張 臣，胡佩佩

（1. 武漢大學(xué)工業(yè)科學(xué)研究院，武漢 430072；2. 上海航天精密機(jī)械研究所，上海 201699）

未來(lái)航空航天裝備面臨越來(lái)越多的極端使用環(huán)境，將大量使用高強(qiáng)度、高耐性材料以提高性能，如高強(qiáng)鋁合金、鈦合金、超合金、高熵合金等。然而，這些材料的成形加工性普遍較差。高能量密度激光焊接可以熔/汽化幾乎所有材料，能勝任許多傳統(tǒng)制造方法無(wú)法達(dá)成的工作，正快速發(fā)展成為主流制造手段。單一熱源激光焊接常常面臨質(zhì)量與效率不能兼得的難題。如深窄的光致小孔是提升效率的重要手段，但是過(guò)深的小孔容易導(dǎo)致失穩(wěn)，形成嚴(yán)重氣孔缺陷。激光-電弧復(fù)合焊接通過(guò)有機(jī)結(jié)合兩種熱源，在保留單一熱源優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，利用熱源耦合效應(yīng)克服缺點(diǎn)，提升效率，是激光焊接的重要發(fā)展方向[1]。

航空航天裝備中應(yīng)用的鋁合金部件具有大尺寸的特點(diǎn)，因此其連接部位以長(zhǎng)焊縫居多，穩(wěn)定的焊接工藝過(guò)程是保證長(zhǎng)焊縫焊接質(zhì)量的必要條件。作為一種集成兩種焊接工藝的新技術(shù)，激光-電弧復(fù)合焊接的可調(diào)節(jié)參數(shù)增加，意味著在實(shí)際焊接中的干擾因素也相應(yīng)增多，工藝穩(wěn)定性控制難度增大。因此，掌握影響鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接工藝穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，對(duì)促進(jìn)該技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用具有重要意義?，F(xiàn)階段，盡管已經(jīng)有較多的激光-電弧復(fù)合焊接工藝研究[2-4]，但關(guān)于焊接工藝過(guò)程穩(wěn)定性方面的系統(tǒng)研究還相對(duì)缺乏。

無(wú)論是激光焊接還是MIG 電弧焊接，飛濺和焊縫表面形貌是最直觀反映焊接過(guò)程穩(wěn)定性的物理現(xiàn)象。在激光焊接中，小孔的波動(dòng)導(dǎo)致等離子體流力方向變化，使得小孔周?chē)垡簭男】變?nèi)飛出，產(chǎn)生飛濺現(xiàn)象[5]；在脈沖MIG 電弧焊接中，不穩(wěn)定的熔滴過(guò)渡是形成飛濺的主要原因，不合理的保護(hù)氣成分、過(guò)高或過(guò)低的保護(hù)氣流量都可以影響熔滴過(guò)渡，電弧電壓過(guò)低會(huì)導(dǎo)致熔滴過(guò)渡方式轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的短路過(guò)渡，而不平穩(wěn)的熔滴過(guò)渡會(huì)導(dǎo)致焊縫表面成形變差[6]。在激光-電弧復(fù)合焊接中，激光和電弧之間的相互作用會(huì)改變電弧熔滴的受力情況，影響熔滴沖擊力和電弧壓力，從而影響復(fù)合焊接工藝穩(wěn)定性、飛濺的形成傾向及焊縫表面形貌[7]?；谏鲜龇治隹傻秒娀顟B(tài)對(duì)飛濺等穩(wěn)定性因素的影響更大。如果能建立電弧參數(shù)與工藝穩(wěn)定性的關(guān)聯(lián)關(guān)系，對(duì)于優(yōu)化復(fù)合焊接工藝參數(shù)、改善復(fù)合焊接過(guò)程穩(wěn)定性和提高焊縫質(zhì)量具有重要的理論指導(dǎo)意義。

本研究將基于焊接飛濺的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)和焊縫表面成形質(zhì)量，系統(tǒng)研究保護(hù)氣、電弧工藝參數(shù)等影響熔滴過(guò)渡的因素對(duì)激光- MIG 電弧復(fù)合焊接工藝過(guò)程穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為鋁合金激光-電弧復(fù)合焊接工藝的工程化應(yīng)用奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)及方法

