與傳統(tǒng)電弧焊接和激光焊接相比，激光-電弧復(fù)合焊接具有大焊接熔深、高工藝穩(wěn)定性、高焊接效率、較強(qiáng)的焊接間隙橋接能力和小焊接變形等優(yōu)點(diǎn)，能夠大幅度提高焊接效率和焊接質(zhì)量。近年來(lái)，激光-電弧復(fù)合焊接得到了廣泛的關(guān)注，相關(guān)研究越來(lái)越多。但是，激光-電弧復(fù)合焊接因?yàn)榧闪思す夂碗娀煞N性質(zhì)截然不同的焊接熱源，在具有更多的可調(diào)節(jié)參數(shù)，提高焊接適應(yīng)性和靈活度的同時(shí)增加了參數(shù)選擇的復(fù)雜程度。研究表明，不合理的參數(shù)將導(dǎo)致其焊縫熔深淺、深寬比小等不良焊縫成形。眾所周知，焊接接頭的焊縫成形和焊縫質(zhì)量密切相關(guān)，只有好的焊縫成形才具有優(yōu)良的接頭力學(xué)性能同。因此，在激光-電弧復(fù)合焊接應(yīng)用中，如何根據(jù)焊接要求來(lái)制定工藝參數(shù)以有效控制焊縫成形就顯得至關(guān)重要。 目前，復(fù)合焊接的研究主要局限在提高材料的可焊性和相關(guān)機(jī)理探討上，對(duì)于如何選擇合理的工藝參數(shù)組合來(lái)控制焊接質(zhì)量卻缺乏系統(tǒng)的研究。本文的目的就是通過(guò)研究CO2 激光-MIG 復(fù)合焊接中激光功率、電弧電流對(duì)最大臨界焊接速度的影響及其和接頭間隙對(duì)焊縫成形的影響規(guī)律，以探討其工藝參數(shù)的優(yōu)化與選擇方案。 1 試驗(yàn)裝置和方法 試驗(yàn)采用德國(guó)Rofin-Sinar TR050 5kW CO2軸流激光器和Panasonic 脈沖MIG 焊機(jī)，旁軸復(fù)合，試驗(yàn)裝置如圖l所示。激光光束模式為TEM01,整個(gè)光路經(jīng)四塊平面反射鏡后反射聚焦，焦距為286.5 mm ，光斑直徑為0.6mm。MIG 焊機(jī)直流反接。保護(hù)氣體直接從焊槍噴嘴流出，采用流量為20L/min 的He-Ar福合氣體。試驗(yàn)材料為Q235 低碳鋼，試件尺寸為120mm x 50mm x 4mm。焊絲直徑為1.0mm。在正式試驗(yàn)前進(jìn)行了CO2 激光束和MIG電弧空間位置參數(shù)的優(yōu)化，試驗(yàn)采用如表l所示的熱源位置參數(shù)。最大臨界焊接速度的測(cè)定采用平板堆焊，其余采用平板對(duì)接焊，I型接頭。焊接完成后，將試樣沿橫截面切開(kāi)，經(jīng)過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的金相制備工序制成試樣，并采用4%硝酸酒精溶液腐蝕焊縫，然后采用金相顯微鏡拍攝焊縫形貌。因?yàn)殡娀‰娏髂軌蚋行У姆从畴娀〉母黜?xiàng)特性，所以本文直接用電弧電流來(lái)表征電? Ｆ渲校緇〉緦鞫雜Φ牡繆埂⒐β屎退退克俁熱綾?所示。2 試驗(yàn)結(jié)果和討論 2.1 能量參搬對(duì)最大焊接速度的影響 如圖2 所示，最大焊接速度隨著激光功率和電弧電流(功率)的增加而增加。激光功率為2.5、3.5和4.5kW時(shí)，對(duì)應(yīng)直線的斜率分別為0.301、0.358和0.517，這表明在同樣的電弧電流增量下，激光功率越大，最大焊速的提高幅度越大；對(duì)于固定的電流，最大焊速的提高幅度隨著激光功率的增加而增加。換句話說(shuō)，激光功率能夠更大程度的提高最大焊速。 圖3為典型的激光-電弧復(fù)合焊接焊縫形貌。根據(jù)激光焊接和常規(guī)電弧焊接的焊縫形貌恃征，可以將其分為兩個(gè)區(qū)域:電弧區(qū)和激光區(qū)。顯然，上半部分寬大的電弧區(qū)表明電弧熱量主要作用在焊接熔池上半部分；而焊縫下半部分明顯的激光深熔焊特征則說(shuō)明復(fù)合焊接熔深的大小主要決定于激光小孔效應(yīng)的強(qiáng)弱，這些現(xiàn)象在Rayes等人的研究中也得到了很好的驗(yàn)證。顯然，在相同焊速下能夠獲得更大的焊接熔深意味著在焊接熔深固定的情況下能夠獲得更大的焊接速度。