YAG激光等离子弧复合焊接热源光谱特征分析解析

1、YAG 激光等离子弧复合焊接热源光谱特征分析陈俐段爱琴北京航空制造工程研究所、高能束流加工技术国防科技重点实验室北京100024摘要：利用所研制YAG激光等离子弧复合热源，进行了不锈钢激光等离子弧复合焊过程的电弧、光致金 属蒸汽成像观察和光谱分析。研究结果表明，不锈钢激光焊的金属蒸汽云与等离子弧具有完全不同的动态 特征，其线光谱峰出现在不同的波长带，激光焊Ar谱线波长出现在520nm,等离子弧焊的Ar谱线波长均大于696nm，当激光与等离子弧复合，线光谱是两者的组合，谱线强度增大，可观察到Fe、Cr和Ni等的特征光谱产生。复合焊线光谱特征与激光功率、焊接电流、热源间距和热源顺序密切相关，当热源

2、间距很 大时，复合焊的光谱特征实际上是两种热源特征光谱的简单组合，这主要是取决于激光与电弧的相互作 用。关键词：激光电弧复合焊接等离子弧光谱分析中图分类号：TG46.70刖言激光焊接熔深大，热影响区小，焊接速度快，焊接精度高，但焊接搭桥能力较差，对焊接装配间 隙要求严格，影响了激光焊接技术的应用与发展。激光电弧复合焊接是将电弧与激光两种热物理性 质、能量传输机制截然不同的热源复合，作用在同一熔池而形成焊缝的方法，这种在充分发挥两种焊 接热源各自的优势基础上，弥补各单一热源焊接的不足，并产生所谓复合针对激光焊接这一不足，尤 其是提高激光焊接的搭桥能力，并1 + 12 勺“协同效应”，被国内外学者

3、公认为是一种高效激光焊 接技术。正因如此，激光电弧复合热源焊接引起了工业界的重视，欧美和日本先后有多家汽车制造厂 和造船厂斥资投入其应用技术的研究1，2。目前主要有TIG、MIG和PAW （等离子弧）三种电弧与激光复合形成复合焊接技术，其中TIG和PAW为非熔化极电弧，相比而言，PAW的电极内缩于焊枪喷嘴，采用转移弧引弧，弓I弧性和稳弧性均优于TIG电弧。已有研究结果证实激光等离子弧复合焊提高了对接焊坡口间隙，约为工件厚度的 25%、30%【3勺，但对激光等离子电弧复合的机理还少有研究5。光谱分析是基于物质的光辐射所获取的光谱来分析与之密切相关的发光体的温度、压力、粒子密度，以揭示发光体的成分

4、、含量、温度和微观运动机制，而焊接过程的电弧和光致金属蒸汽/等离子体云光谱是一个丰富的信息源，焊接过程的许多物理现象均可在光谱中得到体现。本文基于这种方法观 察探讨激光等离子弧复合热源焊接过程两热源间相互作用机理，为激光等离子弧复合热源焊接的应用 提供参考。1试验方法与试验材料试验材料 SUS304 不锈钢的化学成分为18.35%Cr-8.56%Ni-0.05%C-0.51%Si-0.89%Mn-0.027%P-0.001%S，焊接试板尺寸 200 mm X 100 mm x 2mm。激光与等离子弧复合的热源分别采用4.5kW的AM356型YAG激光器和飞马特ULTIMATM150型等离子焊电

5、源，激光焊接头和等离子弧焊枪由专用可调夹具旁 轴复合，以机械手驱动，其中激光聚焦透镜焦距为150mm，等离子弧钨极直径 1.5mm。焊接过程激光焊接头与工件垂直，离焦量为0，激光焊接头的气帘为压缩空气，以氩气为透镜保护气和侧吹保护气，气流量均为15L/min。等离子焊枪与工件夹角为35，焊枪保护气体和离子气均为氩气，保护气流量为15L/min，离子气流量1.5 L/min。采用Princeton instrument公司ST133光谱仪控制器和 SPi500光谱检测器 对焊接过程现象检测。2试验结果与分析激光焊接和等离子弧焊接的热作用机理不同，其焊接过程在焊接区所产出的物理现象也是不同的，图1

