激光双丝MIG复合焊

激光-双丝MIG复合焊原理及意义：激光-双丝MIG复合焊是将两个电弧同时作用于一个熔池的焊接方法，这种焊 接方法优势在于可以大幅度提高焊接速度，减少单位时间内焊缝的热输入，可以 用于薄板的高效焊接。由于在一个熔池中有两个电弧，从而改变了电弧对熔池的 热量分布、熔池形状和液态金属流动状态，提高了熔池边缘处的加热情况，改善 了熔池的润湿能力，同时双丝也提供了充足的熔化金属，从而抑制了咬边的出现。 原理如图 1 所示：图 1 激光双电弧复合焊接双丝脉冲 MIG 焊中存在两个电弧等离子体，而在复合焊接中，激光的加入会 产生光致等离子体光致等离子体与两个电弧等离子体三者之间存在复杂的耦合 机理和相互作用，光致等离子体的出现使工件表面的等离子体浓度增加，引弧电 阻降低 同时由于激光作用产生的金属蒸气和小孔周围的高温等离子体为电弧 提供了一个稳定的阴极斑点，能够引导电弧的弧柱，而导致电弧偏向激光作用区 域的小孔处，使电弧能量更加集中，电弧的电流密度增加由于激光+双 MIG/MAG 电弧复合焊接过程中，双电弧的同时燃烧保证了焊接 过程足够大的熔敷率和焊接效率，激光的加入又会对双电弧起到一个吸引的稳定 作用，同时保证焊缝的形成具有足够的熔深。这种焊接方法下，虽然同时有三种 热源作用于工件上同一部位，但是由于焊接速度可以达到很大，所以整个焊接过 程的线能量较小，保证了焊接过程节能高效的进行。综合国内外已有的激光+电弧复合焊接方法的研究成果可知，近几年来国内外 对激光+MIG复合焊接方法的关注度在不断增长，但是这些研究主要集中在激光 与单电弧复合焊接方法的工艺研究与焊接过程模拟上，而对激光+双丝MIG复合 焊接方法及技术的研究几乎没有。激光-双丝 MIG 复合焊接方法不是在激光-单 丝 MIG 复合焊的基础之上再简单地加入一个电弧，除了激光与电弧之间的耦合 作用外，两个电弧之间也有复杂的交互作用，电弧之间的距离大小、焊枪夹角大 小、电源供电模式的不同、激光作用点的改变等均会使整个焊接过程热场、力场、 流场、电场、磁场以及三个热源之间的耦合机制发生变化，进而影响熔滴过渡、 焊缝成形和微观组织。作为焊接加热的直接热源，激光复合电弧的性质对于整个 焊接过程具有决定的意义，了解激光与双丝 MIG 电弧的相互作用方式与作用机 理，对进一步的研究激光+双丝MIG复合焊接方法及工艺具有指导性意义。激光-双丝MIG复合焊的试验系统激光 + 双丝脉冲 MIG /MAG 复合焊系统由焊接系统及检测系统两部分组 成 其中焊接系统由激光器、 两台焊接电源、 两台送丝机、 两把焊枪及一个 脉冲协调控制器组成， 两根焊丝分别使用独立的导电嘴及气体喷嘴 检测部分 由两个电流传感器、两个电压传感器、 一套高速摄像系统及两台工业计算机组 成为检测激光 + 双丝脉冲 MIG /MAG 的稳定性，需要将激光器与高速摄像系 统、 电流及电压传感器之类的多种仪器通过控制计算机将它们协调统一起来， 具体试验连接如图 2 所示电 SV300光車电压传T|讣罚机I脉冲协调控制制送丝机1區冋Ffe#V350-f-1 I|1厂图 2 激光 + 双丝脉冲 MIG 复合焊系统 已经研究过的方向：A保护气体对激光+双丝MAG复合焊焊缝形貌和电弧特性的影响1实验材料：焊接试验选用母材为Q235低碳钢，焊丝为H08Mn2Si A（直径1. 2 mm）进行平 板堆焊焊接试验。研究了保护气体为 屮（Ar）80% +屮（C02）20% （情况A）和 屮（Ar）40% +屮（C02）10% +屮（He）50%（情况B）时对激光+双丝MAG复合 焊焊缝表面成形和电弧特性的影响。利用 Lab VIEW 信号采集系统和高速摄像系 统同步采集焊接电流、电弧电压波形和电弧形态。