304不锈钢激光K-TIG复合焊接电弧特性的研究

李京洋　李伟　焦向东　朱加雷　梁栩　肖镌璐

摘要：针对4 mm厚度304不锈钢板开展激光K-TIG复合焊接实验，利用高速摄像和图像处理技术采集电弧形态，分析和探索各工艺参数对电弧形态的影响规律。实验结果表明：电弧形态稳定与否的关键是能量配比，当激光焦点距离阳极较近时，由于电弧与试件有效接触面积变大，导致电弧吸收激光能量增加，电弧趋于稳定;当激光焦点作用于阴极附近时，电弧变得发散，稳定性下降。实验得到的最佳热源间距为0～3 mm，最佳离焦量为0 mm。

关键词：K-TIG;激光复合焊接;电弧形态;图像处理

中图分类号：TG456.7文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）04-0030-06

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.04.04

0 前言

激光-TIG复合焊接技术是薄板常用的焊接工艺之一[1]，然而TIG焊钨极载流能力较低，填丝熔敷效率低，不利于焊接效率的提高。锁孔TIG焊（K-TIG）焊枪弥补了普通TIG焊载流能力差的缺点，加大了钨极载流能力，很大程度提高了生产效率，可实现薄板在高速焊接下的单面焊双面成型[2]。

Rosellini C.等人[3]进行了可焊材料K-TIG全熔透焊接实验，结果表明K-TIG适合于焊接奥氏体不锈钢、镍基合金、钛基合金等前景广阔的材料。French等人[4]采用K-TIG和A-TIG两种方法对316不锈钢进行了焊接对比实验，结果表明K-TIG焊接可改善熔宽过大等缺陷。Cui ShuangLin 等人[5]对4 mm的304不锈钢进行了K-TIG全熔透小孔焊接实验，虽然在焊接过程中脉冲电流产生脉冲小孔，实现了稳定的小孔焊接，但存在工艺窗口太窄的缺点。柳阳等人[6]研究了保护气成分对304N不锈钢焊接质量的影响，发现当保护气采用φ（Ar）97%+φ（N2）3%时，焊缝的显微硬度可提高14%以上。激光K-TIG复合焊接可以充分发挥激光焊接和K-TIG焊接的優势，在不锈钢薄板提速焊接方面具有很高的研究价值。本文主要研究激光K-TIG复合焊接过程中的电弧特性，通过图像采集系统和图像处理手段，采集和处理高速焊接过程中不同焊接参数下的电弧特性，将采集图像进行总结，为研究机理提供理论依据[7]。

1 实验方法及电弧图像处理技术

实验材料为304奥氏体不锈钢，板材尺寸为400 mm×70 mm×4 mm。保护气采用φ（H2）5%+φ（Ar）95%混合气体，流量20 L/min。激光器采用IPG YLS-4000型光纤激光器，最大激光功率4 kW。焊枪采用唐山开元自主研发的K-TIG焊枪，钨极直径6 mm，最大载流能力600 A。图像采集设备采用奥林巴斯i-SPEED3型高速摄像机，前置尼康28 mm f1.4微距镜头，最高拍摄速度为150 000 fps。实验原理及设备如图1所示。根据电弧的电场强度，将电弧分为阳极区、弧柱区和阴极区3个区域[8]。采用MATLAB Canny边缘检测算法对包含噪声的图像进行后处理，使图像清晰易辨识。具体操作方法为：首先利用Canny边缘检测算法提取电弧边缘得到电弧轮廓，然后测量电弧边缘与阳极区接触截面尺寸和电弧轮廓最大距离尺寸，最后根据测量结果分析电弧形态，步骤如图2所示。

2 实验结果及分析

2.1 能量配比对电弧形态的影响规律

激光和电弧的能量配比影响激光与电弧的相互作用，进而影响电弧形态。实验选取5组参数（编号a～e），其中a组为单独K-TIG实验，b～e组为激光K-TIG复合焊接实验，焊接速度1 m/min，采集时间间隔为50 ms。其他工艺参数如表1所示，各参数下电弧形貌如图3所示。

