比较CMT与激光电弧复合焊接铝

1、比较CMT与其他电弧模式的激光电弧复合焊接在焊接铜时的异同作者：Jan Frostevarg & Alexander F. H. Kaplan & Javier Lamas摘要：本文中，研究了三种不同模式的激光 - 电弧气保焊，即标准、脉冲和冷金属过渡（CMT）模式。该脉冲模式比标准模式更受控并且对工件的热输入更小，从而可以焊接薄板。在CMT方式利用可控送丝和表面张力促使熔滴过渡，也因此热输入量相对于其他模型更小一些，不会出现咬边，飞溅也少于其他模式。这项研究比较了复合焊接的3种电弧弧模式，在CMT的允许限度内选择中低焊丝的沉积速率。通过扫描和高速成像研究焊缝。该研究表明，激光匙孔的出现减小了

2、三者间的熔滴过渡的差异。匙孔的产生对融化和凝固过程的影响。以及不同电弧形式的主要优点和缺点1引言激光电弧复合焊接1-4，LAHW，图1中所示。 将高功率激光与电弧复合集中于同一个熔池，一般间隔在0-8mm。相同的处理区域内，通常由0-分离，与自制激光焊相比，复合焊8毫米。相比于自主激光焊接，LAHW用焊丝填充焊缝，在电弧作用下形成焊缝外观。针对熔化极气保焊我们可以提出很多不同的技术。在他们之中的通用标准（也被称为“自然”）电弧模式与各种熔滴过渡模式（如喷雾，短路或球形）取决于电流和送丝速率。LAHW是最常见的是GMA脉冲弧焊模式，保持一脉一滴的形式向熔池进行熔滴过渡5，6。最近，另一个更可控，

3、短弧模式技术已经得到开发利用，通过控制送丝过程和表面张力进行熔滴过渡。焊丝被送进和回抽的方式去替代恒速送丝。这技术被称为冷金属过渡，CMT7。这个过程的优点在于，降低丝沉积的成本，熔滴传递而不是飞入熔池，因此只需要融化焊丝的电功率即可。在传统的弧焊中，对CMT模式是用来焊接薄板，它也常常能有更高的焊接速度以较少的热输入和更好的整体焊接质量（更少的飞溅和咬边）与其他电弧模式相比。最近，CMT已用于LAHW去焊接单程2毫米厚的铝板8，1毫米的钢板和多道焊15毫米钢9，10。焊接质量和抗疲劳性能主要由表面成型决定11，12，这导致由电弧，熔滴过渡和激光匙孔所造成的电动复杂流体流动，由于电弧模式，焊接

4、设备和参数选择，焊接过程可能会变得不稳定，从而导致不平整的表面14，15。对LAHW基本的理解仍处于初期阶段;但是从X射线成像，我们发现在焊接的方向上熔池被拉长了。高速成像（HSI）可以研究钢和铝的熔滴过渡和匙孔情况。根据缺口宽度，对不同的焊接情况进行了分类，自动对焦影响熔滴飞行，传热和传质18，19。我们可以估计出电弧力19，但它随着焊缝的设置和电弧模式而变化。 尽管需要大量的计算量，但整个熔滴过渡和熔池融化的流体力学计算已经被研究组研究出来12，20。然而以往，仅是选择性和限制性的分析了各种有关现象。 在本文中，研究了LAHW中CMT技术在焊接厚的部分时所关注的焊缝的稳定性和咬边形成问题。

5、在CMT参数范围内将CMT模式与脉冲和标准电弧模式选择的所送丝速度进行比较中。2方法2.1焊接设备在LAHW设置的图示如图。 1，在该试验中使用在表1中列出的几何参数。激光用的是一个15千瓦的Yb：光纤激光器（制造商IPG激光有限公司，型号YLR-15000（光纤芯径，200微米;光束参数乘积，10.3毫米毫弧度;波长，1070纳米）。激光是在连续波（CW）模式下，300毫米焦距聚焦在表面，光学长度直径至400m大小（瑞利长度为4毫米）。为防止背反射损坏光纤，所述激光施加一个轻微倾斜。该MAG焊炬在一个设置好的倾斜的地位放置。在GMA焊接设备使用的所有三种模式（CMT，脉冲和标准）是一个福尼斯

6、MAG动力来源TPS4000 VMT遥控。送丝机是一种结合连续进给单元VR7000用Robacta驱动单元（福尼斯），在CMT过程使金属丝端头进行的来回抽动。大部分的参数不能自由选择，因为他们是通过该系统，在不同的送丝速度的预设选择协同曲线。在这些预设中，可以进行些许调整。所用的填料焊丝为林肯SupraMIG Ultra（AWS A5.18 ER70S-6，EN ISO14341-A），铁基金属丝的直径为= 1.2毫米。将7毫米厚焊接钢板DOMEX420 MC D（S420 MCD，EN10149-2），激光切成50mm宽，300mm长。该黑皮喷砂前切割掉，从而改进了表面润湿性并且避免氧化物夹

