鄒德敏， 齊錦剛， 趙琳， 曹洋， 彭云， 田志凌， 朱彥潔

(1.鋼鐵研究總院，先進(jìn)鋼鐵流程及材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100081；2.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001)

0 前言

近年來，隨著高功率光纖激光器的不斷發(fā)展，激光-電弧復(fù)合焊接技術(shù)在中厚板焊接領(lǐng)域的研究有了進(jìn)一步進(jìn)展[1-2]。然而，通過研究發(fā)現(xiàn)，激光-電弧復(fù)合焊接頭存在氣孔、咬邊、飛濺及底部駝峰等缺陷。其中，飛濺和底部駝峰的抑制一直是焊接缺陷研究的難點(diǎn)和重點(diǎn)。這2類缺陷不僅大幅度的降低了構(gòu)件的質(zhì)量可靠性，而且對(duì)生產(chǎn)效率造成較大影響[3-4]。因此，進(jìn)一步深入研究激光-電弧復(fù)合焊飛濺和底部駝峰缺陷的產(chǎn)生機(jī)理，并探索相應(yīng)的抑制方法具有重要的工程意義。

目前，關(guān)于激光-電弧復(fù)合焊飛濺的產(chǎn)生機(jī)理和抑制手段已經(jīng)有一定的研究。高明等學(xué)者[5]認(rèn)為從匙孔內(nèi)噴射出的大量金屬蒸氣促使焊絲端部的金屬粘附在焊絲端部，阻礙熔滴的過渡，易誘發(fā)成形不良和飛濺缺陷。Zhang等學(xué)者[6]研究了活性劑對(duì)焊接過程穩(wěn)定性的影響，試驗(yàn)中利用高速攝像機(jī)、實(shí)時(shí)電信號(hào)采集卡等設(shè)備對(duì)焊接電弧形態(tài)、熔池動(dòng)態(tài)行為和電信號(hào)波形進(jìn)行在線監(jiān)測。結(jié)果表明，SiO2，CaO和B2O3顯著惡化了焊接穩(wěn)定性，因?yàn)榇祟愌趸飼?huì)導(dǎo)致熔滴過渡模式從噴射過渡變?yōu)槎搪坊虼笄驙钆懦膺^渡。TiO2，ZnO和Fe2O3在焊接過程中發(fā)生分解和蒸發(fā)，產(chǎn)生的氧氣引起電弧收縮，進(jìn)而提高焊接穩(wěn)定性，降低飛濺產(chǎn)生。Pan等學(xué)者[7]和Zhang等學(xué)者[8]比較了保護(hù)氣體成分對(duì)焊接缺陷的影響。結(jié)果表明，隨著保護(hù)氣體中CO2含量的增加，焊接過程的穩(wěn)定性降低，轉(zhuǎn)移模式轉(zhuǎn)變?yōu)榕懦廪D(zhuǎn)移，導(dǎo)致產(chǎn)生較多飛濺。提出通過優(yōu)化保護(hù)氣體成分來控制過渡模式，進(jìn)而減少飛濺。Atabaki等學(xué)者[9]針對(duì)12.5 mm厚的高強(qiáng)鋼進(jìn)行了激光-電弧復(fù)合焊，并對(duì)坡口夾角和根部開口尺寸進(jìn)行了調(diào)整，發(fā)現(xiàn)雙Y槽可以為電弧和激光的穩(wěn)定性提供最佳條件，焊接飛濺程度大幅降低。