試驗(yàn)材料采用AA6082-T6 鋁合金，厚度為8 mm 和12 mm，焊絲為ER5087。電弧焊炬采用Ar-He 混合保護(hù)氣。試驗(yàn)研究了單一工藝參數(shù)對(duì)焊接過(guò)程的影響。如不作特殊說(shuō)明，試驗(yàn)中的工藝參數(shù)保持恒定：激光束入射角10°、離焦量- 2 mm、保護(hù)氣成分100% Ar、保護(hù)氣流量40 L/min、焊炬傾角60°、光絲間距2 mm、焊絲干伸長(zhǎng)16 mm。

試驗(yàn)所用激光器為IPG 公司的YLR-6000 連續(xù)光纖激光器，波長(zhǎng)為1070～1080 nm，光束質(zhì)量參數(shù)（BPP）為6.9 mm×mrad，光束模式為T(mén)EM01。激光束通過(guò)200 μm 芯徑的傳導(dǎo)光纖傳輸?shù)郊す夂附宇^。激光焊接頭聚焦焦距為250 mm，聚焦后焦點(diǎn)處光斑直徑為0.4 mm。電弧電源采用Fronius 公司的TPS4000 MIG焊機(jī)。采用PCO Dimax HD 高速攝像機(jī)分別記錄焊接過(guò)程熔滴過(guò)渡和等離子體形貌，具體見(jiàn)圖1（a）。飛濺的分析采用了熔滴過(guò)渡的高速攝影結(jié)果，通過(guò)統(tǒng)計(jì)固定視場(chǎng)和視角的高速攝影圖片內(nèi)飛濺顆粒的數(shù)量，定量地分析飛濺的程度，如圖1（b）所示，在激光功率P為3 kW，電弧電流I為180 A，焊接速度v為2 m/min 時(shí)飛濺顆粒數(shù)約為35 個(gè) （一個(gè)圓圈包含一個(gè)飛濺顆粒）。由于脈沖電弧的周期性，這里選擇1 個(gè)脈沖內(nèi)飛濺顆粒最多的時(shí)刻進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，這個(gè)時(shí)刻一般在熔滴從焊絲脫離后與熔池接觸的瞬間，且選取3 個(gè)不同脈沖的平均飛濺顆粒數(shù)作為最終結(jié)果。一個(gè)熔滴的過(guò)渡周期在10 ms 左右，高速攝影機(jī)的采集幀速為3000 ～ 5000 f/s。高速攝影機(jī)從起弧穩(wěn)定后約1 ～ 2 s 開(kāi)始采集圖像，保證采集到至少3 個(gè)以上熔滴過(guò)渡周期的影像。由于1 個(gè)脈沖內(nèi)的圖像包含了重復(fù)的飛濺顆粒，這里采用人工逐幀分析方法確定飛濺數(shù)量。焊接完成后對(duì)焊縫表面成形質(zhì)量進(jìn)行檢查，并對(duì)表面保護(hù)效果、表面缺陷等按照ISO 10042 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

圖1 復(fù)合焊接過(guò)程高速攝影試驗(yàn)設(shè)置及飛濺統(tǒng)計(jì)方法 （P=3 kW，I=180 A，v=2 m/min）Fig.1 Experimental setup of high-speed photography and statistical method of spatters(P=3 kW，I=180 A，v=2 m/min)

2 結(jié)果與討論

2.1 保護(hù)氣體的影響

（1）保護(hù)氣體成分的影響。

如圖2 所示，焊接過(guò)程中He 保護(hù)氣的體積分?jǐn)?shù)對(duì)飛濺數(shù)量影響較小。焊縫表面形貌如圖3 所示，純Ar氣具有最佳的表面形貌。但是添加He 氣后，焊縫表面失去金屬光澤，甚至產(chǎn)生了少量黑色氧化物，且He 氣體積分?jǐn)?shù)越高，保護(hù)效果越差。

圖2 保護(hù)氣中He 氣體積分?jǐn)?shù)對(duì)焊接飛濺的影響 （P=3 kW，I=240 A，v=1.5 m/min）Fig.2 Influence of He gas content in shielding gas on spatter (P=3 kW，I=240 A，v=1.5 m/min)

圖3 不同He 氣體積分?jǐn)?shù)下焊縫表面形貌Fig.3 Surface morphologies of weld seams under diffe ent He gas volume fractions