也就是說(shuō)，對(duì)于固定的板厚(熔深) ，最大焊速?zèng)Q定于激光小孔效應(yīng)。眾所周知，激光焊接時(shí)小孔的形成與光斑處的能量密度密切相關(guān)，能量密度越高，小孔效應(yīng)越明顯，即能夠得到的最大焊速越大。在激光-電弧復(fù)合焊接中，一方面，電弧能夠通過(guò)對(duì)工件的預(yù)熱作用提高激光能量吸收；另一方面，通過(guò)激光和電弧的等離子體相互作用，電弧更穩(wěn)定并受到壓縮，從而電弧能量更加集中，同時(shí)，激光等離子因?yàn)楸幌♂尪鴾p少了激光因等離子體散射和折射而造成的能量損失，增加了激光能量的吸收。顯然，這些相互作用越強(qiáng)，越有利于激光能量密度的提高，有利于激光小孔效應(yīng)的增強(qiáng)。因此，最大焊速隨著激光功率和電弧電流(功率)的增加而增加。 但是，電弧能量主要作用在熔池上部，而且能量分布過(guò)于發(fā)散，所以其預(yù)熱作用只是在一定程度上有助于激光能量密度的提高和小孔效應(yīng)的增強(qiáng)，從根本上講，小孔效應(yīng)的提高取決于激光能量密度的提高。這樣，激光功率能夠更大程度的提高最大焊接速度。 2.2 能量參數(shù)和焊接速度對(duì)焊縫成形的影響 圖4為不同焊接參數(shù)的焊縫橫截面形貌。如圖4(a) 所示，在激光功率較低時(shí)，只能在低焊速下才能熔透焊縫，此時(shí)焊縫表面寬度和余高較大，焊縫和母材的過(guò)渡也很突兀，存在少量氣孔；如果采用高速，將導(dǎo)致焊縫不能完全熔透，且在焊縫中布滿氣孔，見(jiàn)圖4(b)。但是，隨著激光功率和焊接速度的增加，如圖4(c)、(d) 所示，焊縫和母材的過(guò)渡平滑，焊縫深寬比變大，焊縫寬度和余高明顯減小，沒(méi)有氣孔存在。通過(guò)上述分析可知:電弧熱量主要集中在焊縫上部，焊接熔探和速度主要取決于激光小孔效應(yīng)。當(dāng)激光功率較低時(shí)，過(guò)高的焊速將導(dǎo)致能量密度降低，不利于激光小孔效應(yīng)的增強(qiáng)。因此，只能通過(guò)降低焊速來(lái)提高能量密度以保證焊接接頭的熔透。另一方面，焊速的降低意味著更多的電弧熱量和添加金屬將集中在焊接熔池上部，這部分熱量主要通過(guò)熱傳導(dǎo)和熔池流體對(duì)流向四周和深處傳輸，這樣形成如圖4(a)所示的焊縫。在提高焊速后，激光能量密度降低，小孔效應(yīng)降低甚至消失，這導(dǎo)致焊接熱量完全集中在焊縫上部，不易向焊縫深處傳遞，從而形成標(biāo)準(zhǔn)的熱傳導(dǎo)焊焊縫，如圖4(b) 所示。另外，激光能量的降低導(dǎo)致激光等離子體強(qiáng)度的降低，這將造成激光對(duì)電弧的穩(wěn)定和壓縮作用降低甚至消失，這樣高速電弧焊接工藝中常見(jiàn)的不穩(wěn)定現(xiàn)象開(kāi)始出現(xiàn)，氣體隨著不穩(wěn)定的熔滴過(guò)渡進(jìn)入熔池并形成大量氣孔。 隨著激光功率的增加，激光小孔效應(yīng)增強(qiáng)，同時(shí)也加強(qiáng)了對(duì)電弧的穩(wěn)定和壓縮;另一方面，焊速的增加使得電弧熱輸入和添加金屬相對(duì)降低。這樣，激光對(duì)焊縫下部熔化的增加和電弧能量和添加金屬在焊縫上部的減少，形成圖4(c)、(d)所示的焊縫形貌。 2.3 接頭間隙對(duì)焊縫成形的影響 如圖5所示，隨著接頭間隙的增加，焊縫余高逐步降低，在lmm 時(shí)工件表面平齊，而在1.2mm 時(shí)焊縫已經(jīng)低于工件表面，出現(xiàn)咬邊現(xiàn)象；另外，焊縫和母材的過(guò)渡也逐漸變的平滑，但是在間隙增大為l.2mm 時(shí)平滑度反而有所降低。這說(shuō)明，對(duì)應(yīng)既定的焊接參數(shù)，接頭間隙只能在一定范圍內(nèi)才能獲得良好的焊縫成形。 顯然，接頭間隙的增加需要更多的填充金屬來(lái)填補(bǔ)，也就是說(shuō)，間隙的增加將有助于焊縫余高的降低。