劉黎明，楊環(huán)宇，徐信坤

(大連理工大學 遼寧省先進連接技術重點實驗室,大連,116024)

0 序言

TA2 純鈦作為工業(yè)中應用最廣泛的合金，具有高比強度，良好的塑韌性、低密度、優(yōu)良的抗腐蝕性能，且由于這種材料生產工序少、周期短，具有較高的成材率和較低的制造成本，成為石油化工、發(fā)電、海水淡化等領域大型裝備的理想材料[1-2].

目前鈦及鈦合金的中厚板可采用多種焊接方法，包括鎢極氬弧焊接(TIG)、電子束焊接、激光焊接以及激光-電弧復合焊接.TIG 電弧具有較低的能量密度，導致焊接速度較慢，在中厚鈦合金結構件的焊接中，往往采用多層多道的焊接方法，導致焊縫熱輸入過大，接頭組織粗大，容易形成焊接缺陷[3].電子束焊接鈦合金熱輸入小，接頭質量好，焊縫具有良好的成形性能，但這種方法需要真空條件，設備成本高[4].激光焊接能量密度高，焊接效率和接頭質量高，焊接變形小.但激光焊接要求較高的工件對接精度，并且激光熱源的電-光轉化率低，焊接能耗較大[5].激光-電弧復合焊接技術是將高能量密度的激光熱源和高間隙容忍度的電弧熱源結合，二者優(yōu)勢互補，相互增強.Chen 等人[6]利用激光-電弧復合熱源開展了6 mm 鈦合金的焊接研究，發(fā)現(xiàn)激光離焦距離為12 mm 時，接頭無氣孔缺陷.Li 等人[7]開發(fā)了4 mm 鈦合金的激光-電弧復合焊接工藝，指出接頭拉伸性能高于母材.綜上可以發(fā)現(xiàn)，在鈦合金中厚板的焊接中，激光-電弧復合熱源主要集中于大功率激光.為了探索低能耗高效率的焊接方法，以低功率脈沖激光為輔助熱源，電弧為主要熱源的激光誘導電弧復合焊接技術受到廣泛關注[8-9].研究發(fā)現(xiàn)激光匙孔對電弧等離子體的誘導放電效應能大幅提高電弧的能量密度[10].在激光-雙電弧復合焊接的研究中發(fā)現(xiàn)激光匙孔等離子體可以實現(xiàn)對雙電弧等離子體的同時誘導，使雙電弧形成能量集中的共用導電通道，提高焊接熔深[11].然而激光與雙電弧等離子之間的相互作用及其協(xié)同效應并沒有得到進一步揭示.

文中基于低功率脈沖激光誘導雙TIG 復合焊接熱源開發(fā)了TA2 純鈦中厚板的高效焊接工藝，并通過分析電弧等離子體中Ti 粒子的動力學行為，研究了激光脈沖對電弧等離子體的影響，對更好地理解激光與電弧等離子體之間的相互作用機理具有非常重要的意義.

1 試驗方法

激光誘導單/雙TIG 焊接系統(tǒng)如圖1 所示，由一個低功率脈沖Nd:YAG 激光電源和一個或兩個獨立的OTC AEP-500P TIG 焊接電源組成.激光束的波長為1 064 nm，直徑為0.6 mm 的圓形光斑通過焦距為150 mm 的凸透鏡聚焦在工件上.激光束垂直于工件表面.激光器的額定平均功率為1 000 W.在激光誘導雙TIG 焊接(LITTW)中，兩個相鄰的TIG 焊槍產生雙電弧.焊槍分別配有經過特殊加工的陶瓷噴嘴，以確保兩個鎢電極尖端之間的距離(Daa)可以自由調節(jié).兩個TIG 焊槍放置在激光束的同一側，并對稱分布在激光束軸線所在的X-Z平面上.焊槍之間的角度約為15°，焊槍與工件之間的角度約為45°.激光束和雙電弧在工件上的相對位置由Daa和鎢電極尖端與激光束軸之間的水平距離(Dla)確定，這兩個參數(shù)可通過千分尺平移臺分別調整，實現(xiàn)電弧和激光的旁軸耦合.在激光誘導單TIG 焊接(LISTW)中，焊槍和激光束位于同一平面內，焊槍與激光束保持45°角.采用純度為99.99%的氬氣作為保護氣體，LITTW 和LISTW中焊槍噴嘴的保護氣流速分別設置為10 L/min 和18 L/min，鎢極高度設置為2 mm.

