激光_MIG复合焊接工艺参数对焊缝形状的影响

本文以激光 - MIG复合焊焊接工艺参数对焊缝形状的影响为出发点 ,对复合焊进行了初步的研究。

　第26卷第1期　　　　　　　　　　　　　　应　用　激　光　　　　　　　　　　　　　　Vol.26,No.1　　2006年2月　　　　　　　　　　　　　　　APPLIEDLASER　　　　　　　　　　　　　February2006

激光-MIG复合焊接工艺参数对焊缝形状的影响

许良红　彭　云　田志凌　张晓牧

(钢铁研究总院结构材料研究所,　北京100081)

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提要　本文以激光-MIG复合焊焊接工艺参数对焊缝形状的影响为出发点,对复合焊进行了初步的研究。实验研究了激光与电弧之间的距离、离焦量、焊接速度、送丝速度、电弧的类型以及激光的倾斜角度等工艺参数对复合焊焊缝的熔深熔宽的影响。实验表明,激光与电弧之间的距离(DLA)对复合焊的熔深影响较大,在DLA为2mm时,熔深达到最大。离焦量主要是通过影响能量密度来影响熔深和熔宽,在离焦量为+2mm时熔深达到最大,不同于单独激光焊负离焦时熔深最大。焊接速度有一个合适的范围,在这个范围内随着焊接速度的增加,熔深熔宽减少。送丝速度对复合焊的焊缝形状影响最大,送丝丝度较小时焊缝形状类似于单独激光焊;送丝速度过大电弧等离子体屏蔽激光,焊缝形状类似于MIG。激光的倾斜角度对复合焊的焊缝熔深熔宽也有一定的影响,当激光的倾斜角度为10oC时,熔深达到最大熔宽最小。　　关键词　激光-MIG复合焊　焊接参数　焊缝形状

TheEffectofLaser-MIGHybridWeldingParametersontheGeometryofXuLianghong　PengYun　TianZhiling　Xiaomu(CenteralIron&SteelResearchI,　Bjing　　Abstract　Theeffectoflaser-MIGhybridweldingMIGarc,laser

beamdefocusing,weldingspeed,thetypesofarc,weldgeometry,isstudied.ResultsindicatethatthedistanceisaWhenthedistancebetweenlaserandarce2qualsto2mm,beamdefocusing,whichdecidespowerdensity,canaffectthepene2trationandthethedefocusinglengthis+2mm,thepenetrationreachesthemaximumvalue,whichisdifferentfromwherethepenetrationreachesthemaximumvaluewhenthedefocusingpointisnegative.Theweld2ingspeedhasasuitablerange,inthisrangethepenetrationandthewidthoftheweldreduceswithincreasingspeed.Wirefeed2ingspeedisthemostimportantparameter.Whenwirefeedingspeedislow,theweldgeometryissimilartothatoflaserweld2ing.Whenthewirefeedingspeedisveryhigh,theweldgeometryissimilartothatofMIGwelding.Inclinedangleofthelaseralsoattributesinacertaindegreetoaffectthepenetrationandthewidthofthehybridweldingweld.Whentheinclinedangleis10°,thepenetrationreachesthemaximumvalueandthewidthreachtheminimumvalue.

Keywords　laser-MIGhybridwelding　weldingparameters　weldgeometry

复合焊最早是在70年代末被英国学者WMSteen首先提出来的,它是采用激光匹配一定形式的电弧热源进行激光电弧复合热源焊接,早期进行复合焊研究的目的主要是为了增加熔深,提高焊接效率,降低成本[1,2]。随着研究的深入,复合焊的优势越来越体现出来,相对于电弧来说复合焊的热输入比较低,焊缝窄,热影响区窄,焊接变形小,焊接速度大,熔深大;相对于激光来说,增加了搭桥能力,减少了对中要求,并且由于电弧的作用激光在焊接过程

中更加的稳定,减少了气孔咬边等缺陷的可能性。复合焊工艺参数非常的多,对复合焊的焊缝截面形状影响比较大,不同的焊接参数可以得到不同的焊缝形状,而且不同工艺参数对焊缝截面的影响机理也各不相同。研究激光-MIG复合焊接工艺参数对焊缝形状的影响对复合焊平板对接坡口的设计以及平板对接焊接工艺参数的选择有很大的指导意义。本文采用CO2激光与MIG电弧进行复合,研究工艺参数对复合焊焊缝形状的影响。

3国家863计划项目(2002AA305402)资助　　　　　　　　　2005年10月17日收稿

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本文以激光 - MIG复合焊焊接工艺参数对焊缝形状的影响为出发点 ,对复合焊进行了初步的研究。

实验设备及材料

实验采用的焊接设备采用奥地利产Frounious半自动焊机,最大输出电流为450A,以及德国产的DC030板条CO2激光器,额定功率为3.5kW,焦距

焊前试板、工作台、卡具都用丙酮进行了除油清理,焊前还对试板进行了刮刀除氧化膜处理

。

为150mm。激光-MIG复合焊的装配示意图如图1所示,激光倾斜10°,MIG焊枪与工件之间的交角为75°,焊接过程中采用激光在前的方式,焊丝干伸长15mm。焊接过程采用在平板上堆焊。　　所用母材为2519-T87,以及2219-T87两种高强铝合金,T87表示母材的处理状态为固溶处理后,经7%的冷加工冷变形,然后进行人工时效,实验过程中采用了自己研制的焊丝8#丝。

