激光-双丝MIG复合焊.doc

激光-双丝MIG复合焊原理及意义：激光-双丝MIG复合焊是将两个电弧同时作用于一个熔池的焊接方法，这种焊接方法优势在于可以大幅度提高焊接速度，减少单位时间内焊缝的热输入，可以用于薄板的高效焊接。由于在一个熔池中有两个电弧，从而改变了电弧对熔池的热量分布、熔池形状和液态金属流动状态，提高了熔池边缘处的加热情况，改善了熔池的润湿能力，同时双丝也提供了充足的熔化金属，从而抑制了咬边的出现。原理如图1所示：图1 激光双电弧复合焊接双丝脉冲 MIG 焊中存在两个电弧等离子体，而在复合焊接中，激光的加入会产生光致等离子体光致等离子体与两个电弧等离子体三者之间存在复杂的耦合机理和相互作用，光致等离子体的出现使工件表面的等离子体浓度增加，引弧电阻降低 同时由于激光作用产生的金属蒸气和小孔周围的高温等离子体为电弧提供了一个稳定的阴极斑点，能够引导电弧的弧柱，而导致电弧偏向激光作用区域的小孔处，使电弧能量更加集中，电弧的电流密度增加由于激光+双 MIG/MAG 电弧复合焊接过程中，双电弧的同时燃烧保证了焊接过程足够大的熔敷率和焊接效率，激光的加入又会对双电弧起到一个吸引的稳定作用，同时保证焊缝的形成具有足够的熔深。这种焊接方法下，虽然同时有三种热源作用于工件上同一部位，但是由于焊接速度可以达到很大，所以整个焊接过程的线能量较小，保证了焊接过程节能高效的进行。综合国内外已有的激光+电弧复合焊接方法的研究成果可知，近几年来国内外对激光+MIG复合焊接方法的关注度在不断增长，但是这些研究主要集中在激光与单电弧复合焊接方法的工艺研究与焊接过程模拟上，而对激光+双丝 MIG复合焊接方法及技术的研究几乎没有。激光-双丝 MIG 复合焊接方法不是在激光-单丝 MIG 复合焊的基础之上再简单地加入一个电弧，除了激光与电弧之间的耦合作用外，两个电弧之间也有复杂的交互作用，电弧之间的距离大小、焊枪夹角大小、电源供电模式的不同、激光作用点的改变等均会使整个焊接过程热场、力场、流场、电场、磁场以及三个热源之间的耦合机制发生变化，进而影响熔滴过渡、焊缝成形和微观组织。作为焊接加热的直接热源，激光复合电弧的性质对于整个焊接过程具有决定的意义，了解激光与双丝 MIG 电弧的相互作用方式与作用机理，对进一步的研究激光+双丝 MIG复合焊接方法及工艺具有指导性意义。激光-双丝MIG复合焊的试验系统激光 + 双丝脉冲 MIG /MAG 复合焊系统由焊接系统及检测系统两部分组成 其中焊接系统由激光器、 两台焊接电源、 两台送丝机、 两把焊枪及一个脉冲协调控制器组成， 两根焊丝分别使用独立的导电嘴及气体喷嘴 检测部分由两个电流传感器、 两个电压传感器、 一套高速摄像系统及两台工业计算机组成为检测激光 + 双丝脉冲 MIG /MAG的稳定性，需要将激光器与高速摄像系统、 电流及电压传感器之类的多种仪器通过控制计算机将它们协调统一起来，具体试验连接如图2 所示图 2 激光 + 双丝脉冲 MIG 复合焊系统已经研究过的方向：A.保护气体对激光+双丝 MAG 复合焊焊缝形貌和电弧特性的影响实验材料：焊接试验选用母材为 Q235 低碳钢，焊丝为 H08Mn2Si A(直径 12 mm)进行平板堆焊焊接试验。研究了保护气体为 (Ar)80 (CO2)20(情况 A)和 (Ar)40 (CO2)10 (He)50(情况 B)时对激光双丝 MAG 复合焊焊缝表面成形和电弧特性的影响。利用 Lab VIEW 信号采集系统和高速摄像系统同步采集焊接电流、电弧电压波形和电弧形态。焊接过程中激光功率 18 k W，离焦量为 0，两焊丝和激光的空间摆放位置如图 1 所示，其中 R15 mm，R26 mm。