段愛(ài)琴,陳 俐,鞏水利

(北京航空制造工程研究所高能束流加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100024)

激光束由于具有高的熱源密度,使其應(yīng)用于焊接領(lǐng)域具有速度高、線能量小、變形小、熱影響區(qū)窄以及接頭綜合性能好等一系列優(yōu)點(diǎn)。但和其他焊接熱源一樣,激光也有缺點(diǎn),如對(duì)焊接間隙要求非常高以及金屬表面反射率高等,在實(shí)際焊接的適用性方面受到限制,特別是鋁合金。激光-電弧復(fù)合焊接,是結(jié)合激光焊和電弧焊優(yōu)勢(shì)的一項(xiàng)復(fù)合焊接技術(shù),始于20世紀(jì)70年代末,由英國(guó)倫敦帝國(guó)大學(xué)學(xué)者W.M.Steen首先提出,但直到最近幾年,由于工業(yè)生產(chǎn)的需要,才逐步成為國(guó)際焊接界的關(guān)注焦點(diǎn),并得到了廣泛重視。目前,作為一種新興焊接技術(shù),在德國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家已先后進(jìn)入了工業(yè)化應(yīng)用階段,特別是在造船等工業(yè)領(lǐng)域。

在實(shí)際應(yīng)用中有多種激光和電弧的組合,其特點(diǎn)和作用原理也各有不同。本文對(duì)激光-電弧復(fù)合焊的研究主要針對(duì)YAG激光與MIG電弧焊進(jìn)行復(fù)合,且以MIG弧作為輔助熱源。此種復(fù)合由于利用了填絲的優(yōu)點(diǎn),增加了適用性。單獨(dú)激光熱源的作用區(qū)域小,復(fù)合焊中電弧的參與,擴(kuò)大了熱作用范圍,熔化金屬增多,橋接能力增強(qiáng),降低了對(duì)焊件接口的裝配要求。同時(shí)電弧的熱作用范圍大,熱影響區(qū)擴(kuò)大,溫度梯度減小,冷卻速度降低,熔池凝固過(guò)程變得緩慢,焊接鋁合金等金屬時(shí)可減少或消除氣孔和裂紋的生成。熔敷金屬的加入可改善單一激光焊時(shí)焊縫微觀組織,提高焊縫的綜合力學(xué)性能。

1 試驗(yàn)設(shè)備與過(guò)程

YAG-MIG激光電弧復(fù)合焊接系統(tǒng)主要由兩部分組成,即激光焊接設(shè)備和電弧焊接設(shè)備。其中激光焊接設(shè)備采用由ABB機(jī)械手控制的YAG激光焊接系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用GSI Lumonics公司4.5kW的AM356型YAG激光器,激光通過(guò)光纖傳輸并反射聚焦后到達(dá)工件。

MIG電弧設(shè)備采用奧地利Fronius公司生產(chǎn)的推-拉式TPS4000 Alu-Edition鋁焊專機(jī)/冷送絲復(fù)合裝置以及自制專用卡具。MIG焊是采用連續(xù)等速送進(jìn)可熔化焊絲與焊件之間的電弧作為熱源來(lái)熔化焊絲和母材金屬,形成熔池和焊縫的焊接方法。為了得到良好的焊縫,應(yīng)利用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護(hù)熔滴、熔池金屬及焊接區(qū)高溫金屬免受周圍空氣的有害作用。

2 復(fù)合方式

即使只是對(duì)YAG激光熱源和MIG脈沖熱源進(jìn)行復(fù)合焊接,由于復(fù)合方式不同,最終形成的熱源以及相互作用過(guò)程都有很大的不同。目前與MIG焊復(fù)合影響最大的分類有兩個(gè)方面:①主輔熱源:分為以激光熱源為主、MIG熱源作為輔助熱源的焊接和以MIG熱源為主、用低功率激光作為輔助熱源的焊接;②前后復(fù)合:分為激光熱源在前的焊接和MIG熱源在前的焊接。這兩個(gè)方面的復(fù)合可以產(chǎn)生4種復(fù)合方式,而這4種復(fù)合方式的機(jī)理和結(jié)果都有所不同。