圖1 激光誘導單/雙TIG 焊接系統(tǒng)示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser induced single/twin TIG welding system

試驗材料選用6 mm 厚的TA2 純鈦合金板材，其化學成分見表1.焊接前將鈦合金板切割成100 mm(寬) × 300 mm(長).用丙酮除去表面的油脂和殘留物，然后用砂布和不銹鋼刷除去氧化膜.此外，鈦合金在高溫(300 ℃以上)下被認為是一種極易氧化的金屬.在大氣環(huán)境中，采用氣體保護罩確保焊縫在氬氣氣氛下不被氧化.正面和背面保護罩的氣體流量均設置為15 L/min.焊接間隙為0 mm.焊后對焊縫橫截面進行打磨、拋光，并用Kroll 試劑(2%HF+6%HNO3+H2O(體積分數(shù)))腐蝕，觀察截面形貌.

表1 TA2 純鈦化學成分(質量分數(shù),%)Table 1 Pure titanium chemical composition

為了觀察焊接過程中電弧等離子體和匙孔行為，將中心波長為809.5 nm，半波全寬9.2 nm 和中心波長為514.9 nm，半波全寬8.8 nm 的窄帶濾波片分別安裝在高速攝像機鏡頭前，用來監(jiān)測Ar/Ti電弧等離子體的動態(tài)行為，如圖2 所示.采用波長為808 nm，輸出功率為0～ 40 W 的二極管激光發(fā)生器照射工件表面，形成一個直徑15 mm 的圓形明亮區(qū)域，圓形光斑的最大功率密度約為5.66 W/cm2.高速攝像機可以捕捉熔池表面的反射光，從而獲得熔池行為的信息.攝像機的采集頻率設定為2 000 幀/s.采用光譜分析儀對電弧等離子體的光發(fā)射進行采集和分析，采集位置如圖1 所示.光譜信息的處理方法(關于電子溫度和電子密度的計算)可以參見參考文獻[12-13].

圖2 復合焊接等離子體光譜信息Fig.2 Hybrid welding plasma spectrum information

2 試驗結果

2.1 焊接接頭形貌和能耗對比

分別采用單TIG 焊接(S-TIG)、激光誘導單TIG 焊接(LISTW)、雙TIG 焊接(T-TIG)和激光誘導雙TIG 焊接(LITTW)對6 mm 厚TA2 純鈦進行對接焊接.優(yōu)化后的焊接工藝參數(shù)如表2 所示，接頭截面形貌和焊縫外觀如圖3 所示.從圖中可以看到，S-TIG 和T-TIG 的焊縫寬度較大，且氧化嚴重，背面成形不均勻.而LISTW 和LITTW 的焊縫表面光滑、成形均勻連續(xù)，無氣孔或裂紋.雖然4 種焊接工藝都實現(xiàn)了單面焊雙面成形，但優(yōu)化后的焊接參數(shù)有很大的不同.

圖3 不同焊接工藝的焊縫外觀和接頭形貌Fig.3 Weld appearance and joint morphology of different welding processes.(a) S-TIG;(b)LISTW;(c) T-TIG;(d) LITTW

表2 優(yōu)化后主要焊接參數(shù)Table 2 Main welding parameters after optimization

焊接工藝的能耗為

式中：v為焊接速度，Pl為激光輸出功率，Pa為電弧輸出功率，ηl為激光電-光轉化率，ηa為電弧電-能轉化率.根據(jù)參考文獻[14]，ηl為5%，ηa為80%.焊接能耗和焊接速度的計算結果如圖4 所示.LISTW的能耗比S-TIG 增加了34%，焊接速度提高了76.5%.而LITTW 的能耗為T-TIG 的67.6%，焊接速度達到T-TIG 的3.3 倍.對比LISTW 和LITTW兩種工藝可以發(fā)現(xiàn)，LITTW 的能耗僅為LISTW的50.9%，焊接速度卻達到LISTW 的2.3 倍.

圖4 不同焊接工藝的焊接能耗和速度Fig.4 Welding energy consumption and speed of different welding processes

2.2 激光脈沖對電弧等離子體的影響

為了揭示LITTW 能夠實現(xiàn)低能耗高效率焊接的本質，采用高速攝像機分別對XOZ和YOZ兩個平面的等離子體形態(tài)進行采集觀察.圖5、圖6 分別給出了LISTW 和LITTW 焊接過程中Ar/Ti 電弧等離子體的動態(tài)行為.從圖中可以看出，當激光脈沖作用時，Ti 等離子體放電空間劇烈膨脹，Ar 等離子體空間收縮，電弧中心形成了一個高亮且集中的導電通道，這說明電弧柱中的Ti 離子數(shù)量增多，取代了部分Ar 離子參與導電.電弧圖像具有獨特的灰度分布特征，合理應用這個特征可以提高圖像處理效率[15].直接采用閾值法(閾值=210)進行圖像分割，獲得電弧的二值化圖像.觀察S-TIG、LISTW、T-TIG 和LITTW 的電弧形態(tài)并測量其關鍵參數(shù)，比如電弧投影直徑(dt)和電弧根部直徑(dr)，如圖7 所示.從圖中可以看出，激光的加入對dr的影響非常微小，dt在激光的作用下發(fā)生了較為明顯的變化.

