張 臣，胡佩佩

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

未來航空航天裝備面臨越來越多的極端使用環(huán)境，將大量使用高強度、高耐性材料以提高性能，如高強鋁合金、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)制造方法無法達成的工作，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，但是過深的小孔容易導致失穩(wěn)，形成嚴重氣孔缺陷。激光-電弧復合焊接通過有機結合兩種熱源，在保留單一熱源優(yōu)點的同時，利用熱源耦合效應克服缺點，提升效率，是激光焊接的重要發(fā)展方向[1]。

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

無論是激光焊接還是MIG 電弧焊接，飛濺和焊縫表面形貌是最直觀反映焊接過程穩(wěn)定性的物理現(xiàn)象。在激光焊接中，小孔的波動導致等離子體流力方向變化，使得小孔周圍熔液從小孔內飛出，產生飛濺現(xiàn)象[5]；在脈沖MIG 電弧焊接中，不穩(wěn)定的熔滴過渡是形成飛濺的主要原因，不合理的保護氣成分、過高或過低的保護氣流量都可以影響熔滴過渡，電弧電壓過低會導致熔滴過渡方式轉變?yōu)椴环€(wěn)定的短路過渡，而不平穩(wěn)的熔滴過渡會導致焊縫表面成形變差[6]。在激光-電弧復合焊接中，激光和電弧之間的相互作用會改變電弧熔滴的受力情況，影響熔滴沖擊力和電弧壓力，從而影響復合焊接工藝穩(wěn)定性、飛濺的形成傾向及焊縫表面形貌[7]。基于上述分析可得電弧狀態(tài)對飛濺等穩(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)定性的關聯(lián)關系，對于優(yōu)化復合焊接工藝參數(shù)、改善復合焊接過程穩(wěn)定性和提高焊縫質量具有重要的理論指導意義。

本研究將基于焊接飛濺的數(shù)據統(tǒng)計和焊縫表面成形質量，系統(tǒng)研究保護氣、電弧工藝參數(shù)等影響熔滴過渡的因素對激光- MIG 電弧復合焊接工藝過程穩(wěn)定性的影響規(guī)律，為鋁合金激光-電弧復合焊接工藝的工程化應用奠定技術基礎。

1 試驗及方法

試驗材料采用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 混合保護氣。試驗研究了單一工藝參數(shù)對焊接過程的影響。如不作特殊說明，試驗中的工藝參數(shù)保持恒定：激光束入射角10°、離焦量- 2 mm、保護氣成分100% Ar、保護氣流量40 L/min、焊炬傾角60°、光絲間距2 mm、焊絲干伸長16 mm。

試驗所用激光器為IPG 公司的YLR-6000 連續(xù)光纖激光器，波長為1070～1080 nm，光束質量參數(shù)（BPP）為6.9 mm×mrad，光束模式為TEM01。激光束通過200 μm 芯徑的傳導光纖傳輸?shù)郊す夂附宇^。激光焊接頭聚焦焦距為250 mm，聚焦后焦點處光斑直徑為0.4 mm。電弧電源采用Fronius 公司的TPS4000 MIG焊機。采用PCO Dimax HD 高速攝像機分別記錄焊接過程熔滴過渡和等離子體形貌，具體見圖1（a）。飛濺的分析采用了熔滴過渡的高速攝影結果，通過統(tǒng)計固定視場和視角的高速攝影圖片內飛濺顆粒的數(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 時飛濺顆粒數(shù)約為35 個 （一個圓圈包含一個飛濺顆粒）。由于脈沖電弧的周期性，這里選擇1 個脈沖內飛濺顆粒最多的時刻進行統(tǒng)計，這個時刻一般在熔滴從焊絲脫離后與熔池接觸的瞬間，且選取3 個不同脈沖的平均飛濺顆粒數(shù)作為最終結果。一個熔滴的過渡周期在10 ms 左右，高速攝影機的采集幀速為3000 ～ 5000 f/s。高速攝影機從起弧穩(wěn)定后約1 ～ 2 s 開始采集圖像，保證采集到至少3 個以上熔滴過渡周期的影像。由于1 個脈沖內的圖像包含了重復的飛濺顆粒，這里采用人工逐幀分析方法確定飛濺數(shù)量。焊接完成后對焊縫表面成形質量進行檢查，并對表面保護效果、表面缺陷等按照ISO 10042 標準進行評價。

