與傳統電弧焊接和激光焊接相比，激光-電弧復合焊接具有大焊接熔深、高工藝穩定性、高焊接效率、較強的焊接間隙橋接能力和小焊接變形等優點，能夠大幅度提高焊接效率和焊接質量。近年來，激光-電弧復合焊接得到了廣泛的關注，相關研究越來越多。但是，激光-電弧復合焊接因為集成了激光和電弧兩種性質截然不同的焊接熱源，在具有更多的可調節參數，提高焊接適應性和靈活度的同時增加了參數選擇的復雜程度。研究表明，不合理的參數將導致其焊縫熔深淺、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量密切相關，只有好的焊縫成形才具有優良的接頭力學性能同。因此，在激光-電弧復合焊接應用中，如何根據焊接要求來制定工藝參數以有效控制焊縫成形就顯得至關重要。 目前，復合焊接的研究主要局限在提高材料的可焊性和相關機理探討上，對于如何選擇合理的工藝參數組合來控制焊接質量卻缺乏系統的研究。本文的目的就是通過研究CO2 激光-MIG 復合焊接中激光功率、電弧電流對最大臨界焊接速度的影響及其和接頭間隙對焊縫成形的影響規律，以探討其工藝參數的優化與選擇方案。 1 試驗裝置和方法 試驗采用德國Rofin-Sinar TR050 5kW CO2軸流激光器和Panasonic 脈沖MIG 焊機，旁軸復合，試驗裝置如圖l所示。激光光束模式為TEM01,整個光路經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 焊機直流反接。保護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。在正式試驗前進行了CO2 激光束和MIG電弧空間位置參數的優化，試驗采用如表l所示的熱源位置參數。最大臨界焊接速度的測定采用平板堆焊，其余采用平板對接焊，I型接頭。焊接完成后，將試樣沿橫截面切開，經過標準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。因為電弧電流能夠更有效的反映電弧的各項特性，所以本文直接用電弧電流來表征電? Ｆ渲校緇〉緦鞫雜Φ牡繆埂⒐β屎退退克俁熱綾?所示。2 試驗結果和討論 2.1 能量參搬對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，對應直線的斜率分別為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，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-電弧復合焊接焊縫形貌。根據激光焊接和常規電弧焊接的焊縫形貌恃征，可以將其分為兩個區域:電弧區和激光區。顯然，上半部分寬大的電弧區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明復合焊接熔深的大小主要決定于激光小孔效應的強弱，這些現象在Rayes等人的研究中也得到了很好的驗證。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，對于固定的板厚(熔深) ，最大焊速決定于激光小孔效應。眾所周知，激光焊接時小孔的形成與光斑處的能量密度密切相關，能量密度越高，小孔效應越明顯，即能夠得到的最大焊速越大。在激光-電弧復合焊接中，一方面，電弧能夠通過對工件的預熱作用提高激光能量吸收；另一方面，通過激光和電弧的等離子體相互作用，電弧更穩定并受到壓縮，從而電弧能量更加集中，同時，激光等離子因為被稀釋而減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，越有利于激光能量密度的提高，有利于激光小孔效應的增強。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，而且能量分布過于發散，所以其預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的增強，從根本上講，小孔效應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 能量參數和焊接速度對焊縫成形的影響 圖4為不同焊接參數的焊縫橫截面形貌。如圖4(a) 所示，在激光功率較低時，只能在低焊速下才能熔透焊縫，此時焊縫表面寬度和余高較大，焊縫和母材的過渡也很突兀，存在少量氣孔；如果采用高速，將導致焊縫不能完全熔透，且在焊縫中布滿氣孔，見圖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，焊縫和母材的過渡平滑，焊縫深寬比變大，焊縫寬度和余高明顯減小，沒有氣孔存在。