图 3 激光双丝 MAG 复合焊焊丝空间位置示意图实验结果分析：图 4 两种不同保护气体对应的焊缝表面成形结果表明，(1)在焊缝表面和焊道两侧边缘处，发现有斑点状、不连续的氧化物肉眼可见，保护气体为 (Ar)80 (CO2)20时对应氧化物含量高于保护气体为 (Ar)40 (He)50 (CO2)10；保护气体为 (Ar)80 (CO2)20时比保护气体为 (Ar)40 (He)50(CO2)10时对应的焊缝熔宽要小。(2)保护气体为 (Ar)80 (CO2)20比保护气体为 (Ar)40 (He)50 (CO2)10 含有的 CO2比例高，使 CO2气体对电弧冷却作用增强，减弱了激光对电弧的稳定作用，断弧次数多。B. 激光-MIG 双丝复合焊电弧特性与熔滴过渡研究试验材料 ：试验用母材为 Q235 低碳钢，工件尺寸为 200 mm100 mm8 mm。试验前将工件表面打磨干净，防止油污、铁锈等影响焊接过程及质量。 试验用焊丝为 H08Mn2Si A，直径为 1.2 mm。保护气体为纯氩(Ar)气体。 试验过程中采用表面堆焊方式来研究激光- MIG 双丝复合焊接过程。试验中所用的焊接参数如下表所示：结论 (1) 与 MIG 双丝焊接相比，加入激光后焊接过程更稳定，并且随着激光功率的增加，电弧稳定性先增加后减小，在 1 000 W 附近焊接过程最稳定。在送丝速度达到 4 m/min 后焊接过程稳定性较好。在光丝间距增加到 6 mm 时，激光对两个电弧的耦合作用减弱，焊接过程出现不稳定的情况。 (2) 随着激光功率的增加，电弧的偏转角度先减小后增加。在 1 0001 400 W 时变化角度最小，约为 12.7及 17。随着送丝速度的增加，电弧偏转角度呈现先增加后减小的趋势，最大偏转角度出现在送丝速度 vf1=vf2=3 m/min 时，分别为 16.4及20.1。随着光丝间距的增加，电弧偏转角度呈现先平稳后增加的趋势。最小偏转角度出现在光丝间距4 mm 时，分别为 12.5及 17.6。 (3) 在送丝速度为 4 m/min，引导丝熔滴过渡方式为粗滴过渡，跟随丝熔滴过渡方式为粗滴过渡+少量短路过渡。随着激光功率的增加，熔滴过渡频率呈现先增加跟随又下降的趋势，熔滴过渡频率分别在 1 000 W 与 1 200 W 左右达到最大值 6.0 Hz 与6.4 Hz。引导丝与跟随丝的熔滴过渡频率分别以 4 m/min 及 5 m/min 为分界点，过渡频率高于 MIG 双丝焊接。在离焦量为1 mm 时，熔滴过渡频率达到最大值，分别为引导丝 8.6 Hz，跟随丝 6.3 Hz。C.激光功率对激光 双丝脉冲 MIG 复合焊接电弧形态及熔滴过渡的影响1 试验系统及焊接试验激光 双丝脉冲 MIG 复合焊接试验系统由焊接系统和信号采集系统两部分组成 如图 1 所示，焊接系统包括天津大学自行研制的 MK03 型脉冲控制器，林肯 INVETEC V350 PO 型弧焊电源( 置于左侧) 、林肯 INVETECTMV300-I 型弧焊电源( 置于右侧) ，两台 S-86A 型送丝机和英国 GSI 公司生产的JK2003SM 型 Nd: YAG 激光器，其最大输出功率为 2k W，输出波长为 1 064 nm 的连续激光，焦距为 300mm，焦点半径为 0 4 mm 信号采集系统主要包括FASTCAM Super 10KC 高速摄像机、电压传感器、电流传感器、数据采集卡( PCL-1742) 、计算机及其附件 焊接过程中高速摄像的采集频率为 1000 幅/s，电信号的采样频率为 10 k Hz，可以实现焊接过程中电信号与高速摄像图片信号的同步采集图 5 激光 双丝脉冲 MIG 焊接系统示意图试验中的两焊枪所在平面与焊接方向垂直，焊枪与工件的夹角均为 