采用Ar 和He 氣作為保護(hù)氣的焊接電弧的性質(zhì)具有較大差異。Ar和He 的第一電離能分別為15.755 eV 和24.580 eV，Ar 明顯低于He，使Ar 保護(hù)氣電弧不需要較高的電壓和電流密度即能維持。因此，Ar 電弧的溫度低于He 電弧。在保護(hù)氣為He 的MIG 焊接中，熔滴受到由陰極指向陽(yáng)極的大陰極力的作用而使過(guò)渡不暢，造成過(guò)渡的熔滴形狀不規(guī)則，并使熔滴過(guò)渡的方向也不規(guī)律[8]。這一現(xiàn)象使焊接過(guò)程不穩(wěn)定，易產(chǎn)生飛濺。但是在激光- MIG 復(fù)合焊接中隨著保護(hù)氣He 體積分?jǐn)?shù)的增加，焊接過(guò)程中的飛濺并沒(méi)有明顯增加，說(shuō)明激光與MIG 電弧的相互作用穩(wěn)定了電弧中的熔滴過(guò)渡。

He 保護(hù)氣可以使電弧電壓和電流密度增加，產(chǎn)生高能量電弧。而激光作用于電弧又進(jìn)一步增加了電弧的能量密度，電弧能量進(jìn)一步增加，這種高能電弧導(dǎo)致鋁合金中低熔點(diǎn)元素 （如Mg）的燒損，使焊縫表面保護(hù)效果變差。說(shuō)明含He 的保護(hù)氣體并不是非常適合于鋁合金復(fù)合焊接。

綜合以上結(jié)果可知，在復(fù)合焊接鋁合金中，激光與電弧兩種熱源的相互作用能夠穩(wěn)定電弧，使得含He 氣的保護(hù)氣對(duì)焊接過(guò)程穩(wěn)定性的不利影響變小。但是，含He 氣的保護(hù)氣又使相應(yīng)的焊縫保護(hù)效果變差。鋁合金復(fù)合焊接適合采用純Ar 保護(hù)氣。

（2）保護(hù)氣體流量的影響。

當(dāng)采用純Ar作為焊接保護(hù)氣時(shí)，焊接飛濺隨保護(hù)氣流量的變化規(guī)律如圖4 所示。當(dāng)氣體流量為10 L/min時(shí)，飛濺顆粒數(shù)量約為31 個(gè)；氣體流量增加到20 L/min 時(shí)，飛濺顆粒數(shù)量下降，約為20 個(gè)；氣體流量繼續(xù)增加，飛濺顆粒并沒(méi)有隨之下降，而是趨于穩(wěn)定。

圖4 純Ar 保護(hù)氣流量對(duì)焊接飛濺的影響（P=3 kW，I=240 A，v=1.5 m/min）Fig.4 Influence of pure Ar gas on spatter(P=3 kW，I=240 A，v=1.5 m/min)

如圖5 所示，當(dāng)氣體流量大于10 L/min 時(shí)，所有焊縫表面都無(wú)肉眼可見(jiàn)的咬邊、氣孔和裂紋缺陷；而且保護(hù)氣體流量越大，保護(hù)效果越好。當(dāng)氣體流量為10 L/min 時(shí)，焊縫表面有明顯的黑色氧化物存在；但是，當(dāng)氣體流量增加至40 L/min 時(shí)，焊縫表面呈現(xiàn)出金屬光澤，邊緣有明顯的陰極霧化區(qū)出現(xiàn)。

圖5 不同Ar 保護(hù)氣流量下焊縫表面形貌Fig.5 Weld surface morphologies under diffe ent Ar gas flows

圖6（a）是當(dāng)保護(hù)氣體流量為10 L/min 時(shí)復(fù)合焊接的高速攝像圖，電弧在箭頭所示的部位產(chǎn)生了漂移，說(shuō)明保護(hù)氣流量過(guò)低時(shí)，氣流挺度較差，產(chǎn)生了紊流。電弧保護(hù)氣的波動(dòng)將影響電弧內(nèi)部電磁力和等離子體流力的大小和方向，進(jìn)而使熔滴受到波動(dòng)電弧力的影響，不能規(guī)律地過(guò)渡到熔池中，容易產(chǎn)生飛濺。

圖6 不同保護(hù)氣流量時(shí)典型復(fù)合焊接羽輝變化過(guò)程的高速攝影Fig.6 High-speed photography of typical hybrid welding plume change process with diffe ent shielding gas flow rates

