周方明,蔡佳楨,薛瑞博,石銘霄

(江蘇科技大學(xué) 江蘇省先進(jìn)焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 鎮(zhèn)江 212100)

焊接電弧的穩(wěn)定性是電弧焊工藝性的重要指標(biāo),焊接過(guò)程中電弧參數(shù)對(duì)于焊接過(guò)程的穩(wěn)定性有很大的影響．焊接工藝參數(shù)中包含著大量的電弧信息．如焊接過(guò)程中的熔滴過(guò)渡形式、熔滴過(guò)渡頻率都可以及時(shí)在電弧電信號(hào)上進(jìn)行反映,因此可以利用焊接過(guò)程中的電信號(hào)參數(shù)對(duì)電弧穩(wěn)定性進(jìn)行研究分析[1-5]．目前關(guān)于焊接電弧穩(wěn)定性以及大功率激光與電弧復(fù)合焊接的電弧穩(wěn)定性已有大量文獻(xiàn)進(jìn)行了相關(guān)報(bào)道[6-9],但針對(duì)小功率激光與CO2電弧復(fù)合熱源焊接的電弧穩(wěn)定性研究的相關(guān)文獻(xiàn)研究報(bào)道很少．文中通過(guò)實(shí)驗(yàn),采集小功率連續(xù)激光CO2電弧復(fù)合熱源焊接過(guò)程中的電壓值、電流值,然后計(jì)算出燃弧時(shí)間、熄弧時(shí)間、熔滴過(guò)渡頻率等參數(shù)來(lái)表征其電弧穩(wěn)定性,研究焊接工藝參數(shù)(激光功率、離焦量、光絲間距)對(duì)電參數(shù)特征的影響,分析小功率激光對(duì)CO2電弧焊接電參數(shù)的影響規(guī)律,對(duì)于提升CO2電弧穩(wěn)定性的研究具有一定的指導(dǎo)意義和參考價(jià)值．

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)采用額定功率為500 W的Raycus光纖激光器,輸出波長(zhǎng)為1 080 nm的連續(xù)波,聚焦鏡的焦距為250 mm,焦點(diǎn)直徑為0.5 mm．焊接電源為OTC新型微電腦可控硅整流控制CO2/MAG直流焊機(jī),型號(hào)為XD500S,該焊機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)一元化調(diào)節(jié)功能,同時(shí)具有可控硅過(guò)流保護(hù)功能,采用直流反接,等速送絲．利用德國(guó)Optronis公司生產(chǎn)的CameRecord CR3000x2高速攝像設(shè)備匹配數(shù)字化信號(hào)記錄設(shè)備獲得焊接圖像以及焊接時(shí)的電流電壓波形．系統(tǒng)采集頻率為5 000幀/s．采用高速攝像設(shè)備以及與之配套的數(shù)字化記錄設(shè)備采集不同焊接工藝參數(shù)下,低功率激光與CO2電弧復(fù)合焊接時(shí)的電參數(shù)以及圖像信息,以此研究小功率激光與CO2電弧復(fù)合熱源焊接工藝參數(shù)對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響．

1.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)焊接過(guò)程中焊絲采用φ1.2的ER50-6焊絲，試板材質(zhì)為GL-B，尺寸為300 mm×150 mm×10 mm.

選定的基礎(chǔ)試驗(yàn)參數(shù)均為工廠經(jīng)驗(yàn)積累的常用值．焊接電流170 A,焊接電壓22 V,焊絲干伸長(zhǎng)長(zhǎng)度15 mm,焊槍傾角為75°,焊接氣流量15 L/min,焊接速度280 mm/min．

在小功率激光與CO2電弧復(fù)合焊焊接的過(guò)程中,為了減少焊接實(shí)驗(yàn)次數(shù),僅考慮激光參數(shù)對(duì)于電弧穩(wěn)定性的影響,其余焊接參數(shù)均固化．在實(shí)驗(yàn)研究的過(guò)程中,把激光功率P、光絲間距D、離焦量f作為研究對(duì)象[10-12],激光與焊絲之間的相對(duì)位置如圖1．

圖1 光絲位置Fig.1 Position between laser and wire

激光焊接離焦量f是用激光束焦點(diǎn)離試板上表面的距離來(lái)表示的,通常認(rèn)為激光焦點(diǎn)在試板上表面以上為正離焦,激光焦點(diǎn)在試板下表面為負(fù)離焦．光絲間距D則為激光光斑中心距離焊絲端部的距離進(jìn)行表示的,激光束與焊絲在試板上表面不交叉則為正光絲間距,在試板上邊面交叉則為負(fù)光絲間距．本試驗(yàn)采用的主要焊接工藝參數(shù)如表1．

表1 焊接工藝參數(shù)Table 1 Process parameters

通過(guò)科天健數(shù)據(jù)采集儀記錄了不同參數(shù)下的焊接電流I和電弧電壓U數(shù)據(jù),通過(guò)繪制U-I圖來(lái)研究焊接工藝參數(shù)改變對(duì)于焊接過(guò)程中電弧穩(wěn)定性的影響．

