激光的加入对激光-MIG复合焊熔滴过渡的影响研究

王秋影　邱培现　陈辉

摘要：对比研究3 kW激光的加入对铝合金MIG焊熔滴过渡和过程稳定性的影响，结果表明，激光的加入使焊接过程更稳定。小电弧参数时，在等离子流力、电磁收缩力和激光匙孔金属蒸汽反冲力的共同作用下，激光-MIG复合焊熔滴落点更靠近焊丝;大电弧参数时，等离子流力和电磁收缩力起主要作用，激光匙孔金属蒸汽反冲力的作用可以忽略不计，激光加入前后熔滴均沿焊丝延长线落入熔池。

关键词：MIG焊，激光-MIG复合焊，熔滴过渡

中图分类号：TG456.7文献标志码：A文章编号：1001-2303（2020）03-0126-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.23

0 前言

焊接方法升级换代是提高铝合金焊接接头服役性能的重要手段。采用激光-MIG复合焊替代传统MIG焊进行铝合金焊接具有提高焊接效率、提高接头强度、降低残余应力和变形等优点[1-2]。要实现激光-MIG复合焊接技术在高速列车生产制造中的应用，首先要解决焊接过程的稳定性问题。在激光-电弧复合焊过程中，电弧形态和熔滴过渡的稳定性不仅受电弧参数的影响，还受激光参数的影响。激光能量会影响电弧形态和电弧等离子体的热传导，影响电子密度和电流密度，使电弧长度、熔滴尺寸和速度发生改变[3]。因此，本文研究激光的加入对激光-MIG复合焊熔滴过渡和稳定性的影响。

1 试验材料与方法

采用IPG YLS-4000光纤激光器、KEMPPI Pulse 450 焊机和ABB IRB2600机器人组成激光-电弧复合系统，在厚10.5 mm铝合金板上进行堆焊，焊丝为φ1.2 mm的ER5356。焊机选用单脉冲MIG焊模式，激光波长1 060 nm、光斑直径200 μm、离焦量0 mm，激光在前、MIG焊枪在后，光丝间距为3～5 mm，保护气为纯度99.999%氩气。采用Photron FASTCAM

SA4高速摄像机实时观察熔滴过渡、电弧形态和熔池形貌。脉冲MIG焊焊接参数为：焊接速度0.54 m/min、送丝速度6 m/min或12 m/min;激光-MIG复合焊参数为：激光功率3 kW，焊接速度0.54 m/min、送丝速度6 m/min或12 m/min。

2 试验结果

2.1 激光的加入对熔滴过渡的影响

当送丝速度为 6 m/min时，观察脉冲MIG焊和激光-MIG复合焊熔滴过渡过程，图1和图2为一个射滴过渡周期，熔滴过渡为一脉一滴。脉冲MIG焊熔滴从焊丝端头分离到落入熔池的时间为5 ms（见图1），而激光-MIG复合焊熔滴从焊丝端头分离到落入熔池仅为1 ms（见图2）。这是因为激光的加入改变了熔滴落点，两种焊接过程熔滴的飞行距离不同。脉冲MIG焊时，熔滴落点在焊丝延长线的右侧，如图1d所示，落点到焊丝端部的连线与焊丝延长线的夹角为23°。激光-MIG焊复合焊时（见图2），熔滴落点也在焊丝延长线的右侧，如图2c所示，落点到焊丝端部的连线与焊丝延长线的夹角为12°。可见，3 kW激光的加入使得熔滴落点更靠后、熔滴飞行距离更短。

当送丝速度为12 m/min时，熔滴过渡模式为射滴过渡，有时为短路过渡，均为一脉一滴。脉冲MIG焊和激光-MIG复合焊一个熔滴过渡周期分别如图3、图4所示。可见，脉冲MIG焊和激光-MIG复合焊过程的熔滴均沿焊丝延长线落入熔池，激光的加入并没有明显改变熔滴落点，熔滴从焊丝端头分离后0.67 ms即落入熔池。

2.2 激光的加入对电弧参数的影响

加入激光对脉冲电流和电压的影响如图5、图6所示。可以看出，送丝速度为6 m/min和12 m/min时，激光加入前后脉冲电流的基值和峰值均没有明显差别，激光加入前后脉冲周期的变化也不明显;但送丝速度为12 m/min时的脉冲电流的基值和峰值高于送丝速度为6 m/min时的。

电参数的变化，尤其是电弧电压的变化与熔滴过渡过程相互对应，可反映焊接过程的稳定性。由图5可知，送丝速度为6 m/min时，脉冲MIG焊电流和电压波动都较大，焊接过程不稳定;3 kW激光的加入使脉冲电弧电流和电压的波动减小，减少了短路过渡过程，焊接过程更稳定。图6表明，送丝速度为12 m/min時，脉冲MIG电流和电压波动小于送丝速度为6 m/min时的，说明大电弧参数时焊接过程较为稳定;3 kW激光的加入使得脉冲电压波动减小，使焊接过程更加稳定。