但是當(dāng)間隙增加到一定程度時(shí)，對(duì)于固定的送絲量(電流)，填充金屬的數(shù)量不足以完全填補(bǔ)接頭間隙，此時(shí)就會(huì)形成咬邊。此外，接頭間隙減少了熔池金屬向下流動(dòng)的阻力，有利于通過(guò)熔池金屬的向下流動(dòng)將焊接熱量帶入焊縫下部，形成焊縫和母材的平滑過(guò)渡。但是當(dāng)接頭間隙增大到一定程度時(shí)，因?yàn)榧す庑】鬃饔冒霃降木窒蓿す饽芰坎荒軌蛴行У膫鬟f到接頭上，反而造成焊縫和母材的平滑度降低。 2.4 焊接參數(shù)的優(yōu)化與選擇 在實(shí)際焊接中，焊縫成形和焊接質(zhì)量密切相關(guān)，焊接速度則和焊接效率緊密相關(guān)，因此，總是期望高焊接速度和良好的焊縫成形來(lái)提高焊接效率、減少后處理工時(shí)和消除應(yīng)力集中等安全隱患。通過(guò)上面的試驗(yàn)結(jié)果可知:在激光-電弧復(fù)合焊接中，電弧功率、電弧電流(送絲速度)、最大焊接速度之間存在密切的關(guān)系，同時(shí)它們和接頭間隙對(duì)焊縫成形具有強(qiáng)烈的影響。這樣可以通過(guò)這些關(guān)系和影響來(lái)根據(jù)實(shí)際需求來(lái)優(yōu)化和選擇工藝參數(shù)。 根據(jù)前面討論可以知道，激光小孔效應(yīng)是決定最大焊接速度和焊接熔深的決定因素，電弧的主要作用是預(yù)熱工件來(lái)輔助激光能量密度的提高和填充焊縫金屬。因此應(yīng)該優(yōu)先選擇可靠的激光功率來(lái)保證全熔透焊縫的形成，隨后通過(guò)圖2 中的關(guān)系選擇較低的電弧線能量來(lái)形成良好的焊縫成形，這里有兩種選擇方式:低焊接電流、中等焊接速度或者高焊接電流、高焊接速度，最后配以合適的接頭間隙。否則將形成不良焊縫成形，如過(guò)高的焊縫余高、突兀的焊縫和母材過(guò)渡及氣孔、咬邊等缺陷，這些都將降低接頭的力學(xué)性能。 接頭間隙的選擇公式可以通過(guò)以下關(guān)系來(lái)推導(dǎo)得到。在焊接過(guò)程中，需要填充的接頭間隙體積和填充金屬之間存在如下關(guān)系：其中，AG為接頭間隙橫接面積；L為焊接長(zhǎng)度均k為焊絲填充系數(shù)(實(shí)測(cè)結(jié)果為0.8~0.9)；r為焊絲半徑;l為焊接L長(zhǎng)度焊縫時(shí)消耗的焊絲長(zhǎng)度。對(duì)于I型接頭，存在以下關(guān)系：其中，h 為板厚;δ為接頭間隙;v為送絲速度;Vw為焊接速度。公式(1)、(2)、(3)式可得到接頭間隙與焊接速度、送絲速度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，如下：綜上， 4mm低碳鋼薄板的CO2 激光-MIG 電弧復(fù)合焊接工藝參數(shù)選擇方案可以歸納為:①確定所需的激光功率，②通過(guò)圖2選定所需的電流和焊接速度，③通過(guò)(4)式確定接頭間隙范圍。顯然，只要確定了如圖2所示的關(guān)系，這一選擇方案同樣適用于其他板厚和材料的激光-電弧復(fù)合焊接。 3 結(jié)論 (1) 激光-電弧復(fù)合焊接的最大焊接速度隨著激光功率和電弧電流的增加而增加，其中激光功率能夠更大程度的提高臨界焊接速度。 (2) 在激光-電弧復(fù)合焊接中，電弧熱量主要集中在焊縫上部，最大焊速或焊接熔深主要取決于激光小孔效應(yīng):單位長(zhǎng)度上過(guò)大的電弧熱輸人和過(guò)低的激光熱輸人將導(dǎo)致焊縫余高過(guò)大、焊縫深寬比變小和突兀的焊縫-母材過(guò)夜;反之將得到深寬比大、余高適中和焊縫-母材平滑過(guò)渡的焊縫。 (3) 接頭間隙只能在一定范圍內(nèi)獲得良好的焊縫成形，過(guò)大和過(guò)小都將導(dǎo)致焊縫缺陷。 (4) 工藝參數(shù)的選擇方案可以歸納為三步:①根據(jù)焊接熔深(板厚)確定所需的激光功率，②通過(guò)激光功率、電弧電流和最大焊接速度的關(guān)系圖選定所需的電流和焊接速度，③通過(guò)接頭間隙與焊接速度、送絲速度的關(guān)系式確定接頭間隙范圍。