焊接过程中激光功率 1. 8kW， 离焦量为0,两焊丝和激光的空间摆放位置如图1所示，其中R1 = 5 mm, R2 =6 mm。y吟甲-而乎-恫0） E的堆作用点 Qr 谥光作ni点拆継件用点图 3 激光双丝 MAG 复合焊焊丝空间位置示意图2实验结果分析：图 4 两种不同保护气体对应的焊缝表面成形结果表明，（1）在焊缝表面和焊道两侧边缘处，发现有斑点状、不连续的氧化物 肉眼可见，保护气体为屮（Ar）80% +屮（C02）20%时对应氧化物含量高于保护 气体为 屮（Ar）40% +屮（He）50%+屮（C02）10%；保护气体为 屮（Ar）80% +屮（C02）20 %时比保护气体为 屮（Ar）40 % +屮（He）50 % +屮（C02）10 %时 对应的焊缝熔宽要小。（2）保护气体为 屮（Ar）80 % +屮（C02）20 %比保护气体为 屮（Ar）40 % +屮(He)50%+ (C02)10%含有的CO2比例高，使CO2气体对电弧冷却作用增 强，减弱了激光对电弧的稳定作用，断弧次数多。B. 激光-MIG双丝复合焊电弧特性与熔滴过渡研究1试验材料:试验用母材为Q235低碳钢，工件尺寸为200 mmXlOO mmX8 mm。试验前将工 件表面打磨干净，防止油污、铁锈等影响焊接过程及质量。 试验用焊丝为H08Mn2Si A,直径为1.2 mm。保护气体为纯氩(Ar)气体。试验过程中采用表 面堆焊方式来研究激光- MIG 双丝复合焊接过程。试验中所用的焊接参数如下表所示：试验参数散值V350 电压 /,/VV300-I电压塚V焊接速度Mnrni焦)6焊M出长度Z,ZVnini25, ?()气讳流.逍爭|,旳LAnin)J5, J5柏摄频率帧甩J 0()0离焦量湎ni02结论(1) 与MIG双丝焊接相比，加入激光后焊接过程更稳定，并且随着激光功率 的增加，电弧稳定性先增加后减小，在1 000 W附近焊接过程最稳定。在送丝 速度达到 4m/min 后焊接过程稳定性较好。在光丝间距增加到 6 mm 时，激光 对两个电弧的耦合作用减弱，焊接过程出现不稳定的情况。(2) 随着激光功率的增加，电弧的偏转角度先减小后增加。在1 0001 400 W 时变化角度最小，约为 12.7及17。随着送丝速度的增加，电弧偏转角度呈 现先增加后减小的趋势，最大偏转角度出现在送丝速度 vf1=vf2=3 m/min 时， 分别为16.4及20.1。随着光丝间距的增加，电弧偏转角度呈现先平稳后增 加的趋势。最小偏转角度出现在光丝间距4 mm时，分别为12.5及17.6。(3)在送丝速度为4 m/min，引导丝熔滴过渡方式为粗滴过渡，跟随丝熔滴过 渡方式为粗滴过渡+少量短路过渡。随着激光功率的增加，熔滴过渡频率呈现先 增加跟随又下降的趋势，熔滴过渡频率分别在 1 000 W 与 1 200 W 左右达到最 大值6.0Hz与6.4 Hz。引导丝与跟随丝的熔滴过渡频率分别以4 m/min及5 m/min为分界点，过渡频率高于MIG双丝焊接。在离焦量为- 1mm时，熔滴过 渡频率达到最大值，分别为引导丝8.6 Hz，跟随丝6.3 Hz。C. 激光功率对激光一双丝脉冲MIG复合焊接电弧形态及熔滴过渡的影响1 试验系统及焊接试验激光 一 双丝脉冲 MIG 复合焊接试验系统由焊接系统和信号采集系统两部分组 成 如图 1 所示，焊接系统包括天津大学自行研制的 MK03 型脉冲控制器，林 肯INVER TEC V350 PRO型弧焊电源（置于左侧）、林肯INVE RTECTMV300-I 型弧焊电源（ 置于右侧） ，两台 S-86A 型送丝机和英国 GSI 公司生产的 JK2003SM型Nd: YAG激光器，其最大输出功率为2k W，输出波长为1 064 nm 的连续激光，焦距为300mm，焦点半径为0.4 mm.