圖6（b）是當(dāng)保護(hù)氣流量為40 L/min 時(shí)的復(fù)合焊接過(guò)程高速攝影圖，與圖6（a）相比可以發(fā)現(xiàn)，焊接過(guò)程中飛濺明顯減少，電弧形貌與焊接過(guò)程穩(wěn)定。可見(jiàn)，采用較大的保護(hù)氣流量有利于在電弧周?chē)纬煞€(wěn)定的層流層，不僅可以穩(wěn)定電弧，也鞏固了保護(hù)范圍，阻止外圍空氣卷入電弧和熔池，所以焊縫表面成形良好。當(dāng)然，氣體流量過(guò)大，不僅使得成本增加，氣流在噴嘴近壁層流很薄，甚至形成紊流，保護(hù)效果也不會(huì)好。

綜合上述試驗(yàn)數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在本試驗(yàn)條件下，復(fù)合焊接過(guò)程采用20 L/min以上的保護(hù)氣流量可以增強(qiáng)焊接過(guò)程穩(wěn)定性并提高焊縫保護(hù)效果。

2.2 電弧特性的影響

（1）電弧電流的影響。

圖7 所示為激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程中不同電弧電流條件下飛濺程度的關(guān)系，可見(jiàn)焊接過(guò)程穩(wěn)定，飛濺數(shù)量變化受電弧電流大小影響不大。如圖8 所示，不同電流下焊縫表面都具有均勻的魚(yú)鱗紋，焊縫邊緣陰極霧化區(qū)較寬。隨電流的增加，焊縫寬度有所增加。

圖7 電弧電流對(duì)焊接飛濺的影響（P=3 kW，v=1.5 m/min）Fig.7 Influence of arc current on welding spatter(P=3 kW，v=1.5 m/min)

圖8 不同電弧電流時(shí)焊縫表面形貌Fig.8 Surface morphology of weld seams under diffe ent arc currents

圖9 為不同電流時(shí)的電弧焊接和復(fù)合焊接等離子體羽輝形貌，對(duì)比結(jié)果表明復(fù)合焊接羽輝與電弧焊接羽輝的形貌差異較小，說(shuō)明激光和電弧的相互作用過(guò)程中，激光導(dǎo)致的羽輝完全融入電弧并成為一個(gè)整體。因此，光纖激光對(duì)電弧的干擾作用較小。上述研究結(jié)果同時(shí)還發(fā)現(xiàn)，兩種工藝的羽輝形狀未隨電流變化而發(fā)生明顯改變，說(shuō)明當(dāng)電流不同時(shí)復(fù)合焊接過(guò)程都能保持穩(wěn)定。

圖9 不同電弧電流時(shí)復(fù)合焊接羽輝形貌（P=3 kW，v=1 m/min）Fig.9 Appearance of welding plume under diffe ent arc currents (P=3 kW，v=1 m/min)

以上規(guī)律表明，光纖激光與電弧之間的相互作用產(chǎn)生了穩(wěn)定的復(fù)合焊接過(guò)程，使得電弧電流大小對(duì)穩(wěn)定性的影響較弱。

（2）電弧電壓的影響。

與240 A 焊接電流相匹配的電壓為21.4 V，如圖10 所示，電弧電壓大于21.4 V 時(shí)，焊接過(guò)程飛濺顆粒數(shù)量約為24 ～ 30 顆。電弧電壓降低，飛濺數(shù)量急劇增加，如電壓為18.9 V 時(shí)，飛濺顆粒最大，達(dá)100 顆以上。導(dǎo)致飛濺較多的工藝參數(shù)使得焊接過(guò)程不穩(wěn)定，這也將影響焊縫的表面形貌。如圖11 中焊縫形貌所示，電壓較高時(shí)焊縫形貌較均勻，隨著電壓的降低焊縫表面均勻度越來(lái)越差，與上述飛濺規(guī)律基本吻合。

圖10 電弧電壓對(duì)焊接飛濺的影響（P=6 kW，I=240 A，v=4 m/min）Fig.10 Influence of arc voltage on welding spatter (P=6 kW，I=240 A，v=4 m/min)