考慮到激光-電弧復(fù)合焊接方法的焊接效率及服役條件，在實(shí)際生產(chǎn)中往往需要使用單面焊雙面成形工藝，即在背部無襯板的前提下，一次性將試板熔透。然而，該情況下熔池具有很高的不穩(wěn)定性，容易產(chǎn)生底部駝峰缺陷。Ilar等學(xué)者[10]和Haug等學(xué)者[11]先后采用高速攝像技術(shù)對(duì)駝峰的產(chǎn)生過程進(jìn)行了初步觀察，指出焊縫底部駝峰和高速焊接時(shí)焊縫上表面駝峰焊道的形成有著本質(zhì)的區(qū)別。國內(nèi)外研究者對(duì)底部駝峰的產(chǎn)生機(jī)理進(jìn)行了研究。有學(xué)者認(rèn)為液態(tài)金屬流動(dòng)的不連續(xù)，熔池下表面的液態(tài)金屬堆積是產(chǎn)生底部駝峰的主要原因[12-13]。也有學(xué)者認(rèn)為底部駝峰的產(chǎn)生與底部熔池受力狀態(tài)及激光深熔的小孔行為有關(guān)[14]。基于以上原理，國內(nèi)外對(duì)于激光-電弧復(fù)合焊底部駝峰的抑制手段也有了一定研究。周聰?shù)葘W(xué)者[15]及丁心同等學(xué)者[16]的研究結(jié)果表明，通過調(diào)整激光功率、焊接速度、離焦量和保護(hù)氣體流量可以有效減小底部駝峰傾向。Shen等學(xué)者[17]指出加電磁場可以降低底部駝峰的產(chǎn)生傾向。唐國[18]建立了激光-電弧復(fù)合焊熔池流動(dòng)模型，通過采用高速攝像和PIV lab工具結(jié)合的方式，研究了焊接熱源先后順序?qū)Φ撞狂劮瀹a(chǎn)生的影響，結(jié)果表明電弧前置模式能夠抑制焊縫底部駝峰的產(chǎn)生。Bachmann等學(xué)者[19]在研究高功率激光焊接厚板奧氏體不銹鋼時(shí)，指出外加電磁場可以降低底部駝峰的產(chǎn)生傾向。此種方案通過增加根部熔池的表面張力使其不易產(chǎn)生駝峰，但電磁場設(shè)備搭建結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不易大規(guī)模應(yīng)用。

目前，激光-電弧復(fù)合焊飛濺和底部駝峰的抑制手段較多。然而，有關(guān)調(diào)節(jié)電弧弧長抑制飛濺和底部駝峰的研究較少。在激光-電弧復(fù)合焊的眾多工藝參數(shù)中，電弧弧長是一個(gè)極易被忽視的工藝參數(shù)，電弧弧長對(duì)激光與電弧相互作用有著重要的影響。通過對(duì)激光-電弧復(fù)合焊中的電弧弧長參數(shù)進(jìn)行深入研究，有望進(jìn)一步提高焊接過程穩(wěn)定性，改善激光-電弧復(fù)合焊接頭質(zhì)量。此外，在激光電弧復(fù)合焊底部駝峰形成機(jī)理方面，目前觀點(diǎn)尚不統(tǒng)一，還需進(jìn)一步深入研究。為此，針對(duì)厚度為6 mm的590 MPa級(jí)船用低合金高強(qiáng)鋼，開展了光纖激光-電弧復(fù)合焊工藝試驗(yàn)，試驗(yàn)研究了不同電弧弧長對(duì)激光-電弧焊接飛濺和底部駝峰的影響，并對(duì)飛濺和底部駝峰的形成機(jī)理及抑制方法進(jìn)行了分析和探討，旨在進(jìn)一步探索激光-電弧復(fù)合焊缺陷的抑制手段，提高激光-電弧復(fù)合焊工藝的研究深度，為其工業(yè)應(yīng)用提供可靠的試驗(yàn)依據(jù)。

1 試驗(yàn)條件與方法

試驗(yàn)采用的母材為590 MPa級(jí)船用低合金高強(qiáng)鋼板，厚度為6 mm。焊絲采用鋼鐵研究總院自研的新型實(shí)心氣體保護(hù)焊絲，直徑為1.2 mm。