信号采集系统主要包括FASTCAM Super 10KC 高速摄像机、电压传感器、电流传感器、数据采集卡 （ PCL-1742） 、计算机及其附件. 焊接过程中高速摄像的采集频率为 1000 幅 /s,电信号的采样频率为10 kHz，可以实现焊接过程中电信号与高速摄像图片 信号的同步采集.图 5 激光 一 双丝脉冲 MIG 焊接系统示意图试验中的两焊枪所在平面与焊接方向垂直，焊枪与工件的夹角均为 60，左侧 电弧由V350 PRO型弧焊电源供电，右侧电弧由V300-I型弧焊电源供电，均 采用直流反接的形式.其中V350 PRO型弧焊电源的输出形式为脉冲模式， V300-I 型弧焊电源在无外部控制时的输出形式为恒压模式在测量左侧焊接电 流的电流传感器 1 处取出信号交由脉冲控制器进行处理，再由脉冲控制器控制 V300-I 型弧焊电源的电压呈脉冲式输出，当送丝速度不变时其焊接电流也呈脉 冲式输出，两个电弧对应的脉冲电流具有一定的相位差6试验所用试板为 8 mm厚的Q235低碳钢板.焊丝为H08Mn2Si A,直径1. 2 mm,两瓶保护气体 均为纯氩气，气体流量均为20 L/min,具体试验参数如下表所示.V300卄、“激光功率送绽处度焊接連度惡躍间距预设值V, / ( m-niin 1)r /(mni-s-1)A/mm160峰值40. 7Or 1 500?.05.07.0基值2Y 2 试验结果与分析1）激光功率对电弧形态的影响双丝脉冲 MIG 焊中存在两个电弧等离子体，而在复合焊接中，激光的加入会产 生光致等离子体.光致等离子体与两个电弧等离子体三者之间存在复杂的相互作 用，光致等离子体的出现使工件表面的等离子体浓度增加，引弧电阻降低. 同 时由于激光作用产生的金属蒸气和小孔周围的高温等离子体为电弧提供了一个 稳定的阴极斑点，能够引导电弧的弧柱，而导致电弧偏向激光作用区域的小孔处， 使电弧能量更加集中，电弧的电流密度增加. 激光功率的改变可以影响光致等 离子体的大小与强度，焊接温度场，熔滴表面张力以及两个电弧之间的相互作用 力等7， 8.图 2 分别为不同激光功率下左侧电流峰值，中间态（ 即两电弧形 态大致相同的状态） 及右侧电流峰值时的高速摄像. 如图 2 所示，激光功率为 0W 时，左侧电流峰值时及右侧电流为峰值时，两个电弧均沿着焊丝轴线方向分 布，中间态时两个电弧相互吸引，向中间偏移. 加入激光后，左侧电流峰值与 左侧电流峰值时电弧均向激光入射方向偏移，中间态时两电弧的偏移角度增 大. 由于 V350 焊机的峰值电流可达 420A， V300 焊机的峰值电流约为 300A， 因此 V350 电弧的挺度高于 V300 的电弧， V350 电弧偏移程度相对较小. 当激光功率增大至 1 500 W 时，中间态及右侧电弧峰值状态下的激光入射处上方的 光致等离子体与电弧等离子体发生强烈复合，激光对电弧产生明显的吸引作 用 由图 2 可知，激光对电弧的吸引能力及电弧偏向激光入射方向的角度随激 光功率的提升而增大餌“左侧电流峥值仗-2)中间态伍-3)右恻电流峰值何激光功率0 Wb-1)左侧电流峰值 (b-2)中间态 (b-3)右侧电流舞值(M激光功率900 W(c-I &侧电就峰值(c-2)中间态宀引右侧电流峰值(c)激光功率1500 W图 6 不同激光功率下的电弧形态2)激光功率对熔滴过渡的影响将焊接过程中采集的电压电流信号及与之同步的高速摄像图片进行处理，绘制出 不同激光功率下熔滴过渡过程的电压电流信号与高速摄像的对应图。