根據(jù)需求,YAG-MIG復(fù)合采用以激光為主熱源,且MIG熱源在前的方式進(jìn)行復(fù)合,其復(fù)合原理如圖1所示,MIG熱源在前,與激光作用區(qū)保持一定的距離,使激光與電弧作用于同一熔池。同時(shí)可通過(guò)調(diào)整電弧電流、高度、角度、電弧與激光束之間的距離等,使YAG-MIG復(fù)合焊接獲得高質(zhì)量焊縫。

圖1 激光電弧熱源共同作用機(jī)理

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本文以典型航空材料 5A90分別進(jìn)行單一激光、MIG電弧以及YAG-MIG復(fù)合焊接時(shí)其等離子體物性參數(shù)的測(cè)量和計(jì)算為基礎(chǔ),研究YAG-MIG激光電弧復(fù)合焊接時(shí)等離子體物性參數(shù)的變化及其影響,以及其等離子體的動(dòng)態(tài)變化特征,從而獲得激光-電弧復(fù)合焊的復(fù)合熱源特征,理解其焊接的本質(zhì)機(jī)理。

在激光焊接時(shí)伴有金屬蒸氣/等離子體的產(chǎn)生,從而形成小孔和熔池上方的等離子體云,而MIG電弧焊的熱源是熱等離子體弧,因而對(duì)于單激光、MIG弧焊以及二者的復(fù)合熱源焊接,等離子體都是一個(gè)重要的物理量,對(duì)焊接過(guò)程和結(jié)果起到至關(guān)重要的作用。鑒于此,首先通過(guò)3種熱源焊接鋁鋰合金5A90時(shí)等離子體的變化圖像,來(lái)分析其各自的形貌特征。圖2～圖4分別給出了單一YAG激光、單一MIG弧以及YAG-MIG復(fù)合焊接同樣厚度的鋁鋰合金5A90時(shí),等離子體的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程。

分析各自的特征,可以發(fā)現(xiàn):

(1)單一激光焊接時(shí)等離子體特征:其等離子體連續(xù)變化圖像表明(圖2),單一YAG激光焊接5A90時(shí),金屬蒸氣/等離子體整體明顯較弱。且金屬蒸氣/等離子體飄動(dòng)性較強(qiáng),在不同時(shí)刻方向變化相當(dāng)大,同時(shí)體積較小。

(2)單一MIG焊接時(shí)等離子體特征:其等離子體和熔滴連續(xù)變化過(guò)程表明(圖3),脈沖MIG的電弧變化周期為10 ms,而等離子弧持續(xù)時(shí)間約為1.8 ms。從圖中可清楚地發(fā)現(xiàn),MIG電弧從微弧逐漸增加至最大,然后逐漸變小,接著熔滴噴出,落在熔池中。測(cè)量結(jié)果表明,最大弧長(zhǎng)為 7.5mm,弧高3mm,寬度為3.5mm左右。與單激光焊的等離子體相比,MIG等離子體弧的強(qiáng)度要高很多。

圖4 YAG-MIG復(fù)合焊接5A90的等離子體及熔滴變化過(guò)程

(3)YAG-MIG復(fù)合焊時(shí)等離子體特征:其等離子體變化過(guò)程表明(圖4),YAG-MIG復(fù)合焊的等離子體在MIG弧存在階段,與MIG弧具有相近之處,周期性與MIG相似,但在MIG弧熄滅階段與MIG焊和YAG焊都有明顯的區(qū)別。在復(fù)合焊時(shí),熔滴離開(kāi)MIG槍后下落時(shí)間約為1.3 ms(它與焊接速度和激光功率等幾乎無(wú)關(guān)),當(dāng)焊接速度為1 m/min時(shí),熔滴所滴落的位置距離是0.022mm,它與激光焊時(shí)小孔直徑0.8～1mm相比要小得多。

綜合3種熱源焊接時(shí)的基本特征,進(jìn)一步詳細(xì)分析YAG-MIG復(fù)合焊等離子體的特點(diǎn),發(fā)現(xiàn)在YAG-MIG激光復(fù)合焊接時(shí),等離子體可分為4種類型,即:①?gòu)?qiáng)MIG等離子體復(fù)合強(qiáng)YAG等離子體;②強(qiáng)MIG等離子體復(fù)合弱YAG等離子體;③MIG微弧復(fù)合強(qiáng)YAG金屬蒸氣/等離子體;④MIG微弧復(fù)合弱YAG金屬蒸氣/等離子體。圖5a～圖5d分別為這4類等離子體的典型形貌。