对比图3a与图3c可知，加入激光后，K-TIG电弧的弧柱受到明显的压缩作用，发散角变小，挺度增加。当激光功率与电弧的电流在合适的匹配范围时（见图3b、图3c），电弧稳定挺度较高，不易发散，在焊接过程中电弧形态较为稳定;当激光功率与电弧电流值处于不恰当的匹配范围时（见图3d、图3e），电弧虽然受到压缩作用，但电弧发散，不稳定，弧柱区波动较大。对比图3d、图3e可知，过度的提高热源能量并不能改善焊接效果。这是因为激光焦点的作用点在电弧附近，此时部分激光能量被电弧吸收。当激光功率不变时，增加K-TIG电流，弧柱区和阳极区电弧直径随之增大，进而激光穿过电弧的距离增大，被电弧吸收的能量增加，因而用于焊接的能量减少[9]。

根据图3b、图3c可知，能量配比恰当时，阳极区和板材的接触面积与弧柱区面积相差不大，比值在0.5～0.8之间;由图3d、图3e可知，能量配比不恰当时，阳极区和板件的接触面积与弧柱区面积相差较大，截面尺寸比值低于0.5，熔池吸收的能量较少。

2.2 焊接速度对电弧形态的影响规律

保证其他焊接参数不变，研究不同焊接速度对电弧形态的影响。工艺参数设定：激光功率4 kW，电弧电流150 A，离焦量0 mm，热源间距为0 mm，不同焊接速度时的电弧形态和边缘检测如图4所示。

由图4可知，随着焊速的增加，激光与电弧的耦合作用被减弱。其中，焊接速度为1 m/min时激光压缩电弧的效果最为明显，此时弧柱直径小，挺度高，并且焊接过程中产生的金属蒸汽较少，电弧稳定性最好。而焊接速度增加到2 m/min时，电弧开始发散，表明激光对电弧压缩作用减弱，但焊接过程还比较稳定;当焊接速度为2.5 m/min时，电弧形状变得不规则，且波动剧烈，焊接稳定性大大降低。

对比边缘检测图可知，焊接速度为1 m/min时，试件与电弧阳极区接触面积的直径最大，其与弧柱直径的比值最大，为0.58，用于焊接的能量最多;焊速为1.5～2 m/min时，阳极区与板材的接触直径减少0.1～0.2 cm，其与弧柱直径的比值也减少，金属蒸汽增多，用于焊接的热量减少;焊速为2.5 m/min时，电弧直径最大，阳极区与板材的接触面直径最小，其与弧柱直径的比值也最小，表明用于焊接的能量最少，在4组中焊接效果最差。

2.3 热源间距对电弧形态的影响规律

设定激光功率4 kW、电弧电流150 A、焊接速度1 m/min、离焦量0 mm，不同热源间距下的电弧形态见图5，电弧形态处理后所对应的边缘检测见图6。

由图5可知，随着热源间距的增加，激光与电弧相互耦合的效果被减弱。当热源间距为0～1 mm时，电弧直径小，激光对电弧的吸引明显，压缩效果显著，焊接效果最佳;当热源间距为2～3 mm时，电弧直径增加，同时激光对电弧的压缩效果减少，电弧能量分布均匀，复合焊接效果较好;当热源间距为4～5 mm时，压缩效果变差，阳极区波动较大，激光与电弧的耦合效果不佳，焊接效果最差。

由图6可知，随着热源间距的增大，弧柱直径也随之增大。当热源间距为0～1 mm时，弧柱直径最小，阳极区和板材接触面的直径与弧柱直径的比值为0.61～0.81，被焊件吸收的能量最少;当热源间距为2～3 mm时，电弧直径相对增加，阳极区和板材的接触面的直径小幅变化，其比值约为0.56～0.70，此时用于焊接的能量降低;当热源间距为4～5 mm时，电弧直径变化较少，阳极区与板材的接触面积减小，此时用于焊接的能量最低。

