CO2激光—MAG电弧复合焊接工艺参数优化

摘要：以7.0mm厚高强钢板为试验材料，采用CO2激光熔化极性气体保护焊（MAG）电弧复合焊接方法，研究焊接电流、电弧电压、激光能量、等参数对复合焊接熔滴过渡特征的影响。

关键词： 激光技术；CO2激光-MA；电弧复合焊接；熔滴过渡

本论文针对高强钢激光-电弧复合焊接技术的基础工艺及焊缝接头性能，通过现有设备将从以下方面进行研究和分析：

1.试验设备及方法

1.1.实验设备

实验使用的激光器为Rofin公司生产的型号为DC 050 SLAB CO2激光器，配以上海团结普瑞玛公司制造的配套机床，应用自行设计的复合焊接装置固定MAG焊枪，使用根据实验特点设计制造的工装夹具进行紧固，实施激光-电弧复合焊接。焊机为松下公司生产的微电脑焊接波形控制脉冲MIG/MAG焊机，型号YD-350AG2HGE，MAG保护气体使用CO2、Ar混合气体。

1.2.试验方法

激光-电弧复合焊接的工艺参数多，关联性较大。激光与电弧之间的匹配存在最佳值，即耦合的最小值，因此，对每个工艺参数分别设计1组实验，通过实验数据分析其对焊接质量的影响。采用激光-电弧复合焊接设备，通过对不同的焊接速度、激光功率等工艺参数对高强钢焊接质量影响的研究，优化出最佳的高强钢激光—电弧复合焊接工艺参数。采用高速相机采集复合焊接过程中熔滴过渡图像，研究参数对工艺稳定性的影响。

2.复合焊接工艺参数优化

2.1.焊接电流对电弧形态和熔滴过渡的影响

2.1.1.焊接电流对熔滴过渡的影响

在焊接电流较低时，熔滴过渡表现为大熔滴过渡，熔滴在焊丝周边形成和长大，其底部受到电弧力作用，排斥效果明显。熔滴较长在焊丝端部一侧，当长到足够大时，熔滴脱离焊丝而过渡。处于焊接小电流的状态，熔滴向激光光束偏移，致使熔滴变大的时间较长，体积变大，过渡频率比较低。主要受自身重力、表面张力和电弧力的作用，电流较小，熔滴收到电磁收缩力、等离子流力的作用不太明显。随着熔滴的长大，当自身重力大于表面张力和电弧力时，熔滴脱离焊丝端部而过渡到熔池中。

随着焊接电流的升高，熔滴过渡形态由大熔滴变为正常颗粒过渡，在I≥180A以后，熔滴过渡形态为射流过渡。因为电流较大，受电磁收缩力和等离子流力影响较大。I增大，使其温度增加，表面张力变小，其尺寸变细，未长大前脱离而过渡到熔池中。熔滴尺寸变得细小，小液滴高速进入熔池[。

2.1.2.电弧电压对电弧形态和熔滴过渡的影响

电弧电压影响电弧燃烧的稳定性，是规范焊接的关键工艺参数。随着电弧电压的提高，电弧长度增加，焊缝变宽。电压过大时会产生咬边现象。如果在短路过渡焊接状况下，电压增大会减小短路过渡频率，导致熔滴增大，飞溅增多。另一方面，电压太低，容易断弧，引弧性能差。

在电弧电压为18V时，较小的电弧线能量热输入，熔化焊丝的能量较低，直接导致熔池与形成的熔滴直接接触，过渡形式为短路过渡，在焊接表面产生飞溅。随着电压的增大，线能量热输入的提高，两种热源相互作用下会增加等离子流动，熔滴由上漂而不下垂的大熔滴，熔滴逐渐变为尺寸与焊丝直径大小相近，此时形成焊接过程稳定的正常颗粒过渡，此时焊接过程稳定。在电弧电压小于24V时，对于给定的焊接电流，由于电弧热输入少，焊丝熔化速度较慢，导致焊丝直接与熔池接触，因此形成短路过渡，并产生大量飞溅。当电弧电压增加到26V时，由于热输入增加，等离子体流力增加，熔滴细化，有利于形成射滴过渡，此时焊接过程稳定。

2.2.激光功率对电弧形态和熔滴过渡的影响

在激光-电弧复合焊接中，激光功率作为其重要的参数，主要影响熔深，当光斑直径保持不变时，熔深随着激光功率的增大而变大。本组实验主要参数，采用体积分数为30%He和70%Ar混合气体，流量为25L/min的激光同轴保护气体。

当激光功率小于1.5kW时，在激光与电弧两种热源的共同作用下，激光起到有助于稳定电弧的作用。随着激光功率的增大，熔滴过渡形态由大颗粒过渡转变为细颗粒过渡。熔滴收到的电磁收缩力和等离子流力起更大作用，激光功率增大，熔滴温度升高，表面张力进一步减小，熔滴变细，促使熔滴在未长大前从焊丝端部脱离而过度到熔池中。

在中小功率下，熔滴过渡频率增加率基本上是正的，这表明与单MAG焊接相比，复合焊接的熔滴过渡频率增加；并且随着激光功率的增加，熔滴过渡频率增加率越来越大，即熔滴过渡频率越来越高，当激光功率在1.5kW 左右时，熔滴过渡频率达到最大值。这主要是由于随着激光功率的增加，激光能量和激光锁孔效应产生的金属等离子体对焊丝的辐射作用越来越强的缘故。当激光功率超过某一值时，虽然热辐射作用增大了，但是由于激光等离子体较多，一方面对激光能量的吸收和散焦作用强，减少了入射于试件表面的激光能量；另一方面激光等离子体对熔滴的吸引力和金属蒸气对熔滴的反冲力逐渐增加，导致熔滴过渡频率开始降低，甚至低于单MIG 电弧焊接，如图所示为2.0kW激光功率的复合焊接熔滴过渡情况。如上图所示的1.5kW激光-MAG复合焊接的熔滴过渡相比，2.0kW激光功率复合焊接的激光等离子体明显增多，而且在熔滴过渡完瞬间，焊丝端部残留的熔化金属量也相对较多，这也表明了在大功率激光下，由于激光等离子体对熔滴的吸引力而阻碍熔滴过渡的能力越强。

3.结 论

CO2激光-MAG电弧复合热源焊接中，焊缝形貌与焊接电流、电弧电压、激光功率、焊接速度等工艺参数有关。其中，焊接电流在160～180A时较为理想；焊接速度在0.8～1.2m/min时，焊缝形貌较好，激光与电弧耦合效果最佳，熔滴过渡稳定。通过对比实验，激光-电弧复合焊接（主要参数P=1.6kW，I=160A，v=0.8m/min）的熔深达到4.02mm，焊接变形小，同时焊缝中的电弧区明显增深，与激光区圆滑过渡，并且焊缝下部的激光区宽度较单独激光焊接要宽，是两种热源相互作用增强的体现。