圖1 復合焊接過程高速攝影試驗設置及飛濺統(tǒng)計方法 （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 結果與討論

2.1 保護氣體的影響

（1）保護氣體成分的影響。

如圖2 所示，焊接過程中He 保護氣的體積分數(shù)對飛濺數(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，甚至產生了少量黑色氧化物，且He 氣體積分數(shù)越高，保護效果越差。

圖2 保護氣中He 氣體積分數(shù)對焊接飛濺的影響 （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 氣體積分數(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 氣作為保護氣的焊接電弧的性質具有較大差異。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。在保護氣為He 的MIG 焊接中，熔滴受到由陰極指向陽極的大陰極力的作用而使過渡不暢，造成過渡的熔滴形狀不規(guī)則，并使熔滴過渡的方向也不規(guī)律[8]。這一現(xiàn)象使焊接過程不穩(wěn)定，易產生飛濺。但是在激光- MIG 復合焊接中隨著保護氣He 體積分數(shù)的增加，焊接過程中的飛濺并沒有明顯增加，說明激光與MIG 電弧的相互作用穩(wěn)定了電弧中的熔滴過渡。

He 保護氣可以使電弧電壓和電流密度增加，產生高能量電弧。而激光作用于電弧又進一步增加了電弧的能量密度，電弧能量進一步增加，這種高能電弧導致鋁合金中低熔點元素 （如Mg）的燒損，使焊縫表面保護效果變差。說明含He 的保護氣體并不是非常適合于鋁合金復合焊接。

綜合以上結果可知，在復合焊接鋁合金中，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 氣的保護氣對焊接過程穩(wěn)定性的不利影響變小。但是，含He 氣的保護氣又使相應的焊縫保護效果變差。鋁合金復合焊接適合采用純Ar 保護氣。

（2）保護氣體流量的影響。

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

圖4 純Ar 保護氣流量對焊接飛濺的影響（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，當氣體流量大于10 L/min 時，所有焊縫表面都無肉眼可見的咬邊、氣孔和裂紋缺陷；而且保護氣體流量越大，保護效果越好。當氣體流量為10 L/min 時，焊縫表面有明顯的黑色氧化物存在；但是，當氣體流量增加至40 L/min 時，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）是當保護氣體流量為10 L/min 時復合焊接的高速攝像圖，電弧在箭頭所示的部位產生了漂移，說明保護氣流量過低時，氣流挺度較差，產生了紊流。電弧保護氣的波動將影響電弧內部電磁力和等離子體流力的大小和方向，進而使熔滴受到波動電弧力的影響，不能規(guī)律地過渡到熔池中，容易產生飛濺。

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

圖6（b）是當保護氣流量為40 L/min 時的復合焊接過程高速攝影圖，與圖6（a）相比可以發(fā)現(xiàn)，焊接過程中飛濺明顯減少，電弧形貌與焊接過程穩(wěn)定?？梢?，采用較大的保護氣流量有利于在電弧周圍形成穩(wěn)定的層流層，不僅可以穩(wěn)定電弧，也鞏固了保護范圍，阻止外圍空氣卷入電弧和熔池，所以焊縫表面成形良好。當然，氣體流量過大，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，保護效果也不會好。

綜合上述試驗數(shù)據可見，在本試驗條件下，復合焊接過程采用20 L/min以上的保護氣流量可以增強焊接過程穩(wěn)定性并提高焊縫保護效果。

2.2 電弧特性的影響

（1）電弧電流的影響。

圖7 所示為激光-電弧復合焊接過程中不同電弧電流條件下飛濺程度的關系，可見焊接過程穩(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 為不同電流時的電弧焊接和復合焊接等離子體羽輝形貌，對比結果表明復合焊接羽輝與電弧焊接羽輝的形貌差異較小，說明激光和電弧的相互作用過程中，激光導致的羽輝完全融入電弧并成為一個整體。因此，光纖激光對電弧的干擾作用較小。上述研究結果同時還發(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，說明當電流不同時復合焊接過程都能保持穩(wěn)定。