3 讨论

熔滴过渡行为与熔滴的受力密切相关，MIG焊和激光-MIG复合焊熔滴受力示意如图7所示。MIG焊熔滴过渡受重力Fg、表面张力Ft、等离子流力Fp和电磁收缩力Fem的共同作用（见图7a），激光-MIG复合焊熔滴过渡还受激光匙孔金属蒸汽反冲力Fv的作用（见图7b）。其中，Fem、Fp和Fg促进熔滴过渡，Ft和Fv阻碍熔滴过渡，Fem、Fp和Fv是决定熔滴过渡的主要因素[4-5]。

电磁收缩力Fem的计算公式为[6]：

Fem=I2f2（1）

式中 μ0为介质磁导率;I为焊接电流;f2为电弧形态系数。电弧形态系数f2取决于电弧传导角度，电弧形态影响电磁力的大小及方向[4]。电磁收缩力Fem与电流I的平方呈正比。

等离子流力Fp的计算公式为[6]

Fp=CDAp（2）

式中 CD为等离子体流拖拽系数;Ap为作用在熔滴上的电弧传导区面积;ρf为等离子流密度;vf为等离子流速度。等离子流力的方向与电弧形态有关[4]。等离子流力Fp与电弧传导面积Ap呈正比。

激光匙孔金属蒸汽反冲力Fv的计算公式为[6]

Fv=CDAp（3）

式中 CD为匙孔金属蒸汽拖拽系数;Ap为熔滴在垂直于匙孔金属蒸汽流动方向上的投影面积;ρv为匙孔金属蒸汽密度;vv为匙孔金属蒸汽的流动速度。激光匙孔金属蒸汽反冲力Fv的大小与光-丝间距和激光功率有关[4]。

电磁收缩力Fem和等离子流力Fp都是电弧力，对熔滴过渡有很大影响。根据式（1）、式（2），电弧形态和电流大小的变化是分析激光加入前后熔滴所受电磁收缩力Fem和等离子流力Fp的大小和方向的关键因素。

激光对电弧有吸引和压缩作用。一方面，激光的加入使工件上方产生了大量的金属蒸汽，大量的金属蒸汽聚集在匙孔上方使局部電导率高，电弧沿电阻最小的路径传导，使电弧弯曲、电弧根部靠近匙孔[7]。另一方面，激光加入后，部分激光能量被电弧等离子体吸收，使电弧等离子体进一步电离，增加电弧的电离度，电弧被吸引的同时被压缩，能量密度增加[8]。所以，激光的加入提高了电弧稳定性、电弧的功率密度，并提高了熔化效率。

送丝速度为6 m/min时，激光引入前后熔滴都包裹在电弧中（见图1、图2），电弧传导面积不变，等离子流力Fp的大小不变;激光加入前后脉冲电流没有明显差别（如图5所示），激光-MIG复合焊时熔滴所受的电磁收缩力Fem与脉冲MIG焊相差不大;而激光-MIG复合焊熔滴还受激光匙孔金属蒸汽反冲力Fv的作用，使得熔滴落点远离匙孔。电弧形态的变化也影响熔滴受力，激光加入后电弧弧柱区体积减小，电弧收缩，使得熔滴所受合力方向靠下，熔滴落点靠后[4]。因此，送丝速度为6 m/min 时，3 kW激光的加入改变了熔滴的落点位置，脉冲MIG焊和激光-MIG复合焊熔滴落点均在焊丝延长线右侧，但激光-MIG复合焊熔滴落点位置更靠后。

送丝速度为12 m/min时，激光加入前后熔滴等离子流力Fp和电磁收缩力Fem不变。但是，送丝速度12 m/min时脉冲电流远大于送丝速度为6 m/min时的（如图5、图6所示），熔滴所受的电磁收缩力Fem显著增大。脉冲MIG焊时，熔滴在合力作用下沿焊丝延长线落入熔池;激光-MIG复合焊时，与等离子流力Fp和电磁收缩力Fem对熔滴的促进作用相比，激光匙孔金属蒸汽反冲力Fv对熔滴过渡的阻碍作用可以忽略不计，熔滴过渡行为主要受电弧力的影响。而且，随着电弧参数的增大，电弧挺度增大，加入激光对电弧形态的影响也不如送丝速度为6 m/min时明显，电弧形态变化对熔滴受力的影响也不明显。因此，送丝速度为12 m/min 时，3 kW激光的加入没有改变熔滴落点位置，激光加入前后熔滴均沿焊丝延长线落入熔池。

4 结论

（1）激光的加入有可能影响熔滴过渡过程。焊接速度为0.54 m/min、送丝速度6 m/min时，3 kW激光加入后，激光匙孔金属蒸汽的反作用力使熔滴落点更靠近焊丝延长线，缩短了熔滴从焊丝尖端分离到落入熔池的时间;送丝速度为12 m/min时，熔滴过渡主要受电弧力的影响，3 kW激光的加入对熔滴过渡几乎无影响。

（2）激光的加入使激光-MIG复合焊焊接过程更稳定。

参考文献：

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