圖5 LISTW 焊接過程中Ar/Ti 電弧等離子體的動態(tài)行為Fig.5 Dynamic behavior of Ar/Ti arc plasma in LISTW

圖6 LITTW 焊接過程中Ar/Ti 電弧等離子體的動態(tài)行為Fig.6 Dynamic behavior of Ar/Ti arc plasma in LITTW

圖7 不同工藝下電弧二值化圖像Fig.7 Arc binarization images under different processes.(a) XOZ piane;(b) YOZ plane

因此，壓縮比(Rt/l)可以用來評估焊接電弧的收縮程度，其表達式為

式中：dtt為傳統(tǒng)電弧的投影直徑(S-TIG、T-TIG)，dtl為激光加入后電弧的投影直徑(LISTW、LITTW).

表3 給出了激光的加入對不同工藝下焊接電弧壓縮比的影響.從表中可以看出，激光加入后TTIG 電弧的收縮程度明顯高于S-TIG 電弧.在XOZ平面上，RT-TIG/LITTW比RS-TIG/LISTW增加了14.6%，在YOZ平面上，RT-TIG/LITTW比RS-TIG/LISTW增加了26.8%.這說明LITTW 焊接電弧的收縮程度更大，電弧能量也更加集中.同時，研究發(fā)現(xiàn)，在激光脈沖作用期間，隨著時間的推移，LITTW 焊接過程中Ti 等離子體和Ar 等離子體始終分別保持膨脹和壓縮的狀態(tài)，直到電弧等離子體恢復到原始電弧形態(tài).而LISTW 焊接過程中在978.8 ms 激光脈沖激發(fā)時Ti 等離子體發(fā)生膨脹，在980.3 ms 激光脈沖仍然存在時Ti 等離子體膨脹程度明顯降低，而后在980.8 ms 時Ti 等離子體重新發(fā)生膨脹.這個過程在Ar 等離子體中體現(xiàn)為間歇收縮現(xiàn)象.從圖5可以清楚的看到，980.3 ms 時Ar 等離子體的收縮程度明顯低于相鄰時刻.

表3 激光對不同工藝下焊接電弧壓縮比的影響Table 3 The influence of laser on compression ratio of welding arc under different processes

在激光脈沖作用結束后，LISTW 和LITTW 的電弧等離子體并沒有立即恢復到原來的狀態(tài)，而是保持高亮集中的電弧狀態(tài)一段時間，大量的Ti 粒子(原子和離子)從電弧等離子體中逐漸分離出來，而后恢復原始狀態(tài).這意味著一個激光脈沖后，電弧等離子體有一個恢復延遲時間.事實上，焊接電弧的恢復過程是電弧等離子體中Ti 粒子的遷移運動過程，直到電弧等離子體達到一個新的平衡.這個過程可以反映電弧等離子體中Ti 粒子的動力學行為.在本試驗條件下，LISTW 和LITTW 的焊接電弧分別經歷了3.5 ms 和6.5 ms 由能量集中狀態(tài)恢復到原始電弧形態(tài).

焊接電弧的輪廓和恢復過程是與等離子體電子溫度、電子密度相關的外部特征.通過光譜分析方法對4 種焊接工藝下電弧等離子體的電子溫度、電子密度進行計算[11]，為避免測量誤差，每組參數(shù)重新測量3 次，結果如圖8 所示.激光的加入使電弧等離子體的電子溫度降低，電子密度增加，但變化的程度有明顯不同.相比S-TIG，LISTW 的電子溫度小幅降低，由13 050 K 下降到11 440 K，電子密度由1.17 × 1017/cm3增加到1.48 × 1017/cm3，提高了26.5%.而在T-TIG 和LITTW 的對比中，電子溫度和密度的變化更加劇烈，由13 290 K 下降到9 610 K，電子密度由1.26 × 1017/cm3增加到2.09 ×1017/cm3，提高了65.9%.與Ar 原子(15.84 eV)相比，Ti 原子的電離能(6.81 eV)更低，電弧等離子體中過量的Ti 原子是導致電子溫度和電子密度變化的直接原因.因此，電子溫度和密度的變化是電弧等離子體中Ti 粒子(原子和離子)行為的另一個反映.