圖9 不同電弧電流時復合焊接羽輝形貌（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生了穩(wěn)定的復合焊接過程，使得電弧電流大小對穩(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，焊接過程飛濺顆粒數(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，飛濺顆粒最大，達100 顆以上。導致飛濺較多的工藝參數(shù)使得焊接過程不穩(wěn)定，這也將影響焊縫的表面形貌。如圖11 中焊縫形貌所示，電壓較高時焊縫形貌較均勻，隨著電壓的降低焊縫表面均勻度越來越差，與上述飛濺規(guī)律基本吻合。

圖10 電弧電壓對焊接飛濺的影響（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，焊接電弧弧長取決于電弧電壓，電壓越大弧長越長。電弧電壓對焊接穩(wěn)定性的影響與電弧弧長有關。電弧電壓為18.9 V 時的焊接過程高速攝影如圖12 所示。在t= 4 ms 時，電弧幾乎熄滅，很顯然電弧產生了短路現(xiàn)象。造成這種現(xiàn)象的原因是，電弧電壓相對標準電壓降低幅度較大，導致電弧弧長大幅變短，焊絲頂端距離熔池表面較近，使得熔滴運動的距離較短。如果熔滴過渡受到外界的干擾，如激光束改變電弧能量，進而改變熔滴受力，則導致焊絲頂端與熔池接觸造成短路。在t= 8 ms 時，高速攝影照片電弧等離子體急劇膨脹，這是因為焊接回路短路會導致焊絲頂端的電流密度劇烈增加，焊接等離子體急劇膨脹，并產生熔滴爆炸，而在爆炸過程中產生大量飛濺顆粒。所以，復合焊接中的短弧長容易導致焊接飛濺。

圖12 電弧電壓為18.9 V 時復合焊接過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

由于低電壓焊接過程中短路過渡現(xiàn)象的存在，熔滴不能規(guī)律地過渡到熔池中，導致焊縫成形變差。所以，焊接過程中應采用較高的電壓，以維持電弧弧長在一個穩(wěn)定、不產生短路過渡的范圍內。但是電壓過高會導致弧長過長，容易使MIG 焊接中導電咀燒損。因此，電壓的選擇需要在上述兩個因素之間平衡。

綜上所述，鋁合金激光- MIG 電弧復合焊接過程中電弧電壓對飛濺的影響較大。采用較高的電弧電壓適當提高電弧長度，可以避免不穩(wěn)定短路過渡的發(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，焊接過程飛濺較多。隨著光絲間距的增加，飛濺數(shù)量逐漸下降。同時，光絲間距為0 的焊縫表面成形及保護效果也最差，與飛濺規(guī)律相對應，如圖14 所示。

圖13 光絲間距對焊接飛濺的影響（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

熔滴過渡后，在熔池中的落點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，由于Dpw較小，過渡熔滴很可能未落入熔池中，而是進入固態(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，這與電弧焊接的情況比較類似，因此飛濺產生的概率較大；光絲間距增加到2 mm 后，激光預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，熔滴前端面積進一步增加，熔滴落入點在熔池中心，且遠離小孔位置，避免了激光束輻照，以及小孔內部反沖等離子體對熔滴運動的干擾，焊接過程將更加穩(wěn)定，飛濺更少。

圖15 不同光絲間距時的熔池狀態(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-電弧復合焊接中光絲間距超過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，但是失去復合焊接相互作用后，可能降低焊接效率和質量，將得不償失。所以，鋁合金復合焊接的光絲間距最佳值還需經過后續(xù)相互作用研究后確定。