圖11 不同電弧電壓的焊縫表面形貌Fig.11 Weld surface morphologies with diffe ent arc voltages

眾所周知，焊接電弧弧長(zhǎng)取決于電弧電壓，電壓越大弧長(zhǎng)越長(zhǎng)。電弧電壓對(duì)焊接穩(wěn)定性的影響與電弧弧長(zhǎng)有關(guān)。電弧電壓為18.9 V 時(shí)的焊接過(guò)程高速攝影如圖12 所示。在t= 4 ms 時(shí)，電弧幾乎熄滅，很顯然電弧產(chǎn)生了短路現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因是，電弧電壓相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)電壓降低幅度較大，導(dǎo)致電弧弧長(zhǎng)大幅變短，焊絲頂端距離熔池表面較近，使得熔滴運(yùn)動(dòng)的距離較短。如果熔滴過(guò)渡受到外界的干擾，如激光束改變電弧能量，進(jìn)而改變?nèi)鄣问芰?，則導(dǎo)致焊絲頂端與熔池接觸造成短路。在t= 8 ms 時(shí)，高速攝影照片電弧等離子體急劇膨脹，這是因?yàn)楹附踊芈范搪窌?huì)導(dǎo)致焊絲頂端的電流密度劇烈增加，焊接等離子體急劇膨脹，并產(chǎn)生熔滴爆炸，而在爆炸過(guò)程中產(chǎn)生大量飛濺顆粒。所以，復(fù)合焊接中的短弧長(zhǎng)容易導(dǎo)致焊接飛濺。

圖12 電弧電壓為18.9 V 時(shí)復(fù)合焊接過(guò)程電弧短路的高速攝影Fig.12 High-speed photography of arc short circuit in welding when arc voltage is 18.9 V

由于低電壓焊接過(guò)程中短路過(guò)渡現(xiàn)象的存在，熔滴不能規(guī)律地過(guò)渡到熔池中，導(dǎo)致焊縫成形變差。所以，焊接過(guò)程中應(yīng)采用較高的電壓，以維持電弧弧長(zhǎng)在一個(gè)穩(wěn)定、不產(chǎn)生短路過(guò)渡的范圍內(nèi)。但是電壓過(guò)高會(huì)導(dǎo)致弧長(zhǎng)過(guò)長(zhǎng)，容易使MIG 焊接中導(dǎo)電咀燒損。因此，電壓的選擇需要在上述兩個(gè)因素之間平衡。

綜上所述，鋁合金激光- MIG 電弧復(fù)合焊接過(guò)程中電弧電壓對(duì)飛濺的影響較大。采用較高的電弧電壓適當(dāng)提高電弧長(zhǎng)度，可以避免不穩(wěn)定短路過(guò)渡的發(fā)生，有利于抑制飛濺，并使焊縫表面成形更佳。

2.3 激光-電弧光絲間距的影響

如圖13 所示，激光與電弧兩種光絲間距為0 時(shí)，焊接過(guò)程飛濺較多。隨著光絲間距的增加，飛濺數(shù)量逐漸下降。同時(shí)，光絲間距為0 的焊縫表面成形及保護(hù)效果也最差，與飛濺規(guī)律相對(duì)應(yīng)，如圖14 所示。

圖13 光絲間距對(duì)焊接飛濺的影響（P=3 kW，I=240 A，v=1.5 m/min）Fig.13 Influence of distance between laser beam and wire tip on welding spatter(P=3 kW，I=240 A，v=1.5 m/min)

圖14 不同光絲間距的焊縫表面形貌Fig.14 Weld surface morphologies at diffe ent distance between the center of laser beam and wire tip

熔滴過(guò)渡后，在熔池中的落點(diǎn)位置決定了飛濺的形成規(guī)律。如圖15所示，隨著光絲間距的擴(kuò)大，熔池前端與焊絲末端的距離Dpw依次增加。光絲間距為0 時(shí)，由于Dpw較小，過(guò)渡熔滴很可能未落入熔池中，而是進(jìn)入固態(tài)母材區(qū)域，圖15（a）中熔池前端出現(xiàn)金屬顆粒印證了上述假設(shè)，這與電弧焊接的情況比較類(lèi)似，因此飛濺產(chǎn)生的概率較大；光絲間距增加到2 mm 后，激光預(yù)熱作用使得熔滴前端面積增加，熔滴可以完全落入熔池中；隨著光絲間距繼續(xù)增加到4 mm，熔滴前端面積進(jìn)一步增加，熔滴落入點(diǎn)在熔池中心，且遠(yuǎn)離小孔位置，避免了激光束輻照，以及小孔內(nèi)部反沖等離子體對(duì)熔滴運(yùn)動(dòng)的干擾，焊接過(guò)程將更加穩(wěn)定，飛濺更少。

