YAG-MIG复合焊接条件下复合等离子体动态特征*

段爱琴,陈 俐,巩水利

(北京航空制造工程研究所高能束流加工技术重点实验室,北京 100024)

激光束由于具有高的热源密度,使其应用于焊接领域具有速度高、线能量小、变形小、热影响区窄以及接头综合性能好等一系列优点。但和其他焊接热源一样,激光也有缺点,如对焊接间隙要求非常高以及金属表面反射率高等,在实际焊接的适用性方面受到限制,特别是铝合金。激光-电弧复合焊接,是结合激光焊和电弧焊优势的一项复合焊接技术,始于20世纪70年代末,由英国伦敦帝国大学学者W.M.Steen首先提出,但直到最近几年,由于工业生产的需要,才逐步成为国际焊接界的关注焦点,并得到了广泛重视。目前,作为一种新兴焊接技术,在德国、日本等发达国家已先后进入了工业化应用阶段,特别是在造船等工业领域。

在实际应用中有多种激光和电弧的组合,其特点和作用原理也各有不同。本文对激光-电弧复合焊的研究主要针对YAG激光与MIG电弧焊进行复合,且以MIG弧作为辅助热源。此种复合由于利用了填丝的优点,增加了适用性。单独激光热源的作用区域小,复合焊中电弧的参与,扩大了热作用范围,熔化金属增多,桥接能力增强,降低了对焊件接口的装配要求。同时电弧的热作用范围大,热影响区扩大,温度梯度减小,冷却速度降低,熔池凝固过程变得缓慢,焊接铝合金等金属时可减少或消除气孔和裂纹的生成。熔敷金属的加入可改善单一激光焊时焊缝微观组织,提高焊缝的综合力学性能。

1 试验设备与过程

YAG-MIG激光电弧复合焊接系统主要由两部分组成,即激光焊接设备和电弧焊接设备。其中激光焊接设备采用由ABB机械手控制的YAG激光焊接系统。该系统采用GSI Lumonics公司4.5kW的AM356型YAG激光器,激光通过光纤传输并反射聚焦后到达工件。

MIG电弧设备采用奥地利Fronius公司生产的推-拉式TPS4000 Alu-Edition铝焊专机/冷送丝复合装置以及自制专用卡具。MIG焊是采用连续等速送进可熔化焊丝与焊件之间的电弧作为热源来熔化焊丝和母材金属,形成熔池和焊缝的焊接方法。为了得到良好的焊缝,应利用外加气体作为电弧介质并保护熔滴、熔池金属及焊接区高温金属免受周围空气的有害作用。

2 复合方式

即使只是对YAG激光热源和MIG脉冲热源进行复合焊接,由于复合方式不同,最终形成的热源以及相互作用过程都有很大的不同。目前与MIG焊复合影响最大的分类有两个方面:①主辅热源:分为以激光热源为主、MIG热源作为辅助热源的焊接和以MIG热源为主、用低功率激光作为辅助热源的焊接;②前后复合:分为激光热源在前的焊接和MIG热源在前的焊接。这两个方面的复合可以产生4种复合方式,而这4种复合方式的机理和结果都有所不同。

根据需求,YAG-MIG复合采用以激光为主热源,且MIG热源在前的方式进行复合,其复合原理如图1所示,MIG热源在前,与激光作用区保持一定的距离,使激光与电弧作用于同一熔池。同时可通过调整电弧电流、高度、角度、电弧与激光束之间的距离等,使YAG-MIG复合焊接获得高质量焊缝。

图1 激光电弧热源共同作用机理

3 试验结果与分析

本文以典型航空材料 5A90分别进行单一激光、MIG电弧以及YAG-MIG复合焊接时其等离子体物性参数的测量和计算为基础,研究YAG-MIG激光电弧复合焊接时等离子体物性参数的变化及其影响,以及其等离子体的动态变化特征,从而获得激光-电弧复合焊的复合热源特征,理解其焊接的本质机理。

在激光焊接时伴有金属蒸气/等离子体的产生,从而形成小孔和熔池上方的等离子体云,而MIG电弧焊的热源是热等离子体弧,因而对于单激光、MIG弧焊以及二者的复合热源焊接,等离子体都是一个重要的物理量,对焊接过程和结果起到至关重要的作用。鉴于此,首先通过3种热源焊接铝锂合金5A90时等离子体的变化图像,来分析其各自的形貌特征。图2～图4分别给出了单一YAG激光、单一MIG弧以及YAG-MIG复合焊接同样厚度的铝锂合金5A90时,等离子体的动态变化过程。

分析各自的特征,可以发现:

(1)单一激光焊接时等离子体特征:其等离子体连续变化图像表明(图2),单一YAG激光焊接5A90时,金属蒸气/等离子体整体明显较弱。且金属蒸气/等离子体飘动性较强,在不同时刻方向变化相当大,同时体积较小。

(2)单一MIG焊接时等离子体特征:其等离子体和熔滴连续变化过程表明(图3),脉冲MIG的电弧变化周期为10 ms,而等离子弧持续时间约为1.8 ms。从图中可清楚地发现,MIG电弧从微弧逐渐增加至最大,然后逐渐变小,接着熔滴喷出,落在熔池中。测量结果表明,最大弧长为 7.5mm,弧高3mm,宽度为3.5mm左右。与单激光焊的等离子体相比,MIG等离子体弧的强度要高很多。

图4 YAG-MIG复合焊接5A90的等离子体及熔滴变化过程

(3)YAG-MIG复合焊时等离子体特征:其等离子体变化过程表明(图4),YAG-MIG复合焊的等离子体在MIG弧存在阶段,与MIG弧具有相近之处,周期性与MIG相似,但在MIG弧熄灭阶段与MIG焊和YAG焊都有明显的区别。在复合焊时,熔滴离开MIG枪后下落时间约为1.3 ms(它与焊接速度和激光功率等几乎无关),当焊接速度为1 m/min时,熔滴所滴落的位置距离是0.022mm,它与激光焊时小孔直径0.8～1mm相比要小得多。

综合3种热源焊接时的基本特征,进一步详细分析YAG-MIG复合焊等离子体的特点,发现在YAG-MIG激光复合焊接时,等离子体可分为4种类型,即:①强MIG等离子体复合强YAG等离子体;②强MIG等离子体复合弱YAG等离子体;③MIG微弧复合强YAG金属蒸气/等离子体;④MIG微弧复合弱YAG金属蒸气/等离子体。图5a～图5d分别为这4类等离子体的典型形貌。

分别对这4种类型的等离子体与单MIG焊和单激光焊对应的等离子体相对比,分析复合热源间的相互作用。图6为强单一MIG等离子体和弱单一MIG等离子体,以及单一YAG强和弱等离子体的典型型貌。对比分析相应的结果,可以发现:

(1)在强MIG等离子体复合强YAG等离子体时,复合焊的等离子体强度和形状发生明显变化,且不是二者的简单叠加结果。它呈现一种不规则的弧,充分说明尽管在单激光焊接时等离子体较弱,但在复合焊时,它对MIG弧的影响也不容忽视。

(2)在强MIG等离子体复合弱YAG等离子体时,可发现其等离子体的形状与单MIG的弧相似,表明此时YAG等离子体对其影响较小。

(3)在MIG微弧复合强YAG金属蒸气/等离子体时,其等离子体的强度高于单一激光焊,且形状也有较大的差别,表明此时虽然MIG电弧仅为微弧,但是它对YAG金属蒸气/等离子体有显著的影响。这种影响可能来自两个方面,一是激光作用区的材料状态,即由于MIG弧前置的表面加热作用,使激光作用区的气化及等离子化现象加强;二是MIG弧的氩气输入使激光作用区的电离度增加。

(4)MIG微弧复合弱YAG金属蒸气/等离子体时,与单一MIG微弧时相比,复合焊的最弱等离子体阶段明显强度要高,这对于进入熔池的熔滴的加热历程有所不同,可能更有利于熔滴的流动和均匀分布。

综上所述,在YAG-MIG复合焊接时,总体而言,MIG弧无论是在其强弧阶段还是微弧阶段,都对激光焊的金属蒸气/等离子体有显著的影响,复合焊的等离子体体积及强度明显较强。

4 结论

对YAG-MIG复合焊接时等离子体的特性研究表明:

(1)YAG-MIG复合焊的等离子体在MIG弧存在阶段,与MIG弧具有相近之处,其周期性与MIG相似,但在MIG弧熄灭阶段与MIG焊和YAG焊都有明显的区别。

(2)在强MIG等离子体复合强YAG等离子体时,复合焊的等离子体强度和形状发生明显变化,且不是二者的简单叠加结果。它呈现一种不规则的弧,充分说明尽管在单激光焊接时等离子体较弱,但在复合焊时,它对MIG弧的影响也不容忽视。

(3)在MIG微弧复合强YAG金属蒸气/等离子体时,其等离子体的强度高于单一激光焊,且形状也有较大差别,表明此时虽然MIG电弧仅为微弧,但它对YAG金属蒸气/等离子体有显著的影响。

(4)MIG微弧复合弱YAG金属蒸气/等离子体时,与单一MIG微弧时相比,复合焊的最弱等离子体阶段明显强度要高,这对于进入熔池的熔滴的加热历程有所不同,可能更有利于熔滴的流动和均匀分布。

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