保護氣體對激光+雙絲MAG復(fù)合焊焊縫形貌和電弧特性的影響

李明利

(北京石油化工學(xué)院 機械學(xué)院，北京 102617)

保護氣體對激光+雙絲MAG復(fù)合焊焊縫形貌和電弧特性的影響

李明利

(北京石油化工學(xué)院 機械學(xué)院，北京 102617)

在激光+單電弧復(fù)合焊工藝的基礎(chǔ)上，通過再添加一個電弧的方式，形成激光+雙絲脈沖MAG復(fù)合焊工藝。研究了保護氣體為φ(Ar)80%+φ(CO2)20%(情況A)和φ(Ar)40%+φ(CO2)10%+φ(He)50%(情況B)時對激光+雙絲MAG復(fù)合焊焊縫表面成形和電弧特性的影響。利用LabVIEW信號采集系統(tǒng)和高速攝像系統(tǒng)同步采集焊接電流、電弧電壓波形和電弧形態(tài)。結(jié)果表明，在焊縫表面和焊道兩側(cè)邊緣處，肉眼可見斑點狀、不連續(xù)的氧化物，情況A與情況B相比，情況A氧化物含量高，熔寬小；而情況B焊道平整，魚鱗紋清晰。情況A中由于CO2含量較高，使其對電弧的冷卻作用增強，減弱了激光對電弧的穩(wěn)定作用，斷弧次數(shù)比情況B多。

激光電弧復(fù)合焊；保護氣體；焊縫形貌；電弧特性

0 前言

英國學(xué)者Steen于20世紀(jì)80年代首次提出了激光+電弧復(fù)合焊接方法，該焊接方法因其獨特的技術(shù)優(yōu)勢在航空、汽車、造船業(yè)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[1-3]。本研究在激光+單電弧復(fù)合焊工藝的基礎(chǔ)上，通過再添加一個電弧的方式，形成激光+雙絲MAG復(fù)合焊工藝。該焊接方法與激光單電弧復(fù)合焊相比，具有更加高效、熔深大、變形小等優(yōu)勢。

在激光焊或電弧焊中，保護氣體不僅可穩(wěn)定電弧，削弱激光光致等離子體對激光的屏蔽作用，而且會影響焊縫表面成形等[4-6]。在此研究了保護氣體為φ(Ar)80%+φ(CO2)20%(情況A)和φ(Ar)40%+φ(He) 50%+φ(CO2)10%(情況B)對激光+雙絲MAG復(fù)合焊焊縫表面成形和電弧特性的影響。

1 焊接試驗

選用母材為Q235低碳鋼，焊絲為H08Mn2SiA (直徑1.2 mm)進行平板堆焊焊接試驗。焊前將工件表面打磨干凈，防止鐵銹、油污等影響焊接過程及質(zhì)量。保護氣體為φ(Ar)80%+φ(CO2)20%(情況A)和φ(Ar)40%+φ(He)50%+φ(CO2)10%(情況B)，氣體流量20 L／min。使用霍爾電壓、電流傳感器采集電弧電壓和焊接電流波形。采用高速攝像設(shè)備(1 000幀／s速率)拍攝電弧圖像。焊接過程中激光功率1.8 kW，離焦量為0，兩焊絲和激光的空間擺放位置如圖1所示，其中R1＝5 mm，R2＝6 mm。

圖1 激光+雙絲MAG復(fù)合焊焊絲空間位置示意

2 試驗結(jié)果和分析

研究保護氣體為φ(Ar)80%+φ(CO2)20%(情況A)和φ(Ar)40%+φ(He)50%+φ(CO2)10%(情況B)對激光+雙絲MAG復(fù)合焊焊縫表面成形和電弧特性的影響。焊接工藝參數(shù)如表1所示。

表1 焊接工藝參數(shù)