7、杂和未熔合1。该焊丝材料成分和钢板的材料示于表2中。施加保护气体为Mison18（82氩，18CO 2，EN439），其用量为20升/分钟的流速。焊缝用多关节型机器人进行焊接（莫托曼）。2.2实验方法 研究表明，工件18之间的间隙的存在影响电弧和金属流动。 因此，为了正确地比较不同的弧模式中，应选择一个方行对接的设置，而不是在珠盘上测试。在这项研究中比较了3种 LAHW电弧模式，CMT，脉冲和标准。用两种不同的送丝速度，低（4米/分钟）速和中（8米/分钟）速。这些送丝速率低于8.3米/分并选用一个1.2毫米直径的金属丝。送丝速率与合适的焊接速度和间隙大小相匹配。这些测试被分为3种情况（列于表3

8、）.这三种电弧模型结合这三种情况总共形成了九个焊缝。表3还显示出了用于每个焊缝的平均电流I和电压U（设置输出的激光，电弧电源显示所提供的电弧功率）。的电功率输出推导公式PA= I。2.3分析 来评价焊接实验，该顶表面进行焊前和焊后扫描。 HSI1，3，4，17也在焊接实验中使用，以更好地分析改变焊缝的表面几何形状的原因。HIS和扫描的实验数据可以在文献3，4中找到。特别是，HIS中提出的条纹分析17研究的反应进行过程的稳定性。机和性能的统计分析，例如余高，咬边，横向变形是研究的一个重要组成部分，在以下部分中会更详细地描述。此外，焊接试样的横截面的宏观组织用来研究HAZ与焊缝焊缝。3结果与讨论

9、指定的九个LAHW焊缝的恒指序列在表三中列出，后面是能量输入比较.基于表面的拓扑扫描（焊缝高度，横向位置和退刀槽），也提出了焊接表面的稳定性。最后，由条纹图像分析和现象理论说明电弧的模式的不同的行为。3.1高速成像熔池表面的典型的高速图像是图2a（后侧在记录中是不可见的）。在示出的条纹线图中，可以组合成一个条纹图像，图2B，F，它是从图像序列中提取相同的位置所拍摄的一系的列线图。 2C，D，E。焊接周期过程中，在图。 2c说明，即，使得在光随着时间的变化沿着所提取的相机条纹反射/发射到的像素阵列，如图所示。 2F。这种精确的仿真，只是垂直排列，对应这里使用的条纹图像。线宽度被限制到仅一个像素，

10、但是随时间的变化的线可以被看盗。这意味着，移动或该过程的其他周期性行为是直观的时间函数，通过对该方法的典型区段的分析可实现对时间的依赖性17。脉冲模式通常适用于LAHW，它用的是喷雾模式，但随着控制电流来实现球状滴过渡和更稳定的电弧。在CMT方式还采用控制电流，随着控制送丝机使导线来回走，把从所述的液滴金属丝端头（大电流电弧产生）在焊接表面（小电流），依靠表面张力稳定的过渡21。在标准模式下只需使用连续输出功率（由协同曲线确定）。因此，滴过渡模式将改变送丝速度和相应的电弧功率5,22。在图3，短图像序列可以可以看到九种焊缝。在3个焊接的情况下三弧模式表现不同，特别是当观测弧大小，滴过渡和熔池行

11、为时。当焊丝输送速度的增加，从情况1至情况2或3，则CMT方式（表面张力过渡技术）沿焊缝的长度方向形成了大滴用高频率稳定过渡。脉冲电弧模式（由洛伦兹力形成球状熔滴过渡）大体上当脉冲频率和电流倍增是液滴的大小相同。为了提高焊丝输送速度，在标准模式下增加了电压和电流并从排斥球状滴过渡的变化（受重力和斥力影响）使熔滴过渡（由引力支配）。 CMT模式在情况1和情况2中（分别对应图3a、d），匙孔使熔化面积比电弧产生的凿孔宽。熔滴过渡不影响匙孔。情况2中，电弧促使匙孔顶端产生熔解波，但不会使它失稳。情况3中，如图3g，间隙的存在迫使电弧形成更深的易受影响的凿孔来提早凝固，防止板面的熔池适当润湿，以及产生