图 7 激光功率 0 W 时一个熔滴过渡周期内的电信号及对应的高速摄像200402020图 8 激光功率 1 500 W 时一个熔滴过渡周期内的电信号及相对应的高速摄像 通过激光功率 0W 与 1500W 时的熔滴过渡过程的对比可知，左侧弧焊电源对 应的熔滴过渡形式由 P=0W 时的一脉一滴变为 P=1500W 时的两脉一滴; 右 侧弧焊电源对应的熔滴过渡形式由 P = 0W 时的两脉一滴变为 P = 1 500 W 时 的三脉一滴 两个弧焊电源对应的熔滴体积均有增大3.结 论(1) 激光 双丝脉冲 MIG 复合焊接中，激光功率的改变可以影响光致等离子 体与两个电弧等离子体之间的相互作用，熔滴受力情况发生变化，从而影响电弧 形态及熔滴过渡( 2) 在焊接电源预设参数不变的情况下，光致等离子体与电弧等离子体之间的 相互作用随激光功率的增大而不断增强 左侧弧焊电源对应的熔滴过渡形式由 均匀的一脉一滴变为两脉一滴，右侧弧焊电源对应的熔滴过渡形式由均匀的两脉 一滴变为三脉一滴 两台弧焊电源对应的熔滴过渡频率均随激光功率的增大而 不断降低(3) 激光 双丝脉冲 MIG 复合焊中激光对电弧产生了明显的吸引作用，使熔 滴受力情况发生改变，等离子流力向激光方向偏移，导致促进熔滴过渡的分力减 小，使熔滴过渡更依赖于自身的重力作用，导致熔滴尺寸增大，过渡频率降低D. 双丝间距对激光一双电弧复合焊接过程稳定性的影响1 焊接系统如上面一个实验，实验参数如下：送锂連度tf / ( ni*niin -1)焊接連度tw / ( 1)焊鎚间距/nim右丝平均电压/V右丝平均电流/( /A左统电压峰值t-r2 /V左丝电压基值I2 /A3.05ON25. 22 - 25.53121.25 - 124. 4325. 64 -26.02122.75 - 127. 212 试验结果与分析1) 双丝间距对电弧形态的影响激光 一 脉冲双电弧复合焊中光致等离子体与电 弧等离子体以及两个电弧等离子体之间产生复杂的相互作用，双丝间距的改变可 以影响焊接电弧的电磁场，焊接温度场，熔滴表面张力以及两个电弧之间的相互 作用力等激光 一 脉冲双电弧复合焊中，当激光功率较大时，在试板表面形成 “匙孔”，匙孔内喷射出大量粒子( 由大量金属铁蒸气及部分电子、离子组成) ， 由于匙孔中溢出的大量粒子较焊接保护气体及空气具有更低的电离电位，因此， 当其与电弧等离子体相互作用后，这些粒子受到电弧热作用的影响而迅速电离， 从而为电弧提供了具有更高导电率的导电通路根据最小电压原理，电弧将在这 个导电通道内稳定燃烧，电弧弧根将被固定在匙孔附近 单电源供电模式下两 焊丝的电流大小相等，方向相同，两个电弧相互吸引图 2 为不同双丝间距 DAA 的电弧形态.可以看出，DAA较大时，YAG激光与MIG电弧呈分离状态，激光 与电弧基本没有产生相互作用，DAA= 9mm时两个电弧分别作用在两个熔池内， 由于两电弧距离较远，弧间的导电粒子数目少而不能维持两电弧同时燃烧，出现 交替燃弧现象( 图 3) ，即其中一个丝燃烧，另一个丝处于熄弧状态，未燃焊丝 不断送进至接触试板表面，电弧引燃，另一个电弧熄灭.随着DAA的减少，YAG 激光对 MIG 电弧产生吸引及压缩作用，激光作用点上方复合焊接电弧弧柱区收 缩.随着DAA的进一步减小，两电弧的相互吸引作用增强且YAG激光作用位置 逐渐接近 MIG 电弧中心高温区域，此时激光对两个电弧的吸引压缩作用也增大 当 DAA= 0 时，两个电弧在相互吸引力和激光吸引力的作用下融合成一个 较大的电弧(i) 2?Xi=0 mm(bmm(c P-5 ntnd) 口口兰丁 mm(elmmS2不同双丝间鉅下的电弧总态Fig. 