6、是在所研究条件下利用高速摄影获得的单热源等离子弧焊、单热源YAG激光焊和激光等离子弧复合热源焊接过程的电弧与金属蒸汽云的典型特征，可以看出单等离子弧焊的电弧弧柱粗大，尾焰 略翘离工件表面，单 YAG激光焊的金属蒸汽强烈地喷发，当两热源作用于同一熔池时，等离子弧的弧 柱直径显著缩小，而且弧根移向激光作用点所形成的小孔处，YAG激光的金属蒸汽云也被明显地压制在小孔附近，没有显著地向上喷发现象，尤其是在激光后置的复合热源焊接条件下（图1c） o对焊缝的观察也显示，当单激光焊的激光功率较低而不能形成熔透焊缝时，等离子弧的加入即可形成熔透焊 缝。为了进一步探讨 YAG激光与等离子弧的相互作用，本文重点研

7、究了激光功率、焊接电流、热源间 距，热源顺序变化对复合焊接过程线光谱的影响，其中热源间距为两热源作用点的中心距离，通过点 焊进行热源间距标定。（a）等离子弧焊（b） YAG激光焊（c）激光后置复合焊（d）激光前置复合焊图1单热源和复合热源焊接的等离子弧 /金属蒸汽云的特征图2激光焊、等离子弧焊和激光等离子弧复合焊的线光谱分布特征2.1 不锈钢YAG激光等离子弧复合热源焊接的光谱特征图2是不锈钢单热源 YAG激光焊、等离子弧焊和激光等离子弧复合热源焊接过程的光谱特征，光 谱分布均非连续光滑，在连续辐射背景上叠加分布着线光谱峰，线光辐射的强度在焊接过程呈波动变 化。对比可知，不锈钢 YAG激光焊线

8、光谱最强部分在波长主要在520nm和589nm附近（图1a）,为Ar离子和铁原子谱线，属于一种低温等离子体，当焊接过程为熔透深熔焊时，线光谱分布与未熔透深 熔焊过程相似，但总体辐射强度降低，一些较大波长的线光谱产生，反映出金属蒸汽汽化增强。不锈钢单热源等离子弧焊时，因弧长过大且焊接速度较快，等离子弧焊不能在工件表面形成熔池，但其线光谱辐射强度大于激光焊的金属蒸汽云，线光谱最强部分在波长大于696750nm之间，如图1b所示，是典型的氩弧等离子体光谱特征。当YAG激光与等离子弧同时作用于同一熔池（热源间距1mm），激光等离子弧复合热源焊接过程光谱特征是连续辐射背景上叠加分布着线光谱，线光谱是YA

9、G激光引起的金属蒸汽云线光谱和等离子弧线光谱的组合，且 YAG激光引起的金属蒸汽云线光谱强度和等离子弧线光谱强度均增大，如图1c所示，尤其是波长为 520nm的Ar离子谱线，此外一些新的线光谱峰出现，主要是Fe的特征光谱，以及波长较小的 Cr、Ni原子的特征光谱。2.2 焊接电流和激光功率变化对复合焊等离子弧和金属蒸汽线光谱的影响研究发现，激光等离子弧复合焊线光谱峰分布与等离子弧焊接电流和激光功率相关。图3为热源间距1mm时不同焊接电流对线光谱分布的影响，焊接电流越大，Fe、Cr、Ni原子的特征光谱越明显，线光谱峰越强，当焊接电流大于30A，线光谱增强的同时，等离子弧的辅助作用使焊接过程产生熔

10、透深熔焊，而同样的激光功率，单YAG激光焊不能获得全熔透的焊缝。图4是激光功率对激光等离子弧复合热源焊接过程的光谱特征的影响，激光功率1500W时，焊缝产生全熔透，虽然由于焊接过程穿透小孔产生，而是焊接过程产生的金属蒸汽在穿透小孔上下均向外喷发，使得由小孔上方喷发的金属蒸 汽流减弱，但对光谱特征分布影响不大，只是表征YAG激光金属蒸汽云的线光谱强度略有降低。（激光功率1200W焊接速度1.2m/min,热源间距1mm激光后置）图3焊接电流变化对复合焊等离子弧和金属蒸汽线光谱的影响nso严）1如）:Mla)激光功率1200W严37.J-.凹曲卤曲曲(焊接电流50A，焊接速度1.2m/min,热源