U-I圖為焊接過(guò)程中電弧電壓值U和焊接電流值I的動(dòng)態(tài)分布軌跡,通過(guò)圖中變化規(guī)律可以間接反映出焊接過(guò)程的穩(wěn)定性以及熔滴過(guò)渡的形式．若電弧的電參數(shù)(焊接電流I和電弧電壓U)變化越集中,則表明電弧越穩(wěn)定．

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 激光功率P對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響

A0，A1，A2組試驗(yàn)分別將離焦量f,光絲間距D作為定量,變量只有激光功率P,激光功率分別為0,200,400 W,繪制3組試驗(yàn)的U-I圖,如圖2．觀察圖中動(dòng)態(tài)分布,當(dāng)激光功率在200 W和400 W的時(shí)候,電弧的電參數(shù)軌跡集中而且穩(wěn)定,電弧中大電流及大電壓部分的值變少了．當(dāng)激光功率為0，即不加入激光的時(shí)候,U-I圖動(dòng)態(tài)分布散亂,電壓電流波動(dòng)范圍增加,表明加入激光之后電弧穩(wěn)定性變好．

圖2 不同功率激光-CO2焊U-I圖Fig.2 U-I diagram of laser-CO2 welding with different power

在純CO2電弧焊接過(guò)程中,由于CO2電弧是短路過(guò)渡,從短路開(kāi)始時(shí),電流逐漸升高,電壓直接降到基值,在重新燃弧的一瞬間,電壓直接躍升達(dá)到峰值,由于電壓高使得重新引弧的過(guò)程很不穩(wěn)定,電弧存在漂移的現(xiàn)象．當(dāng)加上激光時(shí)，激光在試板表面電離金屬產(chǎn)生的光致等離子體增加了試板表面引弧等離子濃度,降低了引弧的電阻,使得電弧引燃更加容易,引弧過(guò)程更加平穩(wěn),同時(shí)激光作用處產(chǎn)生的金屬蒸氣吸引電弧,電弧偏向激光作用點(diǎn),電弧指向性更好,能量更加集中,電流密度增加．

2.2 離焦量f對(duì)電弧穩(wěn)定性研究

在A2，A3，A4組試驗(yàn)中將激光功率P,光絲間距D作為定量,只有離焦量f為變量,離焦量分別選擇0,+2,-2,繪制3組試驗(yàn)的U-I圖,如圖3．由圖可知,A2組試驗(yàn)當(dāng)激光離焦量為0的時(shí)候,U-I圖動(dòng)態(tài)分布最為集中．

圖3 不同離焦量激光-CO2焊U-I圖Fig.3 U-I diagram of laser-CO2 welding with different defocusing quantities

激光焦平面和試板表面重合,此時(shí)熔池完全吸收激光的能量,激光焦點(diǎn)處的激光能量密度最高,此時(shí)在試板表面更容易產(chǎn)生等離子,促進(jìn)電弧的再引燃,降低了CO2短路再引弧時(shí)的電壓,再引弧過(guò)程更加穩(wěn)定,從而使CO2電弧短路焊接過(guò)程更加穩(wěn)定．

2.3 光絲間距D對(duì)電弧穩(wěn)定性研究

A5，A2，A6，A7組試驗(yàn)分別將激光功率P,離焦量f作為定量,光絲間距D作為唯一變量,光絲間距D分別為0,1,2,3 mm．繪制4組試驗(yàn)的U-I圖,如圖4．當(dāng)光絲間距D為1 mm的時(shí)候,U-I圖動(dòng)態(tài)分布最為集中．

圖4 不同光絲間距激光-CO2焊U-I圖Fig.4 U-I diagram of laser-CO2 welding with different wire spacing

當(dāng)D為0時(shí),此時(shí)激光束照射在焊絲上,焊絲吸收激光能量還會(huì)反射激光能量,導(dǎo)致最終作用到試板表面的激光能量很小,無(wú)法在試樣表面形成等離子體對(duì)熔滴產(chǎn)生吸引,阻礙了熔滴過(guò)渡,使熔滴過(guò)渡變得更加困難,不利于焊接過(guò)程中電弧的穩(wěn)定．當(dāng)D為1 mm時(shí),激光能量都作用到試板表面來(lái)電離試板金屬,激光焦點(diǎn)在電弧中心,吸引熔滴進(jìn)行過(guò)渡,促進(jìn)電弧的重新引燃,使CO2電弧短路過(guò)渡焊接過(guò)程中電弧更加的穩(wěn)定．當(dāng)D大于1 mm時(shí),激光熱源與電弧熱源之間的距離較大,激光對(duì)于電弧的影響作用減弱,不能使兩個(gè)熱源之間有良好的耦合作用．因此,當(dāng)光絲間距為1 mm時(shí),焊接過(guò)程最穩(wěn)定．