Fig1　Assemblyschemeoflaser-MIGhybridwelding

Table1　Compositionsofweldingwireandbasemetal

Cu

82519

6.0-6.85.6

Mn

Zr

Ti

V0.10.05

Cr

Fe0.040.15

Zn0.070.07

0.2-0.30.10-0.200.10-0.150.28

0.19

0.06

≤0.5

-

实验结果及分析

1.激光与电弧中心距离DLA　　激光与电弧中心距离DLA23同DLADLALA主要是通过影响复合

MIG焊的[,52和图3。其它工艺规范如:5.9m/min,激光功率:3.5kW,保护气体:40(L/min)He+15(L/min)Ar,电弧电压:27.3V,电流:222A,焊接速度:1,离焦量+

2mm。

。从图4中等离子体形态可以看到当DLA在2mm左右时时激光与电弧之间的相互作用非常剧烈,电弧增强激光热源,使其扩大小孔的尺寸,从而使热量能够到达更深的区域,增大熔深。但当电弧正指向激光作用点时即DLA为0mm,因为电弧扰乱了匙孔的平衡,而且电弧等离子体能够吸收和散射激光的能量,反而使熔深减少,熔宽增加;当DLA大于2mm时,电弧与激光是相互分离的,电弧对激光的影

Fig2　PenetrationandwidthofweldindifferentDLA

DLA=2mm　　　　　DLA=5mm　　　　　　　DLA=11mm　　　　　DLA=15mm

Fig3　Cross-sectionshapeofweldindifferentDLA

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DLA=0mm　　　　　DLA=2mm　　　　　　　DLA=5mm　　　　　　　DLA=11mm

Fig4　PhotographofplasmaindifferentDLA

Fig5　Effectofdefocusingdistanceonweldpenetrationandwidth

2.离焦量

离焦量指焦点偏离工件的距离,实质是改变辐射到工件表面的功率密度,但起作用不止如此焦的方式有两种:反之为负离焦。等时,,但一般来说负离焦量时工件内部功率密度大于表面处,焦点处的高能量密度完全用于熔化母材,因此可获得更大的熔深,另外焦点位置小于零,工件与喷嘴端部较近,保护气因流动路径的缩短而挺度增加,有利于进一步消除等离子体

[6]

。为了增加熔深,焊接过程中一般都采

用负离焦,由于不同的激光器光束质量不一样,焊接过程中对离焦量的要求也不一样。本文中采用300mm的焦距的铜镜,激光器光斑直径在焦点处仅

有0.26mm,在焦点处的激光功率密度达到5.2×106W/cm2,添加电弧后由于在激光的引导下电弧能

够到达激光小孔,焦点处的能量密度进一步提高。如果继续采用负离焦,焦点处的高能密度全部用来熔化母材,将会形成大量的金属蒸汽,喷射出的金属蒸汽能够吸收激光能量,造成等离子体屏蔽激光,使焊接过程不稳定,反而使熔深减少.图5、图6分别为离焦量对焊缝熔深和熔宽的影响。激光功率为3.5kW,送丝速度为5.8m/min,保护气体为40(L/min)He+15(L/min)Ar。

3.,但是热,,而且焊接速度过大,,;降低焊接,但若焊接速度过低,熔深却不会增加,反而使熔宽增大,而且将会使焊接过程不稳定容易造成飞溅,因为复合焊维持小孔存在的主要动力是金属蒸汽的反冲压力。在焊接速度低到一定程度后,热输入增加,熔化金属越来越多,当金属蒸汽所产生的反冲压力不足以维持小孔的存在时,小孔不仅不再加深,甚至会崩溃,因而熔深不会增大。所以,对一定激光功率和一定厚度的某特定材料都有一个合适的焊接速度范围,并在其中相应速度值时可获得最大熔深[7,8]。从图6中不同焊接速度下的等离子体形态可以看到:在焊接速度为2m/Min时熔滴过渡不是稳定的射滴过渡;在焊接速度为0.8m/Min时,没有观察到小孔的存在,激光小孔由于不能够维持自身的平衡,发生坍塌。在焊接速度为1时,熔滴过渡和激光小孔都很稳定。　　焊接速度对复合焊熔深、熔宽以及深宽比的影响如图7。激光功率为3.5kW,送丝速度为5.8m/min,保护气体为40(L/min)He+15(L/min)Ar,离焦量为+3mm,DLA为+2mm。图8为不同焊接速度下的焊缝截面。

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v=2m/min　　　　　　　　　　　　v=1m/min　　　　　　　　　　　　v=0.8m/min