11、间距1mm)图4激光功率变化对复合焊等离子弧和金属蒸汽线光谱的影响2.3 热源间距和热源顺序对复合焊等离子弧和金属蒸汽线光谱的影响图5的线光谱峰分布变化结果显示，热源间距越大，两热源的相互作用越弱，当热源间距为6mm时，线光谱已变成可两热源单热源焊接时的光谱线的简单相加，而此时两热源实际上并未作用在同一 熔池中，虽然复合焊缝的熔深较单热源激光焊的大，但已不能产生熔透深熔焊，熔深的增大只是由于 等离子弧的预热作用，增大了金属对激光的吸收率，从而增大了焊缝熔深。研究结果还显示，热源顺 序对激光等离子弧焊两热源的相互作用影响十分显著，如图5d所示，激光后置时等离子弧与激光的相互作用较大，当热源间距较

12、大时，激光后置时的等离子弧预热作用比激光前置的大，金属汽化增大， 对应的焊缝熔深增大。(b)热源间距3.2mm,激光后置（c）热源间距6mm激光后置（激光功率1200W 焊接电流50A，焊接速度1.2m/min）图5热源间距和热源顺序对复合焊等离子弧和金属蒸汽线光谱的影响根据试验结果，激光等离子弧复合热源焊接增大焊缝熔深主要在于两热源的相互作用提高了热源 热效率，一方面等离子弧对工件表面的预热提高了金属对激光的吸收，与此同时，电弧弧根在小孔处 对小孔的压力作用既有利于小孔的维持与稳定，金属蒸汽喷发减弱，且等离子的存在又使金属蒸汽粒 子细化，从而减少了激光因金属蒸汽粒子散射所引起的能量损失，使得

13、激光能量转换率增大，因此焊 接区的光谱线强度增强，当两热源间距增大，热源的相互作用减弱，因而焊接区的特征光谱线强度也 降低；另一方面，激光产生的金属蒸汽为等离子弧提供了低电离电位区，只需较小的能量即可获得稳 定的电弧，电弧弧柱收缩，电弧挺度提高，对小孔的稳定作用增大，激光后置时这一作用比激光前置 时大，获得的特征光谱线强度也就较大。3结论（1） 在所研究条件下，不锈钢激光焊和等离子弧焊的线光谱峰出现在不同的波长带，激光的Ar 谱线出现在较低的波长带（520nm），等离子弧焊的 Ar谱线出现在较高的波长带（大于 696nm）。当激 光与等离子弧复合，复合焊的线光谱是两者的组合，不仅线光谱强度增大

14、，而且一些新的线光谱产生，主要是 Fe、Cr和Ni的特征光谱。这主要是由于激光与电弧的相互作用，增大了金属蒸汽云和等 离子弧的光谱强度（2）不锈钢激光等离子弧复合热源的线光谱特征与激光功率、焊接电流、热源间距和热源顺序密 切相关，当热源间距很大时，复合焊的光谱特征实际上是两种热源特征光谱的简单组合。参考文献1 Dilthey, U., Lueder, F. and Wieschemann, A. Process-technical investigations on hybrid technology laser beam-arc-welding. The Sixth Internationa

15、l Conference on Welding and Melting by Electron and Laser Beams, Tculon, 1998 ： 417-424.2 Nobuyuki Abe ， Mihogoka Hama， et. Al. The mechanism of High Speeding leading Path Laser Arc Combination welding. ICALEO98 ： 37-43.3 C. J. Page, T. Devermann, J. Biffin, and N. Blundell. Plasma augmented laser w

16、elding and its applications. Science and Technology of Welding and Joining ，2002，7（1）： 1-10.4 J. M. Vitek, S. A. David, M. W. Richey, J. Biffin, N. Blundell, and C. J. Page. Weld pool shape prediction in plasma augmented laser welded steel. Science and Technology of Welding and Joining ，2001， 6（5）：3

17、05-405.5 B. Hu， and G. den Ouden. Laser induced stabilisation of the welding arc. Science and Technology of Welding and Joining，2005，10（1）： 76-82.The Spectrum Analysis on the YAG -plasma Hybrid Welding of Stainless steelAbstract: The laser-plasma hybrid welding of stainless steel was conducted to in

18、vestigate the hybrid arc,light induced metal vapor and plasma arc spectrum features in this paper. The result of spectroscopic analysis show that the spectra from the plum of YAG laser welding is different from the plasma arc in typical peak line. The argon spectral line registered the plum set on 520nm, but the argon spectral line registered the plasma arc was on 696 nm or more lager. When the laser was combined with the plasma arc, the spectrograph occurs the plum argon line pl