2.1 保護氣體對焊縫表面成形的影響

保護氣體為情況A和情況B時對應(yīng)的焊縫表面成形如圖2所示。

觀察圖2發(fā)現(xiàn)，保護氣體成分不同導(dǎo)致焊縫表面成形有差異。在焊縫表面和焊道兩側(cè)邊緣處都有肉眼可見的斑點狀、不連續(xù)的氧化物，焊道平整。分析原因為：CO2氣體是多原子氣體，焊接過程中在電弧和激光的熱作用下高溫受熱分解，在不同解離能的情況下，按照式(1)[7]分解為CO和O2

圖2 兩種不同保護氣體對應(yīng)的焊縫表面成形

分解生成的O2進入到熔池，與熔化的液態(tài)金屬反應(yīng)生成氧化物，主要是O2與Fe、Si、Cr和Mn等反應(yīng)生成的氧化物。

情況A對應(yīng)的焊縫熔寬(14.2 mm)小于情況B對應(yīng)的焊縫熔寬(17.4 mm)，因為情況A中CO2比例高，分解的O2較多，當(dāng)O2溶解到熔池中會使液態(tài)金屬的表面張力溫度系數(shù)由負變?yōu)檎M而改變?nèi)鄢刂辛黧w流動方向，使得液態(tài)金屬由邊緣向中心流動，使得焊縫變窄[8]。

2.2 保護氣體對電弧特性的影響

觀察電信號波形圖，發(fā)現(xiàn)保護氣體為情況A比情況B對應(yīng)的后絲電弧斷弧次數(shù)要多，前絲電弧基本無斷弧現(xiàn)象。在激光電弧復(fù)合焊中，激光光致等離子體和電弧等離子體相互作用；當(dāng)這兩種等離子體在空間相遇，形成一個導(dǎo)電通道，該通道便成為電弧放電通道。激光光致等離子體中的帶電粒子進入電弧等離子體，電弧等離子體中的帶電粒子增加，改善了電弧電離能力，減小了電弧電阻，穩(wěn)定了電弧[9]。這樣雖然在激光+雙絲復(fù)合焊中存在兩個電弧之間的相互作用，可是加入的激光能為兩電弧提供導(dǎo)電通道，穩(wěn)定電弧，電弧偏轉(zhuǎn)程度有限，不會斷弧。但CO2比例高時，由于CO2為多原子氣體，在焊接過程中高溫作用下發(fā)生分解，其熱容量大，分解時從電弧中吸收較多分解熱，導(dǎo)致導(dǎo)電區(qū)熱量散失，冷卻電弧。根據(jù)最小電壓原理，電弧將自動縮小其斷面，減少電弧表面散失的熱量，提高電場強度，電弧不易擴展。電弧等離子體和激光光致等離子體之間的作用減弱甚至消失，相當(dāng)于激光對電弧的穩(wěn)定作用減弱甚至消失，無法抑制兩電弧之間的相互作用，導(dǎo)致相互吸引，電弧被拉長偏轉(zhuǎn)，斷弧次數(shù)增加。

兩種保護氣體對應(yīng)的高速攝像圖片和電壓波形分別如圖3、圖4所示。兩圖中將前后絲分別處于峰值時刻電弧弧根處寬度進行標(biāo)定，比較發(fā)現(xiàn)CO2比例高對電弧冷卻作用強，電弧寬度變小。當(dāng)前絲處于基值，后絲處于峰值時，兩電弧之間相互作用見圖3a，發(fā)現(xiàn)前絲電弧連同弧根并沒有向后絲電弧傾斜，而是仍然停留在工件表面，無斷弧。當(dāng)前絲處于峰值，電弧亮度最亮，后絲處于基值，電弧亮度變暗，此時對于后絲電弧來說，受到前絲電弧的吸引力最大，發(fā)現(xiàn)后絲電弧發(fā)生偏轉(zhuǎn)，見圖3b。之后后絲電弧在前絲電弧吸引作用下被向上拉長，大幅度偏轉(zhuǎn)彎曲，后絲陽極斑點沿著焊絲上移，電弧電壓增加，一旦超過焊機空載電壓，后絲電弧熄滅，見圖3c和圖3d。這時，焊機的輸出電壓高達100 V。隨后進入下一個周期，焊接電流增大，前絲電弧逐漸變亮，圖3e前絲電弧達到最亮，前絲電弧發(fā)生膨脹，接觸到后絲，使得在工件和后絲之間又形成導(dǎo)電通道，后絲電弧再次燃弧[10]。