圖8 電弧等離子體的電子溫度和密度Fig.8 Electron temperature and density of arc plasma

2.3 鈦離子的遷移運動

在激光脈沖作用之后，焊接電弧恢復到原始電弧形態(tài)的時間取決于電弧等離子體中Ti 粒子的數(shù)量變化和遷移運動行為.

在極短暫的時間Δt內，電弧等離子體中Ti 粒子的數(shù)量變化ΔN，即

式中：Nin和Nout分別為Δt時間內遷入和遷出電弧等離子體的Ti 粒子數(shù)量.在S-TIG 和T-TIG 焊接中，Ti 粒子在等離子體中遷入遷出達到動態(tài)平衡，ΔN約為零.在激光脈沖作用時，金屬材料劇烈蒸發(fā)和電離形成匙孔，匙孔等離子體中大量的Ti 原子和離子遷移進入電弧等離子體.根據(jù)“Fick 擴散定律”，Nin和Nout均增加，但相比電弧焊接，Nin大于Nout，ΔN大于零.當激光脈沖作用結束后，激光匙孔仍然存在一段時間，為Ti 粒子從匙孔等離子體向電弧等離子體轉移提供了條件，ΔN仍大于零.因此，較長的電弧恢復時間是激光匙孔向電弧等離子體持續(xù)供給Ti 粒子的結果.

為了驗證上述分析，采用高速攝像機和半導體輔助光源對LISTW 和LITTW 的激光匙孔動態(tài)行為進行監(jiān)測，如圖9 和圖10 所示.從圖中可以看到，LISTW 的激光匙孔在252.6 ms 時形成，1 ms后熔池金屬波動加劇，匙孔在254.6 ms 時短暫消失，而后在激光脈沖的持續(xù)作用下，255.1 ms 時匙孔再次形成，直到256.1 ms 時徹底消失.從激光匙孔形成到徹底消失共經歷了大約3.5 ms 的時間，這和2.2 節(jié)中電弧等離子體的恢復時間相匹配.同時，在LISTW 中熔池金屬的劇烈波動會造成激光匙孔間歇性失穩(wěn)坍塌，這會中斷匙孔中的Ti 粒子向電弧等離子體中遷移運動，表現(xiàn)為Ti/ Ar 等離子體的間歇性膨脹/收縮現(xiàn)象(圖5)，不利于電弧等離子體形成高亮集中的導電通道.而在LITTW 焊接中，從圖10 可以看到，熔池表面更加平滑，激光匙孔形態(tài)穩(wěn)定.在182.4 ms 時匙孔形成，直到188.9 ms 匙孔消失，共經歷約6.5 ms 的時間，未出現(xiàn)匙孔的間歇性失穩(wěn)坍塌.在這個過程中，大量Ti 粒子不斷遷入電弧等離子體，延長了電弧等離子體的恢復時間，并大幅提高電弧等離子體的電子密度.Ti/Ar 等離子體的持續(xù)性膨脹/收縮有利于電弧能量的集中，加速能量交換和傳遞，有效提高焊接效率.

圖9 LISTW 焊接時激光匙孔行為Fig.9 Laser keyhole behavior during LISTW welding

圖10 LITTW 焊接時激光匙孔行為Fig.10 Laser keyhole behavior during LITTW welding

3 結論

(1) 在6 mm TA2 純鈦焊接中，LITTW(激光誘導雙TIG 焊接)比LISTW(激光誘導單TIG 焊接)表現(xiàn)出更顯著的焊接優(yōu)勢.LITTW 的能耗僅為LISTW 的50.9%，焊接速度卻達到LISTW 的2.3 倍.

(2) 激光脈沖作用后，LITTW 電弧等離子體的壓縮比達到52.9%，電子密度提高65.9%，電弧能量更加集中.在激光脈沖結束后，電弧等離子體由能量集中狀態(tài)恢復到原始電弧形態(tài)存在一個恢復延遲時間，在本試驗條件下，LITTW 的恢復時間比LISTW 延長了3 ms.

(3) 激光匙孔向電弧等離子體供給Ti 粒子的時間是影響等離子體恢復延遲的主要因素.LITTW中穩(wěn)定的匙孔形態(tài)為Ti 粒子持續(xù)向電弧等離子體轉移提供了條件，延長了等離子體的恢復時間.