2 Arc shape in djfferent wire-wire distance叱巴曬罟&出誓兰痛聲=呼图3=9 mm时电弧电馆号及相对应的奇速摄慷2）双丝间距对熔滴过渡的影响图4为激光一双电弧复合焊接过程中熔滴受 力示意图.其中Fg为熔滴所受重力，Fp为等离子流力.在激光一双电弧从 复合焊接过程中，加入激光导致电弧向激光偏移，而使得等离子流力向激光方向 偏移，其与竖直方向的夹角0与激光对电弧的吸引程度有关，电弧与激光之间 的距离越近，激光对电弧的吸引作用越强烈，0也越大.FN为“匙孔”内向 外不断涌出的高温等离子羽辉形成气体射流对复合焊接熔滴产生的一个沿电弧 轴线方向向上的反作用力，Fa为两电弧之间的吸引力.熔滴在这几个力的共同 作用下偏离电弧轴线向激光位置偏移 在双丝间距较小时( DAA= 0 mm) ，熔滴 在两焊丝端部不断长大并相互吸引，直至接触并逐渐融合为一个熔滴过渡到熔池 中( 图 5) 这一过程中，由于双电弧之间距离较近，电弧之间的干扰作用较 大，电弧不稳定，且熔滴过渡形式为大滴过渡，焊接过程中的飞溅较大 当双 丝间距逐渐增大到最佳位置时，熔滴所受到的水平方向分力平衡，熔滴可以平稳 地过渡到熔池中，焊接过程稳定 在双丝间距不断减小的过程中， 0 增大， Fp 沿竖直方向向下的分力减小，而FN沿竖直方向向上的力增大，熔滴受竖直方向 向下的合力减小，熔滴过渡频率降低 在 DAA= 5 mm 和 DAA= 7 mm 时，可以 达到稳定的一脉一滴过渡r图4激光-双电弧复合焊熔滴受力示童图工件3) 双丝间距对焊缝成形的影响图 6 为不同双丝间距下的焊道表面形貌 可以 看出，焊丝间距9 mm，为两电弧形成共熔池、同焊道的上临界距离.此时，两 个电弧可以形成各自的焊道并能清晰地看到两个电弧的收弧位置，但两个焊道已 经开始有不规则的连接 这是由于焊丝间距在上述临界状态时，两个电弧的间 距较大，二者不能形成共熔池状态，因此形成的熔滴在电弧力的作用下沿焊丝轴 线方向过渡至熔池时，在工件上的距离过大，不能在各自电弧方向相对的水平分 力和表面张力的作用下汇聚于同一焊道 因此出现双弧双焊道的情况 当焊丝 间距变小，两个电弧可以达到共熔池状态时，双丝端部的熔滴过渡到同一熔池， 从而形成一条焊道，实现稳定的双丝共熔池焊接 当焊丝间距为 5 mm 时，焊 缝表面无气孔、咬边、焊瘤、夹渣等缺陷，成形美观m s/WWWX/WWZflffi5时一个熔滴过渡周期内的电僧号及相対应的高速摄像图6不同双丝间距的悍道表面够貌3结论( 1) 激光 双电弧复合焊接中，双丝间距的改变可以影响光致等离子体与电 弧等离子体以及两个电弧等离子体之间的相互作用，从而改变电弧形态、熔滴过 渡以及焊道成形( 2) 在文中所述试验参数下， DAA= 9 mm 为两电弧形成共熔池、同焊道的上临 界距离 DAA= 0mm 时，为大滴过渡，焊接过程不稳定 DAA= 5 mm 时，熔滴 过渡为稳定的一脉一滴( 3) 从非线性角度对焊接过程的电流信号进行最大李雅普诺夫指数计算，计算结果表明DAA= 5mm时，LE及其标准方差最小，表明这一焊接过程的混沌程度最低，电流信号的规律性最强，焊接过程最稳定，与前面所述的电弧形态、熔滴过渡和焊道成形变化分析相符合，DAA= 5 mm是上述试验参数下最佳的双丝间距.实际应用：高速铝合金列车车体的焊接。激光 双丝 MIG 复合焊接 6005A-T6 铝合金 型材时的焊接速度可达4.5 m/min,焊接过程具有较好的搭桥能力，对接间隙达到 1 4 mm 时，仍可以获得良好的焊缝成形 当焊接速度大于或等于 4 m/min 时，复合焊接头的焊接变形量仅为常规双丝 MIG 焊的 40% 左右，其抗拉强度达到了母材强度的 83% ，比常规双丝 MIG 焊接头的抗拉强度提高了 9% 左右.