圖3 φ(Ar)80%+φ(CO2)20%對應(yīng)高速攝像圖片和電壓波形

圖4 φ(Ar)40%+φ(He)50%+φ(CO2)10%對應(yīng)高速攝像圖片和電壓波形

圖4選取了一個周期的高速攝像進行說明。圖4a為后絲處于峰值上升階段，前絲處于峰值下降階段的電弧形態(tài)；圖4b中后絲電弧處于峰值，電弧最亮，電弧等離子體均發(fā)生膨脹，前絲電弧被吸引偏轉(zhuǎn)程度大于圖4a，但無斷弧。圖4c～圖4e中，后絲電弧處于峰值下降階段，前絲電弧處于峰值上升階段，明顯觀察到電弧亮度變化和電弧等離子體膨脹程度變化。圖4e中前絲電弧處于峰值，后絲電弧處于基值，由于熱慣性作用，發(fā)現(xiàn)在圖4f中前絲電弧最亮，電弧等離子體體積最大，后絲電弧亮度最暗，電弧等離子體體積最小。此時對于后絲電弧來說，受到前絲電弧的吸引力最大，發(fā)現(xiàn)后絲電弧偏轉(zhuǎn)程度較小，仍然停留在工件表面，無斷弧產(chǎn)生，之后圖4g預(yù)示著進入下一個周期。

3 結(jié)論

(1)在焊縫表面和焊道兩側(cè)邊緣處，發(fā)現(xiàn)有斑點狀、不連續(xù)的氧化物肉眼可見，保護氣體為φ(Ar)80% +φ(CO2)20%時對應(yīng)氧化物含量高于保護氣體為φ(Ar) 40%+φ(He)50%+φ(CO2)10%；保護氣體為φ(Ar)80%+ φ(CO2)20%時比保護氣體為φ(Ar)40%+φ(He)50%+φ (CO2)10%時對應(yīng)的焊縫熔寬要小。

(2)保護氣體為φ(Ar)80%+φ(CO2)20%比保護氣體為φ(Ar)40%+φ(He)50%+φ(CO2)10%含有的CO2比例高，使CO2氣體對電弧冷卻作用增強，減弱了激光對電弧的穩(wěn)定作用，斷弧次數(shù)多。

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Effects of shielding gas on weld shape and arc characteristic in laser+twin-electrode MAG hybrid welding

LI Ming-li
(School of Mechanical Engineering，Beijing Institute of Petrochemical Technology，Beijing 102617，China)

Based on laser+single arc welding,the laser+twin-electrode MAG hybrid welding is developed by adding the other arc.With the shielding gas ofφ(Ar)80%+φ(CO2)20%(condition A)andφ(Ar)40%+φ(He)50%+φ(CO2)10%(condition B)，the effects of the varying ratio of CO2on weld shape and arc characteristic are studied in laser+twin-electrode MAG hybrid welding.The LabVIEW signal acquisition system and high-speed photography system are used to monitor welding current，arc voltage and arc behavior.The results show that spotted and discontinuous oxides are visible on the surface and both sides of the weld.Compared condition A with condition B，the oxides content under condition A is high and the weld width is small.Then under condition B，the weld is smooth and scaly figure is distinct.Due to the high CO2ratio in condition A，the effect of cooling arcs is enhanced and the effect of stabilizing arcs is weakened.The arc interruption times under condition A is more than under condition B.

laser+arc hybrid welding；shielding gas；weld shape；arc characteristic

TG444

A

1001-2303(2012)07-0013-04

2012-06-20

李明利(1960—)，男，內(nèi)蒙古通遼人，教授，碩士，主要從事焊接工藝和焊接設(shè)備的教學(xué)和研發(fā)工作。