60，左侧电弧由 V350 PO 型弧焊电源供电，右侧电弧由 V300-I 型弧焊电源供电，均采用直流反接的形式 其中 V350 PO 型弧焊电源的输出形式为脉冲模式，V300-I 型弧焊电源在无外部控制时的输出形式为恒压模式 在测量左侧焊接电流的电流传感器 1 处取出信号交由脉冲控制器进行处理，再由脉冲控制器控制 V300-I 型弧焊电源的电压呈脉冲式输出，当送丝速度不变时其焊接电流也呈脉冲式输出，两个电弧对应的脉冲电流具有一定的相位差6 试验所用试板为 8 mm 厚的Q235 低碳钢板 焊丝为 H08Mn2Si A，直径 1 2 mm，两瓶保护气体均为纯氩气，气体流量均为 20 L/min，具体试验参数如下表 所示2 试验结果与分析1）激光功率对电弧形态的影响双丝脉冲 MIG 焊中存在两个电弧等离子体，而在复合焊接中，激光的加入会产生光致等离子体光致等离子体与两个电弧等离子体三者之间存在复杂的相互作用，光致等离子体的出现使工件表面的等离子体浓度增加，引弧电阻降低 同时由于激光作用产生的金属蒸气和小孔周围的高温等离子体为电弧提供了一个稳定的阴极斑点，能够引导电弧的弧柱，而导致电弧偏向激光作用区域的小孔处，使电弧能量更加集中，电弧的电流密度增加 激光功率的改变可以影响光致等离子体的大小与强度，焊接温度场，熔滴表面张力以及两个电弧之间的相互作用力等7，8图 2 分别为不同激光功率下左侧电流峰值，中间态( 即两电弧形态大致相同的状态) 及右侧电流峰值时的高速摄像 如图 2 所示，激光功率为 0 W时，左侧电流峰值时及右侧电流为峰值时，两个电弧均沿着焊丝轴线方向分布，中间态时两个电弧相互吸引，向中间偏移 加入激光后，左侧电流峰值与左侧电流峰值时电弧均向激光入射方向偏移，中间态时两电弧的偏移角度增大 由于 V350 焊机的峰值电流可达 420 A，V300 焊机的峰值电流约为 300 A，因此 V350 电弧的挺度高于 V300 的电弧，V350 电弧偏移程度相对较小 当激光功率增大至 1 500 W 时，中间态及右侧电弧峰值状态下的激光入射处上方的光致等离子体与电弧等离子体发生强烈复合，激光对电弧产生明显的吸引作用 由图 2 可知，激光对电弧的吸引能力及电弧偏向激光入射方向的角度随激光功率的提升而增大图 6 不同激光功率下的电弧形态2）激光功率对熔滴过渡的影响将焊接过程中采集的电压电流信号及与之同步的高速摄像图片进行处理，绘制出不同激光功率下熔滴过渡过程的电压电流信号与高速摄像的对应图。 图 7 激光功率 0 W 时一个熔滴过渡周期内的电信号及对应的高速摄像图 8 激光功率 1 500 W 时一个熔滴过渡周期内的电信号及相对应的高速摄像通过激光功率 0 W 与 1 500 W 时的熔滴过渡过程的对比可知，左侧弧焊电源对应的熔滴过渡形式由 P = 0 W 时的一脉一滴变为 P = 1 500 W 时的两脉一滴; 右侧弧焊电源对应的熔滴过渡形式由 P = 0W 时的两脉一滴变为 P = 1 500 W 时的三脉一滴 两个弧焊电源对应的熔滴体积均有增大3.结 论( 1) 激光 双丝脉冲 MIG 复合焊接中，激光功率的改变可以影响光致等离子体与两个电弧等离子体之间的相互作用，熔滴受力情况发生变化，从而影响电弧形态及熔滴过渡( 2) 在焊接电源预设参数不变的情况下，光致等离子体与电弧等离子体之间的相互作用随激光功率的增大而不断增强 左侧弧焊电源对应的熔滴过渡形式由均匀的一脉一滴变为两脉一滴，右侧弧焊电源对应的熔滴过渡形式由均匀的两脉一滴变为三脉一滴 两台弧焊电源对应的熔滴过渡频率均随激光功率的增大而不断降低( 3) 激光 双丝脉冲 MIG 复合焊中激光对电弧产生了明显的吸引作用，使熔滴受力情况发生改变，等离子流力向激光方向偏移，导致促进熔滴过渡的分力减小，使熔滴过渡更依赖于自身的重力作用，导致熔滴尺寸增大，过渡频率降低双丝间距对激光 双电弧复合焊接过程稳定性的影响.