試驗(yàn)采用的焊接設(shè)備主要包括IPG YLS-6000光纖激光器、CLOOS Champ 450焊機(jī)、PRECITEC YW52激光焊接頭及KUKA KR60機(jī)械臂等。焊接裝置如圖1所示。采用激光引導(dǎo)電弧的焊接方式，激光垂直工件入射，熱源夾角為50°。激光波長為1 070 nm，離焦量為0 mm，最小光斑直徑為0.4 mm。采用流量為20 L/min的高純Ar作為焊接保護(hù)氣體。焊接工藝參數(shù)見表1。此外，試驗(yàn)中還使用NAC HX-5E高速攝像機(jī)對(duì)熔池的動(dòng)態(tài)行為進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，采樣頻率為5 000幅/秒。

圖1 激光-MIG復(fù)合焊裝置示意圖

表1 焊接工藝參數(shù)

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 電弧弧長對(duì)飛濺的影響

圖2為不同電弧弧長條件下激光-電弧復(fù)合焊接頭的表面形貌?；￠L修正系數(shù)為0%時(shí)，表示未調(diào)節(jié)弧長；弧長修正系數(shù)為+20%時(shí)，表示增加弧長；弧長修正系數(shù)為-20%時(shí)，表示縮短弧長。通過觀察發(fā)現(xiàn)，弧長修正系數(shù)為+20%時(shí)，飛濺情況較為嚴(yán)重，試板表面存在較多大尺寸的顆粒狀飛濺?；￠L修正系數(shù)為0%時(shí)，試板表面飛濺的尺寸減小，但飛濺顆粒的數(shù)量增加?；￠L修正系數(shù)為-20%時(shí)，試板表面十分整潔，無明顯飛濺產(chǎn)生。

圖2 焊接試板表面情況

使用Image pro軟件對(duì)飛濺的尺寸和數(shù)量進(jìn)行定量統(tǒng)計(jì)，并利用單位面積試板上飛濺所占的面積分?jǐn)?shù)來表征飛濺的程度。隨著弧長修正系數(shù)減小，弧長縮短，飛濺的產(chǎn)生傾向逐漸降低，如圖3所示?；￠L修正系數(shù)為+20%時(shí)，弧長較長，電弧挺直性和能量集中性很差，激光的加入對(duì)電弧造成干擾，易產(chǎn)生飛濺?；￠L修正系數(shù)為0%時(shí)，弧長縮短，電弧挺直性和能量集中性提高，激光和電弧間的干擾作用減小，焊接穩(wěn)定性提高，飛濺減少?；￠L修正系數(shù)為-20%時(shí)，弧長再次縮短，此時(shí)電弧具有很強(qiáng)的方向性，激光對(duì)其影響較小，焊接穩(wěn)定性較高，幾乎不產(chǎn)生飛濺。此外，弧長還影響焊縫上表面成形，當(dāng)弧長修正系數(shù)為+20%和0%時(shí)，焊縫表面存在高低不平和咬邊現(xiàn)象，表明焊接過程中存在很高的不穩(wěn)定性，熔池?cái)_動(dòng)強(qiáng)烈。