2.4 激光對(duì)電弧穩(wěn)定性影響機(jī)理分析

綜合以上研究結(jié)果,采用最優(yōu)焊接參數(shù):焊接電流170 A,焊接電壓22 V,焊接速度280 mm/min,氣流量15 L/min,激光功率400 W,光絲間距1 mm,離焦量0．

從科天健數(shù)據(jù)采集儀采集到的電流電壓數(shù)據(jù),通過(guò)電弧焊接過(guò)程波形與視頻圖像序列生成器生成電流電壓波形圖及電弧圖像,觀察電流電壓波形圖像,圖像可以直觀地表現(xiàn)出電弧穩(wěn)定性的變化情況．圖5為截取的該道焊縫中一個(gè)燃弧周期的電流電壓波形圖與電弧圖像．

圖5 電弧圖像及電弧電信號(hào)波形Fig.5 Arc image and arc electric signal waveform

激光產(chǎn)生的鐵蒸汽電離導(dǎo)電通道與電弧電壓之間的快速響應(yīng)關(guān)系與不同元素之間電離電位高低有關(guān)．表2是CO2分子和Fe元素的電離電位值．使原子或分子失去一個(gè)電子所需的能量稱為第一電離電位．從一價(jià)陽(yáng)離子中再奪走一個(gè)電子所需要的能量稱為第二電離電位．同理,從二價(jià)陽(yáng)離子中奪走一個(gè)電子所需要的能量稱為第三電離電位．

表2 分子和元素電離能Table 2 Molecular and elemental ionization energy

從表2中可知鐵的第一電離電位最低,為7.9 eV,比CO2的第一電離電位低很多,而鐵的第二電離電位基本與CO2第一電離電位相當(dāng)．所以如果在電弧空間存在Fe蒸汽,則電離電位低的Fe原子將比CO2分子先被電離,首先形成導(dǎo)電通道．

激光聚焦點(diǎn)處,母材上會(huì)噴發(fā)出大量的Fe離子、Fe原子(統(tǒng)稱為鐵蒸汽),在CO2引弧前,激光產(chǎn)生的鐵蒸汽中的鐵離子為最初的導(dǎo)電通道提供了大量的導(dǎo)電粒子．當(dāng)電弧引燃之后,鐵蒸汽中的鐵離子在電場(chǎng)的作用下被加速,并相互碰撞而加劇金屬蒸汽的電離過(guò)程,形成了燃弧初期的導(dǎo)電通道,增加了引弧階段電弧的穩(wěn)定性．這種導(dǎo)電機(jī)制在整個(gè)燃弧階段一直存在,也會(huì)增加燃弧階段電弧的穩(wěn)定性．

從圖5可看出，從#2203至#2209沒(méi)有明顯的激光通道,此時(shí)鐵蒸汽沒(méi)有被明顯地電離發(fā)光,此時(shí)電壓小于5 V．當(dāng)#2211至#2217,出現(xiàn)了明顯的激光電離通道,母材表面的鐵蒸汽被電離發(fā)光,此時(shí)電壓大于10 V．這也就驗(yàn)證了鐵蒸汽在電壓超過(guò)7.9 eV時(shí)候,也就是電壓超過(guò)一個(gè)閾值的時(shí)候,鐵蒸汽才會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈地電離,形成激光電離通道．這個(gè)電弧通道,不僅能夠輔助電弧引燃,還能夠穩(wěn)定電弧．這個(gè)通道的本質(zhì)就是鐵蒸汽的電離現(xiàn)象．

3 結(jié)論

(1) 激光熱源的加入降低了CO2電弧在焊接過(guò)程中再引弧的電壓,提升了引弧穩(wěn)定性．高能激光束在試板表面產(chǎn)生高濃度等離子體,降低了引弧電阻,電弧引燃更加穩(wěn)定,提升了焊接過(guò)程中電弧的穩(wěn)定性．

(2) 激光焦點(diǎn)在試板上表面時(shí),試板完全吸收激光的能量,試板表面更易產(chǎn)生等離子體,促進(jìn)電弧重新引燃．

(3) 當(dāng)D為1 mm時(shí),激光能量都作用到試板表面來(lái)電離試板金屬,激光焦點(diǎn)在電弧中心,吸引熔滴進(jìn)行過(guò)渡．光絲間距為0時(shí),此時(shí)激光束照射在焊絲上,焊絲吸收激光能量還會(huì)反射激光能量,導(dǎo)致最終作用到試板表面的激光能量很小,無(wú)法在試樣表面形成等離子體對(duì)熔滴產(chǎn)生吸引,阻礙了熔滴過(guò)渡．光絲間距大于2 mm時(shí),激光熱源作用點(diǎn)與電弧熱源作用點(diǎn)之間的距離過(guò)大,相互作用減弱,兩個(gè)熱源之間沒(méi)有良好的耦合．

(4) Fe的第一電離位低于CO2氣體的第一電離位,在CO2電弧短路的瞬間,激光的加入在試板表面產(chǎn)生Fe蒸汽,Fe原子先于CO2分子電離,首先形成電離通道,誘發(fā)CO2電弧的重新引燃．