焊接系统如上面一个实验，实验参数如下：.试验结果与分析1） 双丝间距对电弧形态的影响激光 脉冲双电弧复合焊中光致等离子体与电弧等离子体以及两个电弧等离子体之间产生复杂的相互作用，双丝间距的改变可以影响焊接电弧的电磁场，焊接温度场，熔滴表面张力以及两个电弧之间的相互作用力等激光 脉冲双电弧复合焊中，当激光功率较大时，在试板表面形成“匙孔”，匙孔内喷射出大量粒子( 由大量金属铁蒸气及部分电子、离子组成) ，由于匙孔中溢出的大量粒子较焊接保护气体及空气具有更低的电离电位，因此，当其与电弧等离子体相互作用后，这些粒子受到电弧热作用的影响而迅速电离，从而为电弧提供了具有更高导电率的导电通路根据最小电压原理，电弧将在这个导电通道内稳定燃烧，电弧弧根将被固定在匙孔附近 单电源供电模式下两焊丝的电流大小相等，方向相同，两个电弧相互吸引 图 2 为不同双丝间距 DAA的电弧形态可以看出，DAA较大时，YAG 激光与 MIG 电弧呈分离状态，激光与电弧基本没有产生相互作用，DAA= 9mm 时两个电弧分别作用在两个熔池内，由于两电弧距离较远，弧间的导电粒子数目少而不能维持两电弧同时燃烧，出现交替燃弧现象( 图 3) ，即其中一个丝燃烧，另一个丝处于熄弧状态，未燃焊丝不断送进至接触试板表面，电弧引燃，另一个电弧熄灭 随着 DAA的减少，YAG 激光对 MIG 电弧产生吸引及压缩作用，激光作用点上方复合焊接电弧弧柱区收缩随着 DAA的进一步减小，两电弧的相互吸引作用增强且 YAG 激光作用位置逐渐接近 MIG 电弧中心高温区域，此时激光对两个电弧的吸引压缩作用也增大 当 DAA= 0 时，两个电弧在相互吸引力和激光吸引力的作用下融合成一个较大的电弧2） 双丝间距对熔滴过渡的影响图 4 为激光 双电弧复合焊接过程中熔滴受力示意图 其中 Fg为熔滴所受重力，Fp为等离子流力 在激光 双电弧从复合焊接过程中，加入激光导致电弧向激光偏移，而使得等离子流力向激光方向偏移，其与竖直方向的夹角 与激光对电弧的吸引程度有关，电弧与激光之间的距离越近，激光对电弧的吸引作用越强烈， 也越大 FN为“匙孔”内向外不断涌出的高温等离子羽辉形成气体射流对复合焊接熔滴产生的一个沿电弧轴线方向向上的反作用力，Fa为两电弧之间的吸引力 熔滴在这几个力的共同作用下偏离电弧轴线向激光位置偏移 在双丝间距较小时( DAA= 0 mm) ，熔滴在两焊丝端部不断长大并相互吸引，直至接触并逐渐融合为一个熔滴过渡到熔池中( 图 5) 这一过程中，由于双电弧之间距离较近，电弧之间的干扰作用较大，电弧不稳定，且熔滴过渡形式为大滴过渡，焊接过程中的飞溅较大 当双丝间距逐渐增大到最佳位置时，熔滴所受到的水平方向分力平衡，熔滴可以平稳地过渡到熔池中，焊接过程稳定 在双丝间距不断减小的过程中， 增大，Fp沿竖直方向向下的分力减小，而 FN沿竖直方向向上的力增大，熔滴受竖直方向向下的合力减小，熔滴过渡频率降低 在 DAA= 5 mm 和DAA= 7 mm 时，可以达到稳定的一脉一滴过渡3） 双丝间距对焊缝成形的影响图 6 为不同双丝间距下的焊道表面形貌 可以看出，焊丝间距 9 mm，为两电弧形成共熔池、同焊道的上临界距离 此时，两个电弧可以形成各自的焊道并能清晰地看到两个电弧的收弧位置，但两个焊道已经开始有不规则的连接 这是由于焊丝间距在上述临界状态时，两个电弧的间距较大，二者不能形成共熔池状态，因此形成的熔滴在电弧力的作用下沿焊丝轴线方向过渡至熔