圖15 不同光絲間距時(shí)的熔池狀態(tài)Fig.15 State of molten pool with different distance between the center of laser beam and wire tip

在旁軸復(fù)合焊接中，激光和電弧光絲間距越大，熱源的相互作用越弱，當(dāng)增大到一定程度將失去相互作用。研究表明，在鋼材CO2激光-電弧復(fù)合焊接中光絲間距超過(guò)4 mm后，相互作用程度將大幅降低[9]。雖然大光絲間距有利于減少飛濺，但是失去復(fù)合焊接相互作用后，可能降低焊接效率和質(zhì)量，將得不償失。所以，鋁合金復(fù)合焊接的光絲間距最佳值還需經(jīng)過(guò)后續(xù)相互作用研究后確定。

以上試驗(yàn)結(jié)果說(shuō)明，復(fù)合焊接過(guò)程中光絲間距的增加可以減少焊接過(guò)程中的飛濺。光絲間距在0 ～ 6 mm 時(shí)，光絲間距越大，激光的預(yù)熱作用越強(qiáng)，熔池前端面積也越大，激光對(duì)熔滴干擾越小，熔滴可以更加平穩(wěn)地過(guò)渡到熔池中。但是，考慮到光絲間距越大，熱源相互作用越弱，復(fù)合焊接特征減弱，最佳值須根據(jù)相互作用研究來(lái)確定。

綜上所述，為了得到飛濺較少、焊縫成形較佳的焊接效果，主要復(fù)合焊接工藝參數(shù)都存在一個(gè)較為合適的范圍，為后續(xù)試驗(yàn)穩(wěn)定地進(jìn)行提供了參考。

2.4 復(fù)合焊接過(guò)程中有關(guān)飛濺的物理模型探討

焊接過(guò)程中的飛濺是焊接是否穩(wěn)定的直接體現(xiàn)，飛濺的存在不僅說(shuō)明焊接熔池不穩(wěn)定，而且減少了填充材料的利用率，同時(shí)，工件表面飛濺的焊后清理增加了額外制造成本。另外，飛濺顆粒過(guò)多可能影響精密零部件的表面精度，限制了焊接的應(yīng)用范圍。因此，研究復(fù)合焊接過(guò)程的飛濺影響因素，探索飛濺抑制機(jī)制具有重要意義。激光焊接過(guò)程中，飛濺通常由激光光致小孔內(nèi)部的反沖壓力裹挾小孔邊緣的熔化物質(zhì)脫離熔池而形成。MIG 電弧焊接中，飛濺一般由熔滴過(guò)渡時(shí)受力不均分解而形成。穩(wěn)定的熔滴過(guò)渡是抑制飛濺的關(guān)鍵因素。熔滴運(yùn)動(dòng)主要受到電弧內(nèi)部的力作用，作用于熔滴的力主要包括電磁收縮力、等離子流力、斑點(diǎn)力等[10]。其中，以電磁力最為重要[11]。熔滴受力的狀態(tài)如圖16 所示。

圖16 鋁合金激光- MIG 復(fù)合焊接中熔滴所受電弧力的分析Fig.16 Analysis of arc force on droplet in laser - MIG hybrid welding of aluminum alloy

如圖16（a）所示，電弧中的電流形成了電磁力，電磁力的合力形成電磁收縮力。在電弧焊接中，作用于熔滴的電磁收縮力作用方向從陰極指向工件[11]。電流越大，電磁收縮力越大；弧長(zhǎng)越長(zhǎng)，熔滴中的電流線趨于平行，電磁收縮力越小。在復(fù)合焊接中，不僅電弧參數(shù)對(duì)電磁收縮力有影響，熱源相互作用也會(huì)產(chǎn)生新的影響。激光小孔與電弧陽(yáng)極之間可形成穩(wěn)定的導(dǎo)電通道，電弧被壓縮[12]，電流線被吸引至小孔，并趨于平行，電磁收縮力變小，甚至反向[13]，如圖16（b） 所示。電磁收縮力的下降對(duì)熔滴內(nèi)部的作用力減小，可以降低熔滴分裂成小飛濺顆粒的概率，并減小了熔滴對(duì)熔池的沖擊力，有利于減少飛濺。復(fù)合焊接參數(shù)中，電弧電壓、光絲間距增加都使電弧體積增加，導(dǎo)電通道變長(zhǎng)，作用于熔滴的電磁收縮力下降，飛濺減少。另外，導(dǎo)電通道作用于小孔附近，增強(qiáng)了電弧在小孔開(kāi)口上方的能量密度，小孔開(kāi)口受到高能電弧的熔融作用會(huì)擴(kuò)大開(kāi)口尺寸，減少了小孔內(nèi)部反沖壓力對(duì)小孔開(kāi)口熔融物質(zhì)的沖擊，減少了飛濺的形成。