2.4 离焦量对电弧形态的影响规律

为研究离焦量对电弧形态的影响，设定激光功率4 kW、电弧电流150 A、焊接速度1 m/min、热源间距0 mm保持不变，调整离焦量参数。不同离焦量下的电弧形态如图7所示，电弧形态处理后所对应的边缘检测图如图8所示。

由图7可知，正离焦时（见图7a、7b），靠近阴极区的电弧很不稳定、波动剧烈，表层金属发生剧烈汽化，对熔池金属产生反作用力，使熔池内金属向两边推移，焊缝会内凹，电弧等离子体金属蒸汽羽辉减弱了激光能量，导致焊件吸收的能量减少[10];零离焦时（见图7c），电弧发散角减小，此时电弧呈钟罩型，且趋于稳定;当离焦量变为负离焦时（见图7d、7e），随着光斑直径的增加，电弧形状变得不规则，稳定性下降。此时激光焊属于深熔焊，开始產生小孔效应，从小孔中喷出的金属蒸汽对电弧稳定性具有一定的干扰作用。由图8可知，电弧直径的波动范围在0.10 mm以内，相差不大，但正离焦时，阳极区与板材的接触面积很小，与弧柱面积比值不足0.50，焊接效果差;零离焦时，阳极区与板材的有效接触面积较大，焊接过程稳定，电弧能量集中，焊接效果更好;负离焦时，阳极区与板材的有效接触面积增加不大，图形趋于不规则形状，稳定性下降。

3 结论

（1）当激光功率与电弧电流值处于恰当的匹配范围时，电弧挺度较高、发散角小，形态变化较少，稳定性好，此时复合焊速的可调节范围较大，但会存在一个阈值;当激光功率与电弧电流值处于不恰当的匹配范围时，电弧虽然受到压缩作用，但其收缩程度较少，弧柱区波动较大，稳定性较差，并且过度的提高热源能量并不一定能改善焊接效果。

（2）实验得到的激光K-TIG复合焊接热源间距的合适范围为0～3 mm。

（3）正离焦时，靠近阴极区的电弧波动较大、稳定性最差;零离焦时，电弧整体稳定性高;负离焦时，光斑增大，电弧稳定性减弱，因此实验得到的激光K-TIG复合焊接最佳离焦量为0 mm。

参考文献：

[1] Steen William M. Arc augmented laser processing of materials[J]. Journal of Applied Physics，1980，51（11）：53-56.

[2] Liu Z M，Fang Y X，Cui S L，et al. Stable keyhole welding process with K-TIG[J]. Journal of Materials Processing Technology，2016（238）：65-72.

[3] Rosellini C，Jarvis L. The keyhole TIG welding process：avalid alternative for valuable metal joints Paper presented at the 4th National Welding Day，Workshop：“Developments and trends in traditional welding processes”，Genova，2526 October 2007[J]. Welding International，2009，23（8）：616-621.

[4] French R，Merin-Reyes H，Yeadon W，et al. A Feasibility Study Comparing Two Commercial TIG Welding Machines for Deep Penetration[J]. MATEC Web of Conferences，2019（269）：01004.

[5] Cui S L，Liu Z M，Fang Y X，et al. Keyhole process in KTIG welding on 4 mm thick 304 stainless steel[J]. Journal of Materials Processing Technology，2017（243）：217-228.

[6] 柳阳，王秋平. 保护气对304N不锈钢K-TIG焊接头组织性能的影响[J]. 焊接，2017（9）：45-48，83.

[7] 于英飞，郭吉昌，朱志明. 焊接可视化技术的发展与研究现状[J]. 焊接，2017（12）：4-8.

[8] 吴世凯. 激光—电弧相互作用及激光-TIG复合焊接新工艺研究[D]. 北京：北京工业大学，2010.

[9] 郝新锋. 低功率YAG激光+TIG复合热源焊接技术研究[D]. 辽宁：大连理工大学，2010.

[10] 姚燕生，王园园，李修宇. 激光复合焊接技术综述[J]. 热加工工艺，2014（9）：16-20.