分別對(duì)這4種類型的等離子體與單MIG焊和單激光焊對(duì)應(yīng)的等離子體相對(duì)比,分析復(fù)合熱源間的相互作用。圖6為強(qiáng)單一MIG等離子體和弱單一MIG等離子體,以及單一YAG強(qiáng)和弱等離子體的典型型貌。對(duì)比分析相應(yīng)的結(jié)果,可以發(fā)現(xiàn):

(1)在強(qiáng)MIG等離子體復(fù)合強(qiáng)YAG等離子體時(shí),復(fù)合焊的等離子體強(qiáng)度和形狀發(fā)生明顯變化,且不是二者的簡(jiǎn)單疊加結(jié)果。它呈現(xiàn)一種不規(guī)則的弧,充分說(shuō)明盡管在單激光焊接時(shí)等離子體較弱,但在復(fù)合焊時(shí),它對(duì)MIG弧的影響也不容忽視。

(2)在強(qiáng)MIG等離子體復(fù)合弱YAG等離子體時(shí),可發(fā)現(xiàn)其等離子體的形狀與單MIG的弧相似,表明此時(shí)YAG等離子體對(duì)其影響較小。

(3)在MIG微弧復(fù)合強(qiáng)YAG金屬蒸氣/等離子體時(shí),其等離子體的強(qiáng)度高于單一激光焊,且形狀也有較大的差別,表明此時(shí)雖然MIG電弧僅為微弧,但是它對(duì)YAG金屬蒸氣/等離子體有顯著的影響。這種影響可能來(lái)自兩個(gè)方面,一是激光作用區(qū)的材料狀態(tài),即由于MIG弧前置的表面加熱作用,使激光作用區(qū)的氣化及等離子化現(xiàn)象加強(qiáng);二是MIG弧的氬氣輸入使激光作用區(qū)的電離度增加。

(4)MIG微弧復(fù)合弱YAG金屬蒸氣/等離子體時(shí),與單一MIG微弧時(shí)相比,復(fù)合焊的最弱等離子體階段明顯強(qiáng)度要高,這對(duì)于進(jìn)入熔池的熔滴的加熱歷程有所不同,可能更有利于熔滴的流動(dòng)和均勻分布。

綜上所述,在YAG-MIG復(fù)合焊接時(shí),總體而言,MIG弧無(wú)論是在其強(qiáng)弧階段還是微弧階段,都對(duì)激光焊的金屬蒸氣/等離子體有顯著的影響,復(fù)合焊的等離子體體積及強(qiáng)度明顯較強(qiáng)。

4 結(jié)論

對(duì)YAG-MIG復(fù)合焊接時(shí)等離子體的特性研究表明:

(1)YAG-MIG復(fù)合焊的等離子體在MIG弧存在階段,與MIG弧具有相近之處,其周期性與MIG相似,但在MIG弧熄滅階段與MIG焊和YAG焊都有明顯的區(qū)別。

(2)在強(qiáng)MIG等離子體復(fù)合強(qiáng)YAG等離子體時(shí),復(fù)合焊的等離子體強(qiáng)度和形狀發(fā)生明顯變化,且不是二者的簡(jiǎn)單疊加結(jié)果。它呈現(xiàn)一種不規(guī)則的弧,充分說(shuō)明盡管在單激光焊接時(shí)等離子體較弱,但在復(fù)合焊時(shí),它對(duì)MIG弧的影響也不容忽視。

(3)在MIG微弧復(fù)合強(qiáng)YAG金屬蒸氣/等離子體時(shí),其等離子體的強(qiáng)度高于單一激光焊,且形狀也有較大差別,表明此時(shí)雖然MIG電弧僅為微弧,但它對(duì)YAG金屬蒸氣/等離子體有顯著的影響。

(4)MIG微弧復(fù)合弱YAG金屬蒸氣/等離子體時(shí),與單一MIG微弧時(shí)相比,復(fù)合焊的最弱等離子體階段明顯強(qiáng)度要高,這對(duì)于進(jìn)入熔池的熔滴的加熱歷程有所不同,可能更有利于熔滴的流動(dòng)和均勻分布。

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