汝連志，劉鳳德,劉雙宇,張 宏，白 頔

(長春理工大學 機電工程學院， 長春 130022)

引 言

激光-電弧復合焊接由STEEN[1]最早提出并受到高度關(guān)注，在焊接領(lǐng)域中，一直是研究的熱門技術(shù)之一[2-4],繼而在工業(yè)領(lǐng)域推廣運用，并不斷進行深入研究與創(chuàng)新，使復合焊接技術(shù)到達更高水平[5-6]。焊接過程中，保護氣體是影響工藝特性的關(guān)鍵因素。HONG[7]等人研究發(fā)現(xiàn)，保護氣體是通過抑制和消除光致等離子體的屏蔽效應(yīng)，達到激光深熔焊的效果，提高焊接工藝穩(wěn)定性。FAN[8]等人研究發(fā)現(xiàn)，在焊接過程中較高的溫度作用下，金屬熔化蒸發(fā)形成大量等離子體，以及保護氣體被電離擊穿，形成燃燒波等離子體，對激光產(chǎn)生屏蔽效應(yīng)。保護氣體不僅能消除等離子體屏蔽作用，還能防止在高溫條件下焊接熔池被氧化或污染[9]。LI[10]等人研究復合焊接發(fā)現(xiàn)，有大量的電子通過電弧等離子體進入到激光等離子體，對激光逆韌致效應(yīng)起到增強作用，而激光等離子體被增強和大量擴散，使其導電通道變寬。XIAO[11]等人研究發(fā)現(xiàn)，等離子體對臨界功率密度的屏蔽作用，受到輔助氣體的導熱性和解離能的影響，且在聚焦狀態(tài)下等離子體高度越低，越不易出現(xiàn)等離子體的屏蔽現(xiàn)象[12]?，F(xiàn)有研究中對于保護氣體控制的研究相對有限。本文中重點研究了保護氣體的氣流量對高強鋼激光-電弧復合焊接焊縫形貌的影響，并討論了保護氣體流量對熔滴過渡動態(tài)行為的影響，以及采用FLUENT軟件對氣流量對焊縫形貌影響的機制進行仿真模擬。

1 試驗材料及方法

1.1 試驗材料

試驗材料采用5mm厚的高強鋼樣板，進行平板堆焊，其主要化學成分見表1。焊絲直徑Φ=1.2mm。

Table 1 Main chemical composition of high strength steel

1.2 試驗設(shè)備及方法

設(shè)備采用Rofin公司的CO2激光器和Panasonic YD-350AG2HGE型焊機進行旁軸復合。利用CMOS-CR5000×2型高速相機觀測熔滴形態(tài)的變化，并采集熔滴區(qū)圖像，其采樣頻率為4000frame/s。依據(jù)所采集到的熔滴圖像，分析氣流量對熔滴形態(tài)的影響。其復合焊接示意圖如圖1所示。圖中,q是保護氣體流量，v1是保護氣體流速，Φ1和Φ2分別是噴嘴的內(nèi)外徑。

Fig.1 Schematic diagram of hybrid welding

試驗中采用電弧在前、激光在后的焊接模式，激光束離焦量Δf=-1mm，熱源間距DLA=2mm，焊槍傾角α=65°。保護氣體為不同流量的He(體積分數(shù)為0.35)+Ar(體積分數(shù)為0.65)。氣體流量的主要工藝參量見表2。

Table 2 Main process parameters

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 氣體流量對焊縫形貌的影響

圖2為焊接熔深隨氣體流量變化的曲線圖。從圖中可以看出，氣體流量越大，焊縫熔深呈先增大后減小的趨勢。當氣體流量達到25L/min時，焊縫熔深最大。

Fig.2 Effect of protective gas flow on weld penetration of hybrid welding

當保護氣體流量過小時，不能對熔池形成有效保護，由于等離子體吸收部分激光能量，導致焊縫熔深較小。當保護氣體流量達到25L/min時，熔深最大。在氣流量作用下，等離子體對激光屏蔽作用得到有效抑制，使焊件吸收大量激光能量。保護氣體流量過大時，氣體流動狀態(tài)由層流轉(zhuǎn)變?yōu)槲闪?，且電弧挺度較小，對等離子體的抑制和消除作用減弱，從而導致焊縫熔深減小[7]。