圖3 不同電弧弧長對(duì)激光-電弧復(fù)合焊飛濺的影響

為了深入研究焊接飛濺的產(chǎn)生機(jī)理，利用高速攝像設(shè)備對(duì)飛濺的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)過程進(jìn)行了采集，如圖4所示。為了便于分析，將采集到的圖片進(jìn)行了水平對(duì)稱處理，即圖中的焊接方向?yàn)閺淖笙蛴遥附臃绞奖３旨す庖龑?dǎo)電弧不變。圖4a為Lc=+20%時(shí)的飛濺產(chǎn)生過程圖像。當(dāng)t=0 ms時(shí)，焊絲尖端產(chǎn)生的熔滴流未及時(shí)過渡，長時(shí)間存留于焊絲尖端，熔滴流發(fā)生前后晃動(dòng)具有很高的不穩(wěn)定性；當(dāng)t=0.6 ms時(shí)，熔滴流被甩出；在t=1.2～3.6 ms時(shí)，由于熔滴落下行程過長，熔滴無法落入熔池，而是沿焊接方向朝熔池前方運(yùn)動(dòng)，使得試板表面呈現(xiàn)出大尺寸的飛濺顆粒。由于采用的是激光前置的焊接方式時(shí)，受到向前焊接速度的影響，激光與工件作用而產(chǎn)生的金屬蒸氣向后相對(duì)運(yùn)動(dòng)，對(duì)后置電弧的熔滴過渡產(chǎn)生一個(gè)向上的推力，阻礙其過渡，這是熔滴流長時(shí)間在焊絲尖端存留的原因。由圖4b可見，Lc=0%時(shí)，金屬蒸氣對(duì)熔滴的作用力減小，熔滴過渡流暢，被甩出的概率較小，因此不存在大尺寸飛濺。當(dāng)t=0～0.8 ms時(shí)，焊絲尖端逐漸形成熔滴。當(dāng)t=1.8 ms時(shí)，熔滴還未與焊絲尖端完全分離就已與熔池接觸，發(fā)生短路。此時(shí)熔滴剛進(jìn)入熔池時(shí)，熔滴能量高度聚集，使得冶金反應(yīng)生成的一氧化碳類氣體瞬間得到釋放，熔滴表面破碎發(fā)生爆炸，形成顆粒細(xì)小的氣體逸出型飛濺。在此之后熔滴與熔池融為一體，當(dāng)熔滴過渡即將結(jié)束時(shí)，產(chǎn)生較細(xì)的液橋，大電流的通過使液橋金屬迅速被加熱；當(dāng)t=2.4 ms時(shí)，過大的電流和電磁力使細(xì)小液橋發(fā)生爆斷，再次產(chǎn)生大量細(xì)小的液滴飛濺。此為Lc=0%時(shí)小尺寸飛濺較多的原因。由圖4c可見，Lc=-20%時(shí)，熔滴過渡順暢，焊接過程較為穩(wěn)定，無飛濺產(chǎn)生。

圖4 不同弧長條件下焊接飛濺的產(chǎn)生過程

2.2 電弧弧長對(duì)焊縫底部駝峰的影響

圖5為Lc=0%時(shí)底部駝峰的形成過程。由圖可見，激光小孔處于未熔透狀態(tài)。當(dāng)激光小孔穩(wěn)定時(shí)，熔池下表面的液態(tài)金屬沿著熔池下表面向后流動(dòng)，凝固前沿不斷向前推移并均勻凝固，如圖5a所示；當(dāng)小孔突然膨脹時(shí)，大量液態(tài)金屬沿小孔向下流動(dòng)，熔池下表面向后流動(dòng)的液態(tài)金屬量驟增，導(dǎo)致凝固前沿?zé)o法繼續(xù)向前推移，開始出現(xiàn)液態(tài)金屬“隆起”，由于受表面張力和重力作用，“隆起”的液態(tài)金屬不能及時(shí)回填，如圖5b所示；隨著液態(tài)金屬源源不斷的從小孔尾部產(chǎn)生并向熔池后部流動(dòng)和堆積，“隆起”不斷長大，長大速率逐漸減小，如圖5c～圖5e所示；當(dāng)小孔與“隆起”位置水平距離較遠(yuǎn)時(shí)，“隆起”不再長大，凝固后形成底部駝峰，如圖5f所示。

圖5 底部駝峰形成過程

圖6為不同弧長條件下的焊縫背部的宏觀形貌和高速攝像圖像。由圖6可見，當(dāng)Lc=+20%時(shí)，有輕微的底部駝峰產(chǎn)生傾向；當(dāng)Lc=0%時(shí)，焊縫背部產(chǎn)生周期性的底部駝峰，底部駝峰的密集程度和尺寸有較大幅度的增加；當(dāng)Lc=-20%時(shí)，不產(chǎn)生底部駝峰。通過對(duì)不同弧長條件下底部液態(tài)熔池進(jìn)行觀察發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Lc=+20%時(shí)，激光小孔處于未熔透狀態(tài)，液態(tài)金屬從小孔尾部產(chǎn)生后在重力和表面張力作用下離開熔池；當(dāng)Lc=0%時(shí)，激光小孔同樣處于為未熔透狀態(tài)，液態(tài)金屬自小孔尾部產(chǎn)生后并未離開熔池，而是沿熔池下表面向后流動(dòng)。隨著液態(tài)金屬不斷堆積，最終形成較大尺寸的底部駝峰；當(dāng)Lc=-20%時(shí)，發(fā)生小孔熔透，熔池下表面液態(tài)金屬流動(dòng)處于穩(wěn)定連續(xù)狀態(tài)，凝固后得到均勻的焊縫表面形貌。