12、咬边。这也许是由于板之间热传递的差异。由于间隙，电弧区可用的板面下降，有利于板的熔化和更深的凿孔的形成。由此造成的咬边只能在之后被填充，重新熔化或填充空隙，使焊道加固。脉冲模式 在全部3种情况中，当使用脉冲电弧模式时，如图3b、e、h，焊丝熔滴通常会飞进匙孔，显然不会影响到激光匙孔过程。对于情况1，如图3b，其凿孔与CMT的情况1相似，但是凿孔与匙孔击中熔池之后一样宽（与HSI中一样明显）。从HSI中，也可明显看出熔体具有更高的流动速度。在情况2中，如图3e，在主熔体流动前熔池边缘已经凝固了。情况2中电弧也不如情况1稳定，偶尔会产生飞溅。电弧产生了一个更大的凿孔，这使得沟槽侧提早凝固。由于间隙

13、的存在，情况3，如图3h所示，这个过程与CMT模式非常相似，不过凿孔更深而且提早凝固的凿孔边缘显然更大。标准模式 标准模式不推荐用于低送丝的情况1。如图3c，这是由于爆炸般的熔滴飞溅。电弧压力迫使丝头上的熔滴从工件上上升，使得丝头形成一个很大的熔滴。当熔滴最终增重到克服电弧压力时，熔滴接触到下方的熔化区会出现短路从而引起剧烈的（爆炸般的）熔体流动。在情况2和3中，如图3f，球形熔滴形成并释放。相比于脉冲模式，标准模式的电弧更不稳定并且会产生凹凸、更深的凿孔，而且释放的熔滴会稍大一些。凿孔的变化有助于咬边和焊道的变化。在情况3中，如图3i，电弧在某种程度上稳定，这有利于熔体流动和凝固前沿。由不同

14、模式的电弧产生的凿孔形状似乎是产生焊缝差异的主要原因。电弧的不稳定也会导致咬边的形成及飞溅。激光束生成的匙孔的存在，极大地降低了熔滴迁移模式的影响，同时稳定了溶体流动，从而允许焊接速度高于自动电弧焊接。3.2能源输出 如图4所示，典型LAHW用不同的弧模式焊接的截面中可以看出，使用同样的设备，但用8.3米/分钟送丝速度和2.0米/分钟的焊接速度以及一个0.5毫米宽缺口。在CMT方式可以生成一个更窄的热影响区和比其他两个模式稍窄的熔合区，原因在于电弧能量减少，相同送丝速率，融化焊丝需要的能量更低。在电弧功率的减少（减少功率输出）通常意味着向板供给更少的能量（转换成热）。对于CMT的情况下，蚀刻持

15、续了稍长的时间，这导致横截面外形更清晰。与此相反，图。 4c中，用深色（低级）和亮（上部）区域中熔合区。这更亮区域表示填料线的补充。根部略有不同，图4a，但是对本研究而言没有关系。图5显示了提供给所有九个焊接的平均电能，所有9焊缝的线路总能量（激光和电弧）和电弧功率通过这两个机器的输出表示在表3中（从显示屏上读取每个样品后）。规定的总能量线在这里通过Qline=（PA+ PL）/ V计算;其中，PA是电弧功率，PL是所述的激光功率，而v是焊接速度。若圆凿大小是已知的，则电弧挖掘力可以计算，以及圆槽的热传递，使用公式可以在20中找到。3.3焊道的稳定性 焊接的稳定性是通过比较焊道高度，咬边和其沿

16、着焊缝长度方向的外侧的深度评估的。.图6位置显示案例1焊缝成型，分析所作表面外观扫描所述的熔接面的形貌。焊道位置，高度和咬边然后测量并沿焊缝的长度方向进行评价。的扫描起始位置为x= 0和结束在x= 300毫米（除了案例3，由于显著失真其中只显示了于x =150毫米处）。该原始扫描线在与x方向设为0.5毫米的间隔， y方向上的每个扫描线约有300 数据点，从而每个扫描产生在180 k个数据点。所有由此产生的扫描9焊缝在图7都可以看出.焊道高度，沿焊缝和它们的位置咬边深度显示于图。 8A，B，分别采用第1种情况与CMT模式作为例子。从这些曲线，平均值，最大值/最小值和标准偏差值都合理。所有9焊缝的

17、焊道高度，其横向位置和咬边深度（主要评估左侧和右侧）都列在表4中。 标准偏差是多少样品尺寸的量度偏离平均值，在这里视为对过程稳定性的量度。较低或较高分别对应于更多或更少的稳定性。比较焊道高度，焊道位置和咬边深度的图形与平均值和标准偏差值可见于图。 9A-C。当比较的焊道和咬边稳定性值（参见图9）可以得到两者的共同趋势。在CMT方式显示的最小变化和咬边，其次是脉冲模式，而在标准模式显然最差。在案例3（更宽的间隙），然而，在标准模式的变化小于所述脉冲模式，其值将媲美CMT模式。由于所有情况的一致趋势，表明了焊接稳定性和咬边的形成是相关的。正如前面被发现19，23，驼峰和咬边通常同时出现在纯弧焊接高