通過上述分析可知: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。當激光功率較低時，過高的焊速將導致能量密度降低，不利于激光小孔效應的增強。因此，只能通過降低焊速來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熱傳導和熔池流體對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，小孔效應降低甚至消失，這導致焊接熱量完全集中在焊縫上部，不易向焊縫深處傳遞，從而形成標準的熱傳導焊焊縫，如圖4(b) 所示。另外，激光能量的降低導致激光等離子體強度的降低，這將造成激光對電弧的穩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的不穩定現象開始出現，氣體隨著不穩定的熔滴過渡進入熔池并形成大量氣孔。 隨著激光功率的增加，激光小孔效應增強，同時也加強了對電弧的穩定和壓縮;另一方面，焊速的增加使得電弧熱輸入和添加金屬相對降低。這樣，激光對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 時工件表面平齊，而在1.2mm 時焊縫已經低于工件表面，出現咬邊現象；另外，焊縫和母材的過渡也逐漸變的平滑，但是在間隙增大為l.2mm 時平滑度反而有所降低。這說明，對應既定的焊接參數，接頭間隙只能在一定范圍內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填補，也就是說，間隙的增加將有助于焊縫余高的降低。但是當間隙增加到一定程度時，對于固定的送絲量(電流)，填充金屬的數量不足以完全填補接頭間隙，此時就會形成咬邊。此外，接頭間隙減少了熔池金屬向下流動的阻力，有利于通過熔池金屬的向下流動將焊接熱量帶入焊縫下部，形成焊縫和母材的平滑過渡。但是當接頭間隙增大到一定程度時，因為激光小孔作用半徑的局限，激光能量不能夠有效的傳遞到接頭上，反而造成焊縫和母材的平滑度降低。 2.4 焊接參數的優化與選擇 在實際焊接中，焊縫成形和焊接質量密切相關，焊接速度則和焊接效率緊密相關，因此，總是期望高焊接速度和良好的焊縫成形來提高焊接效率、減少后處理工時和消除應力集中等安全隱患。通過上面的試驗結果可知:在激光-電弧復合焊接中，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系，同時它們和接頭間隙對焊縫成形具有強烈的影響。這樣可以通過這些關系和影響來根據實際需求來優化和選擇工藝參數。 根據前面討論可以知道，激光小孔效應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熱工件來輔助激光能量密度的提高和填充焊縫金屬。因此應該優先選擇可靠的激光功率來保證全熔透焊縫的形成，隨后通過圖2 中的關系選擇較低的電弧線能量來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，如過高的焊縫余高、突兀的焊縫和母材過渡及氣孔、咬邊等缺陷，這些都將降低接頭的力學性能。 接頭間隙的選擇公式可以通過以下關系來推導得到。在焊接過程中，需要填充的接頭間隙體積和填充金屬之間存在如下關系：其中，AG為接頭間隙橫接面積；L為焊接長度均k為焊絲填充系數(實測結果為0.8~0.9)；r為焊絲半徑;l為焊接L長度焊縫時消耗的焊絲長度。對于I型接頭，存在以下關系：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、送絲速度的對應關系，如下：綜上， 4mm低碳鋼薄板的CO2 激光-MIG 電弧復合焊接工藝參數選擇方案可以歸納為:①確定所需的激光功率，②通過圖2選定所需的電流和焊接速度，③通過(4)式確定接頭間隙范圍。顯然，只要確定了如圖2所示的關系，這一選擇方案同樣適用于其他板厚和材料的激光-電弧復合焊接。 3 結論 (1) 激光-電弧復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:單位長度上過大的電弧熱輸人和過低的激光熱輸人將導致焊縫余高過大、焊縫深寬比變小和突兀的焊縫-母材過夜;反之將得到深寬比大、余高適中和焊縫-母材平滑過渡的焊縫。 (3) 接頭間隙只能在一定范圍內獲得良好的焊縫成形，過大和過小都將導致焊縫缺陷。 (4) 工藝參數的選擇方案可以歸納為三步:①根據焊接熔深(板厚)確定所需的激光功率，②通過激光功率、電弧電流和最大焊接速度的關系圖選定所需的電流和焊接速度，③通過接頭間隙與焊接速度、送絲速度的關系式確定接頭間隙范圍。