圖6 不同弧長條件下的焊縫背部的宏觀形貌(左)和高速攝像圖像(右)

圖7為不同弧長條件下的電弧形態(tài)。通過對(duì)比不同弧長條件下的電弧形態(tài)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)Lc=+20%時(shí)，電弧弧長較長，電弧等離子體吸收部分激光能量，導(dǎo)致被試板吸收的能量降低，發(fā)生小孔未熔透。前文提到，液態(tài)金屬流動(dòng)的連續(xù)性與激光小孔的熔透狀態(tài)密切相關(guān)，當(dāng)發(fā)生未熔透時(shí)，液態(tài)金屬流動(dòng)的連續(xù)較差。不僅如此，當(dāng)Lc=+20%時(shí)，小孔具有很高的不穩(wěn)定性，使得液態(tài)金屬自小孔尾部產(chǎn)生后直接滴落，因此底部駝峰并不明顯；當(dāng)Lc=0%時(shí)，電弧弧長縮短，有效降低等離子體對(duì)激光的吸收，激光能量利用效率得到提升，但是該提升不足以使小孔發(fā)生熔透，小孔仍然處于未熔透狀態(tài)。此時(shí)小孔的穩(wěn)定性提高，液態(tài)金屬并未離開熔池，而是沿熔池下表面向后流動(dòng)，最終形成較大尺寸的底部駝峰；當(dāng)Lc=-20%時(shí)，電弧弧長再次縮短，電弧等離子體對(duì)激光的屏蔽效應(yīng)進(jìn)一步降低，激光能量利用率提高，使得小孔發(fā)生熔透。熔池下表面液態(tài)金屬流動(dòng)的連續(xù)性大幅度增加，不發(fā)生液態(tài)金屬堆積，因此不產(chǎn)生底部駝峰。

圖7 不同弧長條件下的電弧形態(tài)

根據(jù)上述內(nèi)容可知，底部駝峰是在激光小孔未熔透時(shí)產(chǎn)生的。當(dāng)發(fā)生小孔未熔透時(shí)，熔池底部液態(tài)金屬流動(dòng)具有很高的不連續(xù)性，易出現(xiàn)過量液態(tài)金屬堆積，形成底部駝峰。因此，想要從根本上解決底部駝峰問題，需要提高激光小孔的熔透性。縮短電弧弧長之所以可以抑制底部駝峰的產(chǎn)生，是因?yàn)檫@種方式在一定程度上可以增加激光能量利用率，從而提高小孔熔透性。

3 結(jié)論

(1)隨著電弧弧長縮短，激光-電弧復(fù)合焊飛濺產(chǎn)生傾向降低。弧長修正系數(shù)為+20%時(shí)，熔滴過渡具有很高不穩(wěn)定性，主要產(chǎn)生大尺寸飛濺；弧長修正系數(shù)為0%時(shí)，發(fā)生熔滴爆炸和液橋爆斷，主要產(chǎn)生小尺寸飛濺；弧長修正系數(shù)為-20%時(shí)，焊接過程穩(wěn)定，幾乎不產(chǎn)生飛濺。

(2)激光-電弧復(fù)合焊的底部駝峰是由激光小孔未熔透時(shí)熔池下表面液態(tài)金屬流動(dòng)連續(xù)性差所引起的。

(3)適當(dāng)縮短電弧弧長，可以提高激光的能量利用率，促使激光小孔發(fā)生熔透，熔池下表面液態(tài)金屬流動(dòng)趨于連續(xù)和穩(wěn)定，有利于抑制底部駝峰的產(chǎn)生。