18、焊接速度情况。但是，使用LAHW与CMT电弧模式时（图3a，d）中，甚至圆槽高度的变化加倍咬边都似乎没有增加。这是因为电弧产生的圆槽小于等于熔池宽度 ，抑制了咬边的形成。3.4条纹图像分析和理论为了分析焊缝变化与时间的关系，条纹分析被应用于如图10所展示的情景2的高速成像上，这条条纹线被定位于凝固前沿。这条线的位置能够使我们清楚到固体焊缝的情况，在端头溶滴的形成与弧的尺寸和时间。在图10a中，CMT方法会偶尔遭受提前凝固，这是一种主要的底切破坏机制。条纹线被放置在沟槽上，材料凝固之后在条纹对角线出现一个明亮的弧（倾角取决于焊接速度）。较暗的区域由不反射光的液体材料构成。当在CMT过程中发生过早

19、凝固，它经常被熔池掩盖从而消除咬边。由于CMT是一种控制模式，弧的大小和周期性随时间的推移变化不大。脉冲模式，如图10B所示，有时会有溶滴从高弧脉冲之间脱离。工作在端头和原来溶滴之间的弧会延长端头并缩短有效弧长。不同尺寸的溶滴，特别是相差太大时，在电弧力较大时会产生很高的电势。电弧在有尺寸、长度和力的影响下创造一个不均匀尺寸的圆槽。在提前凝固的前端位置的不均匀的圆槽将不会融化。当使用标准模式，如图10c所示，电弧尺寸的改变是由于不同的溶滴尺寸。所形成的圆槽在尺寸上不同，圆槽的边缘热度也不够。由于抑制润湿，存进了早期凝固。一个持续稳定的有着规则溶滴的电弧对标准模式很重要。然而，不规则的溶滴和电弧

20、更可能发生。对于低速焊接来说，电弧可能去平衡这些不规则（图从电弧和圆槽平均），然而对于高速焊接(特别是长电弧)来说，不规则对最终结果影响更大。一个轨缝引起的电弧会产生更深的更宽的圆槽，这意味着在凝固前沿更快的冷却速率。甚至更多的填充焊丝会从一个光滑的球状向盘状过度，否则就会填补缺口。当用标准模式焊接时，缝隙似乎使电弧向溶滴转变更稳定。同时，连续的电流对圆槽凝固前沿提供更多的热度、更好的润湿性，从而减少削弱。图11说明了这个复杂的机制，图11a展示了焊接的高稳定性和低的咬边。这可以通过使用CMT模式或低输送速度的脉冲模式来完成。如图11d所示的不稳定电弧，经常在溶滴分离变化时产生，如低送丝速度的

21、标准模式或高速焊接脉冲模式或标准模式。这种不稳定的行为促进了咬边的形成和焊缝的变化。过程说明图11b这种情况经常发生在高送丝速度（除了使用自定义低速焊接）的脉冲模式。如图11c所示，焊缝的存在稳定了电弧但是提高了对边缘凝固的影响。甚至促进了CMT模式的咬边。另一方面，标准模式下焊缝存在的更好，产生的机制如图11a.c所示。应该指出的是，用控制电弧模式（特别是CMT，也包括脉冲模式）焊接时，在一个平坦的表面或焊缝几乎没有时是最有优势的。然而，在较宽的间隙焊接，标准模式的电弧受益于一个更稳定的电弧和更均匀的圆槽、熔体的流动和凝固前沿的情况。4结论（1）CMT电弧适合与激光复合焊接较厚的片只要由有限

22、的焊丝输送速度填充足够窄的间隙。（2）与激光脉冲和电弧喷涂方式相比混合焊接，在CMT方式表现出优越焊接的稳定性，并减少咬边，降低功耗减少焊接/焊接热影响区的宽度。（3）后续匙孔降低了几种电弧模式下的熔滴过渡和稳定性之间的差异。（4）因为焊缝变宽焊速变高咬边倾向增加。 CMT对焊接速度并不敏感。（5）在较高的焊接速度，电弧反常行为会造成较大的影响，造成了更多种类焊缝。（6） 上一个熔滴的脱落影响了电弧形态影响圆槽尺寸，对咬边形成和焊接稳定性具有负面影响。这在脉冲电弧模式和尤其是标准模式更易出现这个问题。（7）更宽的间隙电弧更稳定。这对标准模式更有利，与CMT和脉冲相比这种模式在凝固前沿有更好的润

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