以上試驗結果說明，復合焊接過程中光絲間距的增加可以減少焊接過程中的飛濺。光絲間距在0 ～ 6 mm 時，光絲間距越大，激光的預熱作用越強，熔池前端面積也越大，激光對熔滴干擾越小，熔滴可以更加平穩(wěn)地過渡到熔池中。但是，考慮到光絲間距越大，熱源相互作用越弱，復合焊接特征減弱，最佳值須根據相互作用研究來確定。

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

2.4 復合焊接過程中有關飛濺的物理模型探討

焊接過程中的飛濺是焊接是否穩(wěn)定的直接體現(xiàn)，飛濺的存在不僅說明焊接熔池不穩(wěn)定，而且減少了填充材料的利用率，同時，工件表面飛濺的焊后清理增加了額外制造成本。另外，飛濺顆粒過多可能影響精密零部件的表面精度，限制了焊接的應用范圍。因此，研究復合焊接過程的飛濺影響因素，探索飛濺抑制機制具有重要意義。激光焊接過程中，飛濺通常由激光光致小孔內部的反沖壓力裹挾小孔邊緣的熔化物質脫離熔池而形成。MIG 電弧焊接中，飛濺一般由熔滴過渡時受力不均分解而形成。穩(wěn)定的熔滴過渡是抑制飛濺的關鍵因素。熔滴運動主要受到電弧內部的力作用，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；弧長越長，熔滴中的電流線趨于平行，電磁收縮力越小。在復合焊接中，不僅電弧參數(shù)對電磁收縮力有影響，熱源相互作用也會產生新的影響。激光小孔與電弧陽極之間可形成穩(wěn)定的導電通道，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熔滴內部的作用力減小，可以降低熔滴分裂成小飛濺顆粒的概率，并減小了熔滴對熔池的沖擊力，有利于減少飛濺。復合焊接參數(shù)中，電弧電壓、光絲間距增加都使電弧體積增加，導電通道變長，作用于熔滴的電磁收縮力下降，飛濺減少。另外，導電通道作用于小孔附近，增強了電弧在小孔開口上方的能量密度，小孔開口受到高能電弧的熔融作用會擴大開口尺寸，減少了小孔內部反沖壓力對小孔開口熔融物質的沖擊，減少了飛濺的形成。

等離子流力由中性粒子運動和保護氣流共同作用而形成。由于靠近陽極區(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極區(qū)向低密度的陰極區(qū)運動。同時，保護氣流方向也是由陽極指向陰極。所以，等離子流力的方向由陽極指向陰極，如圖16（b）所示。在復合焊接中，保護氣的變化會影響等離子體流力，而等離子體流力直接作用于熔滴表面。當保護氣流能保持層流時，電弧等離子波動較小，等離子流力穩(wěn)定。在本研究的范圍內，保護氣流量的上升增加了等離子體流力，對熔滴過渡形成一種更強的、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渡過程中始終存在。當熔滴未完全脫離焊絲時，還受電子運動產生的陽極斑點力的作用，它會與上述兩種力同時作用于熔滴。前面研究已經表明，鋁合金激光電弧復合焊接中采用含He 成分的保護氣時，He 導致電弧溫度升高，提升了陽極斑點力。大的陽極斑點力方向與熔滴過渡方向相反，阻礙了熔滴過渡，容易產生飛濺。

3 結論

（1） 本研究采用統(tǒng)計飛濺顆粒數(shù)量和焊縫表面成形形貌描述的方法來評價激光-電弧復合焊接過程的穩(wěn)定性。結果表明，保護氣流量和成分、電弧電學特性、光絲間距對焊接過程穩(wěn)定性影響很大：與Ar 和He 混合保護氣比較，純Ar 最適合于鋁合金復合焊接，其氣流量在20 ～ 40 L/min 時，飛濺較少，且趨于平穩(wěn)，焊縫保護效果較好；適當提高電弧電壓可以避免短路過渡，降低飛濺的發(fā)生概率，并優(yōu)化焊縫成形；當光絲間距在0 ～ 6 mm 時，光絲間距越大，激光的預熱作用越大，有利于熔滴平穩(wěn)過渡。

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