圖3為不同氣體流量下，焊縫的表面形貌。從圖中可以看出，隨氣體流量的增加，焊縫的表面鋪展性逐漸變好。當氣體流量為25L/min時，焊縫較平整且飛濺較少；當氣體流量高于25L/min時，焊縫表面飛濺嚴重。

Fig.3 Surface morphology of the joint

飛濺是焊接過程中較為常見的一種缺陷。隨著氣體流量的增大，導致等離子體對熔滴端部的機械沖擊力增大，且斑點壓力增大，造成顆粒飛濺。

2.2 氣體流量對熔滴形態(tài)的影響

圖4為氣體流量15L/min時熔滴的瞬態(tài)形貌。此時熔滴過渡方式為顆粒過渡。從圖中可以看出，熔滴的周期較短，且熔滴尺寸較小。主要是由于金屬表面熔化形成熔池時，激光作用產(chǎn)生匙孔時的蒸氣反作用力阻礙熔滴的過渡。因保護氣體流量較小，對等離子體對激光的屏蔽作用起不到較好的抑制與消除作用，導致阻礙熔滴過渡的蒸氣反作用力不穩(wěn)定，而產(chǎn)生顆粒過渡，使焊縫表面成形不良。

Fig.4 Droplet transient morphology with protective gas flow of 15L/min

圖5是氣體流量為25L/min時的熔滴瞬態(tài)形貌。從圖中可以看出，熔滴過渡方式為射流過渡，且熔滴的尺寸增大，熔滴過渡的周期變長。

Fig.5 Droplet transient morphology with protective gas flow of 25L/min

射流過渡是復合焊接中理想的過渡模式，是因為射流過渡時能夠獲得表面平整的焊縫，且熔深大。保護氣體流量能有效地減輕等離子體對激光的抑制作用，有大量的能量到達金屬表面；因較大氣流量的作用，使熔滴受到離子流的沖擊力，則熔滴對熔池產(chǎn)生較大的沖擊力，更多能量到達熔池底部[13]。

圖6是氣體流量為35L/min時熔滴過渡的瞬態(tài)形貌。從圖中可以看出，熔滴過渡的方式為短路過渡，且熔滴過渡的周期變長，當熔滴與熔池接觸時，會突然變暗后變亮。

Fig.6 Droplet transient morphology with protective gas flow of 35L/min

由于氣體流量較大，在熔池上方會產(chǎn)生較大的等離子體流力，與表面張力共同阻礙熔滴脫落，使熔滴尺寸增大到焊絲直徑的1.5倍左右。熔滴端部與熔池接觸，且在電磁收縮力的作用下實現(xiàn)過渡，過渡過程不穩(wěn)定，工件表面出現(xiàn)嚴重的飛濺[14]。主要是因為繼續(xù)增大氣體流量，熔滴過渡模式為明顯的短路過渡，聚集成大熔滴脫離焊絲瞬間極易爆炸形成飛濺，使焊接工藝的穩(wěn)定性下降[15]。

2.3 氣體流量對熔滴過渡頻率的影響

圖7為氣體流量對熔滴過渡頻率的影響。從圖中可以看出，激光電弧復合焊接的熔滴過渡頻率隨著保護氣體流量的增大而減小。當氣體流量較低時，熔滴的過渡頻率不穩(wěn)定；氣體流量為25L/min時，熔滴為射流過渡，且過渡頻率較為穩(wěn)定。