等離子流力由中性粒子運(yùn)動(dòng)和保護(hù)氣流共同作用而形成。由于靠近陽(yáng)極區(qū)電弧弧柱區(qū)被壓縮，該區(qū)的中性粒子密度高于靠近陰極的弧柱區(qū)，電弧中的中性粒子從高密度的陽(yáng)極區(qū)向低密度的陰極區(qū)運(yùn)動(dòng)。同時(shí)，保護(hù)氣流方向也是由陽(yáng)極指向陰極。所以，等離子流力的方向由陽(yáng)極指向陰極，如圖16（b）所示。在復(fù)合焊接中，保護(hù)氣的變化會(huì)影響等離子體流力，而等離子體流力直接作用于熔滴表面。當(dāng)保護(hù)氣流能保持層流時(shí)，電弧等離子波動(dòng)較小，等離子流力穩(wěn)定。在本研究的范圍內(nèi)，保護(hù)氣流量的上升增加了等離子體流力，對(duì)熔滴過(guò)渡形成一種更強(qiáng)的、外在的、包裹式的約束作用，也有利于保持熔滴的完整性，減少熔滴碎裂為飛濺顆粒。

以上兩種力在熔滴過(guò)渡過(guò)程中始終存在。當(dāng)熔滴未完全脫離焊絲時(shí)，還受電子運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的陽(yáng)極斑點(diǎn)力的作用，它會(huì)與上述兩種力同時(shí)作用于熔滴。前面研究已經(jīng)表明，鋁合金激光電弧復(fù)合焊接中采用含He 成分的保護(hù)氣時(shí)，He 導(dǎo)致電弧溫度升高，提升了陽(yáng)極斑點(diǎn)力。大的陽(yáng)極斑點(diǎn)力方向與熔滴過(guò)渡方向相反，阻礙了熔滴過(guò)渡，容易產(chǎn)生飛濺。

3 結(jié)論

（1） 本研究采用統(tǒng)計(jì)飛濺顆粒數(shù)量和焊縫表面成形形貌描述的方法來(lái)評(píng)價(jià)激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，保護(hù)氣流量和成分、電弧電學(xué)特性、光絲間距對(duì)焊接過(guò)程穩(wěn)定性影響很大：與Ar 和He 混合保護(hù)氣比較，純Ar 最適合于鋁合金復(fù)合焊接，其氣流量在20 ～ 40 L/min 時(shí)，飛濺較少，且趨于平穩(wěn)，焊縫保護(hù)效果較好；適當(dāng)提高電弧電壓可以避免短路過(guò)渡，降低飛濺的發(fā)生概率，并優(yōu)化焊縫成形；當(dāng)光絲間距在0 ～ 6 mm 時(shí)，光絲間距越大，激光的預(yù)熱作用越大，有利于熔滴平穩(wěn)過(guò)渡。

（2） 復(fù)合焊接飛濺數(shù)量減少的機(jī)理是：激光對(duì)熔池的預(yù)熱作用擴(kuò)大了熔池前端的面積，熔滴從焊絲過(guò)渡熔池的過(guò)程更平穩(wěn)；優(yōu)化的工藝參數(shù)使電弧對(duì)熔滴的作用力保持在合理范圍，減少了熔滴過(guò)程時(shí)被分解的傾向；復(fù)合熱源能量密度的提升擴(kuò)大了小孔開(kāi)口，有利于減少小孔內(nèi)部反沖壓力形成的飛濺。通過(guò)系統(tǒng)的鋁合金復(fù)合焊接飛濺和焊縫成形規(guī)律研究，為穩(wěn)定地開(kāi)展后續(xù)工作奠定了工藝基礎(chǔ)和調(diào)控理論。