Fig6　Photographofplasmaindifferentwelding

speeds

Fig7　Effectoftheweldingspeedonpenetration,width

thewidthofweld

焊接速度为0.8m/min　　　焊接速度为1m/min　　　　焊接速度为1.5m/min　　　焊接速度为2m/min

Fig

8　Cross-sectionshapeofweldindifferentweldingspeeds

(a)脉冲电弧送丝速度　　　　(b)脉冲电弧送丝速度　　　(c)脉冲电弧送丝速度　　　　(d)直流电弧送丝速度

为4.0m/min,　　　　　　　为6.0m/min,　　　　　　　为8.5m/min　　　　　　　为6.0m/min

Fig9　Photographofplasmaindifferenttypesofarcandwirefeedingspeed

4.电源类型以及送丝速度

电弧有直流电弧以及脉冲电弧,电弧的形式对复合焊的熔深熔宽有很大的影响,在相同的工艺条件下焊缝的熔深熔宽以及焊接过程中的稳定性都有—8

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很大的不同。因为送丝速度直接对应于焊接电流电压,随着送丝速度的增加焊接电流电压时增加的,电弧吸收散射激光的能力也随之增加,对激光的屏蔽作用增强,激光不能穿透电弧反而使熔深减少;当送

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丝速度比较小时,激光起主要作用,形成的焊缝比较窄,有点类似与单独激光焊的焊缝。只有在焊接电流合适时,激光与电弧之间的相互作用才会比较明显,熔深才能达到最大,焊接过程才能最稳定[9]。

(b)和(c)的熔滴过渡形式以等离子体从图9中(a)、

形态可以看出,当送丝速度为4.0m/min时,熔滴的过渡形式为大颗粒过渡,这种大颗粒过渡容易引起熔池对流紊乱,使维持小孔平衡的液态金属静压力发生很大波动,一旦维持平衡的静压力发生改变,小孔将会发生坍塌,熔深反而减少,其次送丝速度比较小,对应着热输入也比较小,熔深自然比较小;当送丝速度为6.0m/min和8.5m/min时,熔滴过渡形式都为射滴过渡,但是由于在送丝速度为8.5m/min时,电弧等离子体密度过于强烈,吸收了激光的能量,完全屏蔽了激光,所以在观察其等离子体形态时,没有发现小孔的存在。图9(d)为直流电弧下的激光与-MIG复合焊的熔滴过渡以及等离子体形貌图,与(b)相比电弧熔滴过渡不够稳定,这可能是因为激光为电弧提供的导电通道使电弧的弧柱大大压缩,斑点的尺寸也随之减少,强大的斑点力向上阻碍熔滴的过渡,孔的力,,变,。脉冲1以及直流1的工艺参数::3.5kW,送丝速度:6.0m/min,保护气体:40(L/min)He+15(L/min)Ar,离焦量:+2mm,DLA:+2mm,焊接速度为1m/min。脉冲2以及直流2的工艺参数:激光功率:3.5kW,送丝速度:7.5m/min,保护气体:40He+Ar,离焦量:+2mm,DLA:+2mm,焊接速度为1m/min

。

响,激光功率为3.5kW,送丝速度为6.0,保护气体为40(L/min)He+15(L/min)Ar,离焦量为+2mm,DLA为+2mm,焊接速度为1m/min。　　采用激光倾斜一定角度可以防止反射回来的光损伤光镜,其次激光倾斜一定的角度可以减少等离子体对激光能量的吸收,从而可以提高激光能量的利用率,因为焊接过程中形成的等离子体一般上浮于焊缝表面,激光垂直入射等离子体对激光的吸收散射将比较大,减弱激光的利用率;倾斜一定角度,激光穿透等离子层的深度就会减少。但是激光的倾斜角度又不能过大,过大的角度将会使激光直接作用在焊缝的熔融金属上,熔深反而会减少

。

angleonpenetration

andwidthofweld

结　论

1.激光与电弧之间的距离DLA和离焦量△f对复合焊的熔深有很大影响,在DLA=2mm和离焦量为2mm时熔深达到最大。　　2.焊缝的熔深熔宽随着焊接速度的增加而减小,但是焊接速度过小熔深反而会减少,只有在合适的焊接速度使熔深才能达到最大。　　3.脉冲电弧比直流电弧的熔深要大,而且随着送丝速度的增加熔深是增加的。

4.激光倾斜10°时,复合焊焊缝熔深达到最大。

参考文献

[1]Steen,WM,etal,Proc.4thInternationalConference,

Harrogate,May1978:9-11

[2]Steen,etal,MetalConstruction,July1979,11(7)[3]C.Walz,etal,Laseropto.2002,33(2):64-67[4]NAITOYasuaki,etal,Tran.JWRI,2003,23(1):71

Fig10　EffectofwirefeedingspeedandtypesofMIGarc

onthepenetrationandthewidthofthehybridweld

[5]樊丁等,应用激光,2002,22(2):169

[6]关正中编,激光加工手册,中国计量出版社.109-116[7]Tommi.Okinen,etal,Proc.ofSPIEVol.4831:307[8]YasuakiNaito,etal,Proc.ofSPIEVol.4831:357[9]Yamakino,etal,Weldinginternational,2002,16:99

5.激光倾斜角度

图11为激光倾斜角度对复合焊熔深熔宽的影

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/h7pe.html