Fig.7 Effect of protective gas flow on droplet transition frequency

保護氣體流量的增加改變了熔滴的受力情況以及過渡模式，從而引起熔滴長大周期發(fā)生變化，直接導致熔滴過渡特性發(fā)生變化。

熔滴過渡過程中，在氣體流量的作用下，熔滴受阻礙其過渡的反作用力(離子流沖擊力和金屬蒸氣的反沖力)影響，氣體流量越大，反作用力越大，斑點力越大[16]。同時在熔滴內(nèi)產(chǎn)生阻礙其過渡的電磁收縮力[17]。根據(jù)靜力平衡理論，當保護氣體流量較小時，阻礙熔滴過渡的力小，熔滴脫落時所需要的重力就會相應(yīng)減小，熔滴脫落的尺寸較小，熔滴過渡頻率大；反之，隨保護氣體流量增大，阻礙熔滴分離的反作用力就越大，熔滴在脫落時的尺寸增大，熔滴過渡頻率減小[18]。

3 復合焊接氣體流量作用的模擬分析

根據(jù)流體力學原理，采用FLUENT軟件對氣體流量進行模擬仿真，其主要目的是通過模擬結(jié)果確定保護氣體的作用范圍、對等離子體的作用以及對熔滴的受力情況。

Fig.8 Simulation of gas flow at different flow rates

圖8是不同氣體流量作用下的模擬云圖。從圖8可以看出,隨著氣體流量的改變，氣體到達工件表面的速度分布就會不同，且氣體流量越大，氣體噴射到工件表面的速度越大。從云圖分布可以看出，保護氣體到達焊縫中心的速度最大，越遠離焊縫中心，其速度越小，且隨氣體流量的增大，保護氣體作用的范圍減小 。保護氣體流量是通過影響等離子體進而影響熔滴過渡特性以及焊縫的形貌。

圖8a中氣體流量為15L/min。可以看出，保護氣體噴射到工件表面時，作用的范圍較大，形成良好的保護焊道，且給焊道提供優(yōu)良的冷卻條件，有利于焊縫成形。但氣體流速較低，氣體的流層挺度較低，導致保護氣體對激光等離子體的抑制效應(yīng)降低，使較少的激光能量達到焊接工件表面，從而導致母材金屬蒸發(fā)不完全，最終導致熔深較小。

圖8c中氣體流量為25L/min。此時保護氣體流速最高達到5.31m/s，有效地抑制了激光等離子體的膨脹，增大了對熔池的吹力，促進熔池的流動，使焊接熔深達到最大。根據(jù)靜力平衡理論，熔滴受重力、電磁力、等離子體流拉力以及表面張力的影響。當焊縫中心處的保護氣體流速達到5.31m/s時，等離子體流拉力較大，熔滴過渡的特性為射流過渡，會使焊接較穩(wěn)定，焊縫鋪展性較好。

圖8e是氣體流量為35L/min時保護氣體流速的模擬云圖。圖中保護氣體流速最大為7.434m/s，且保護氣體在工件表面的保護范圍較小，導致焊道冷卻效果較差。由于保護氣體的流速過大，使等離子體流拉力較大，但金屬蒸汽形成的氣體射流對熔滴的反作用力更大，使熔滴受力不平衡，由于熔滴過渡方式轉(zhuǎn)變?yōu)槎搪愤^渡，熔滴過渡不穩(wěn)定，導致復合焊接不穩(wěn)定[19]。同時因為增大了熔滴過渡周期，熔滴的尺寸也增大，使熔滴過渡頻率降低。

4 結(jié) 論

(1)隨著保護氣體流量的增大，焊縫熔深先增大后減小。當保護氣體流量為25L/min時，焊接熔深達到最大，焊縫成形較好，飛濺較少。

(2)不同的氣體流量，熔滴過渡的特征呈現(xiàn)不同的形式。當氣體流量為15L/min時，熔滴過渡方式為顆粒過渡；當氣體流量為25L/min時，為射流過渡；當氣體流量高于30L/min時，為短路過渡。

(3)隨著氣體流量的增大，熔滴過渡頻率會降低。氣體流量為25L/min時，熔滴的過渡頻率較為穩(wěn)定;氣體流量小于20L/min時，過渡頻率下降的趨勢較劇烈。

(4)數(shù)值模擬氣體流量，氣體流量越大，保護氣體流速越大，對熔池的吹力越大，會促進熔池的流動。當氣體流量為25L/min時，保護氣體會有效抑制等離子體。

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