接等离子体特征的影响本章利用co2激光器和mag焊机对高强钢材料进行了复合焊接试验，主要研究了激光功率与电弧功率的匹配、保护气体对熔滴过渡的影响，从而寻求复合焊接中最合适的匹配参数，实现对复合焊接的优化。 4.1 激光功率与电弧功率不同匹配对焊缝成形的影响在激光-电弧复合焊接中，激光功率与电弧功率是焊接中最重要的工艺参数，它们的变化对焊缝表面形貌、焊接熔宽及熔深影响很大。激光功率主要影响焊接熔深。电弧电流决定了送丝速度和熔敷金属量，对焊缝熔宽影响较大。电弧电压对电弧稳定燃烧影响最大，激光功率同电弧电流和电压不同匹配时，两热源的耦合效果差异很大，对焊缝形貌、熔滴过渡及焊接过程稳定性影响很大，只有在一个比较合理的匹配范围，才能取得最佳焊接工艺。本组试验主要分为三组试验，研究激光功率同电弧电流及电压不同匹配时对复合焊接的影响，并结合高速摄像机拍摄的熔滴过渡图像进行分析，优化出较理想的工艺参数范围。试验工艺参数如下表所示：表4-1 激光功率对焊缝影响的工艺参数第一组第二组第三组p（kw）i（a） u（v）i（a）u（v）i（a）u（v） v (m/min)1.51602518026200271.22.01602518026200271.22.51602518026200271.23.01602518026200271.23.51602518026200271.24.01602518026200271.2另外，其它焊接参数为光丝距0mm，离焦量-1mm，激光保护气体30%he+70%ar。电弧保护气体20%co2+80%ar，流量16l/min。4.1.1激光功率与电弧功率不同匹配对焊缝表面形貌的影响从图4.1中可以看出，在i=160a,u=25v时，激光功率从1.5kw至4.0kw变化过程中，焊缝表面均有不同程度的飞溅导致的焊瘤。当功率分别为1.5kw和2.0kw时，焊缝表面飞溅更加严重，同时焊缝形状极不均匀，存在咬边缺陷；激光功率在2.5kw至4kw变化时，焊缝表面飞溅仍然严重，但焊缝表面形状有所改善，咬边缺陷减少。飞溅严重因为此时电弧电流为160a，熔滴过渡方式属于短路过渡，熔滴过渡不稳定，易形成较大熔滴而后发生爆破，产生飞溅（如图4.2示）。但飞溅的产生不只这一个原因，熔池的冶金反应也是产生飞溅的一个重要原因，由于保护气体有co2，co2具有氧化性，高温时进行分解，产物为co和o2，这样熔滴和熔池中的碳将会被氧化成co，在高温情况下co膨胀引起爆破，也会产生飞溅。从焊缝截面形貌看，激光功率分别为1.5kw和2.0kw时，焊缝有气孔缺陷，焊趾处有咬边缺陷，当功率增大时，气孔、咬边等缺陷消失，激光与电弧耦合状态较好。但当激光功率达到4.0kw时，焊缝有堆积情况出现，同时焊趾处有咬边缺陷。图4.1 i=160a,u=25v时，激光功率变化对焊缝形貌的影响图4.2 短路过渡时因飞溅形成的焊瘤从图4.3中可以看出，在i=180a，u=26v时，激光功率变化过程中，焊缝表面形貌较好，飞溅较少，焊缝相比第一组试验更加平滑、均匀，但在激光功率较低时，焊缝均匀程度不如激光功率较高时，这主要因为高功率激光稳弧能力比低功率时更强。从表面形貌看，此时焊接效果较第一组试验好。从熔滴过渡图像看，此时熔滴过渡属于射滴过渡，过渡稳定，熔滴大小均匀，焊接过程较稳定。从截面形貌看，激光功率较小时（1.5kw和2kw），激光与电弧耦合情况不理想，电弧对激光产生了屏蔽。激光功率在2.5kw以后，耦合情况有明显好转。在焊缝截面图中可见电弧存在不同程度的偏移，这主要是熔滴过渡时熔滴在等离子体力等作用下产生摆动所至。图4.3 i=180a,u=26v时，激光功率变化对焊缝形貌的影响从图4.4中可以看出，在i=200a，u=27v时，激光功率变化过程中，焊缝表面形貌始终较好，基本没有飞溅，焊缝平滑连续，基本看不出明显缺陷。从熔滴过渡图像看，此时熔滴过渡属于射流过渡，熔滴尺寸较小，过渡迅速而稳定，电弧利用率很高。从焊缝截面形貌看，激光功率在1.5kw、2.0kw和2.5kw时，激光电弧耦合状况较差，电弧存在严重偏移，此时激光对电弧的稳弧作用较弱，同时电弧对激光产生屏蔽。而随着激光功率的继续增大，可以看出电弧对激光影响减弱，焊接熔深增大。图4.4 i=200a,u=27v时，激光功率变化对焊缝形貌的影响从三组试验的比较来看，激光功率主要起到增加焊接熔深的作用，同时能够增强对电弧的稳定作用，增进焊缝的均匀连续性，另外激光功率较小时，激光能量被电弧产生的等离子体吸收、反射或散射，损耗很大，此时激光-电弧耦合状况不好。电弧电流与电压的不同匹配对于焊缝形貌起到至关重要的作用，当电流在160a时，熔滴过渡处于短路过渡状态，在功率的变化过程中，产生不同程度的飞溅，造成焊缝表面形貌较差，功率小时还会产生咬边、气孔等缺陷。当电流在180a时，熔滴过渡更多的偏向射流过渡，熔滴过渡稳定性增强，特别是激光