純鈦TA2薄板電弧輔助激光焊高速焊接過程的電弧和熔池特征行為研究

周洋 孔諒 王敏 李芳 華學明

摘要：針對0.5 mm純鈦TA2薄板的電弧輔助激光焊高速焊接，研究了熱源間距和熱源相對位置對激光電弧耦合、熔池形態的影響，利用高速攝影對電弧形態和熔池形狀進行分析，探索不同熱源間距和熱源相對位置對薄板高速焊接過程穩定性的影響規律。結果表明，兩種熱源相對位置（Laser Leading，LL和Arc leading，AL）模式下，隨著熱源間距的減小，TIG電弧面積均會有所增加;在AL狀態下，電弧起預熱作用，LL狀態下，當熱源間距減小到6 mm時，激光和TIG電弧共同作用形成共熔池現象;LL狀態下的TIG電弧面積標準差更小，LL狀態的焊接過程穩定性優于AL狀態。

關鍵詞：電弧輔助激光焊;熱源間距;熱源相對位置;電弧形態 ;熔池形貌

中圖分類號：TG456.7 文獻標志碼：A 文章編號：1001-2303（2020）07-0024-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.04

0 前言

激光-電弧復合焊接技術將激光和電弧兩種熱源相結合，獲得較大的焊接熔深以及實現高效、高質量的焊接過程[1-2]。近年來國內外一些學者對激光-TIG復合焊焊接鈦、鎂及其合金的行為進行了研究。馬然等人研究了1 mm TC4鈦合金在焊接速度為3 m/min條件下的激光功率、電弧電流、熱源間距等對焊縫成形的影響[3]。L.M. Liu等人研究了TIG電弧在前和激光在前兩種復合焊焊接模式下，3 mm鎂合金在焊接速度800 mm/min時的熱源間距對熔深和熔化效率的影響[4]，結果表明，在TIG-激光（Arc leading，AL）焊接模式下，隨著熱源間距的增加，熔深先增大后減小，而在激光-TIG（Laser Leading，LL）焊接模式下，熔深隨熱源間距增加單調減小。劉黎明等針對1 mm TC4鈦合金薄板光纖激光-TIG電弧復合焊，研究了在LL模式、焊接速度5.4 m/min情況下熱源能量匹配、熱源間角度以及對接間隙對焊縫成形的影響規律[5]，結果發現激光能量與電弧能量之間的相互匹配顯著影響焊縫表面成形。史吉鵬等[6]采用高速攝影的方法研究了低功率激光-電弧焊接2 mm TC4鈦合金在焊接速度為2.07 m/min時耦合熱源等離子體流動狀態及作用空間特性，闡明了能量匹配度對激光-電弧復合焊中的熔池及焊接過程穩定性的影響。

電弧輔助激光焊接以激光為主要熱源，TIG電弧為輔助熱源，在薄板的高速焊接中具有顯著優勢[7]。目前，國內外很少有學者對電弧輔助激光焊在薄板高速焊接過程中的熱源位置參數（熱源間距，熱源相對位置）對激光電弧耦合作用的強弱進行研究，這在一定程度上限制了該方法的工程應用。文中針對0.5 mm純鈦TA2薄板，結合高速攝影，探究電弧輔助激光焊在高速焊接中的熱源間距及熱源相對位置（Laser Leading，LL和Arc leading，AL）對激光-電弧耦合、熔池形狀的作用機制，獲得不同熱源間距和熱源相對位置對薄板高速焊接過程穩定性的影響規律。

1 試驗材料和方法

試驗材料為規格0.5 mm×60 mm×400 mm工業純鈦TA2薄板，其化學成分如表1所示。焊前需清理鈦板表面氧化膜，并用丙酮擦洗。

電弧輔助激光焊示意如圖1所示。試驗用激光器為RFL-C2200多模光纖激光器，TIG焊接電源為MPT-500D高頻脈沖焊機，進行0.5 mm鈦板的電弧輔助激光焊平板堆焊，采用Phantom VEO 710S高速攝相機拍攝電弧形態和熔池形貌（曝光時間0.05 ms），采用高速攝影獲得TIG電弧圖像和熔池區域的圖像。為了獲得大小一致的照片尺寸，采用固定拍攝角度30°（如圖2所示），保證每張圖片長寬一致。采用Photoshop軟件對電弧圖像進行二值化處理，得到不同熱源間距下TIG電弧的像素點面積，測量熔池長度L和熔池寬度W的相對值。

經過前期實驗探索，得到0.5 mm工業純鈦TA2全熔透且無背面飛濺的電弧輔助激光焊高速焊接工藝參數。文中選取激光功率為1 500 W、焊接速度為5.4 m/min、焊接電流50 A、離焦量+25 mm的焊接參數，采用相同的傾斜角度β=45°，激光焊傾斜α=5°，探討電弧輔助激光焊高速焊接過程中兩種熱源相對位置（Laser Leading，LL和Arc leading，AL）以及熱源間距D的變化對電弧-激光耦合特征及熔池動態變化的影響，具體焊接參數如表2所示。

2 結果與分析

2.1 熱源位置和間距變化對電弧耦合的影響

在5.4 m/min高速焊接時得到的TIG電弧形態如圖3所示，AL狀態下的不同熱源間距的電弧形態如圖4所示，LL狀態下不同熱源間距下的電弧形態如圖5所示。

已有研究表明，采用激光-電弧耦合熱源進行鈦合金結構件高速焊接時，當熱源間距D為2 mm時，激光對電弧等離子體的空間作用（耦合、壓縮）效果最明顯[6]。但文中受限于TIG焊槍氣體護套直徑的影響，試驗采用的熱源間距D最小僅為4 mm，且激光焦點和電弧中心并未作用到一起。因此，在本試驗條件下，無論AL狀態還是LL狀態，激光對電弧均無明顯的壓縮現象。

為了更好地比較不同熱源模式下激光-電弧耦合的區別，將純TIG、AL狀態下和LL狀態下的電弧圖像進行二值化處理，如圖6所示;并對二值化后的電弧圖像進行像素點面積計算，得到各熱源位置和間距變化對電弧面積的影響，如圖7所示。

由圖7可知，AL狀態下和LL狀態下的電弧面積均大于純TIG狀態，且隨著熱源間距由10 mm減小至4 mm，電弧面積逐漸增加。但相比于LL狀態，AL狀態下電弧面積增加得更多。

出現上述現象的原因是：純TIG電弧存在粘滯性，在高焊接速度下工件陽極斑點滯后導致電弧軸線偏離鎢極軸線（見圖3）;但在電弧輔助激光時，激光的加入導致不同熱源位置隨熱源間距變化出現不同特征。AL狀態時，激光形成的離子體面積更大，且含有更多的電子和正離子，為電弧提供了導電通道，電弧偏離更大，造成電弧面積增大;相反，LL狀態時，由于激光首先加熱工件表面，隨后的TIG電弧作用的工件表面溫度較高，已形成陽極斑點，TIG電弧會優先通過激光等離子體形成的通道[7]，導致TIG電弧的偏離程度變小，使得電弧面積變化相對小于AL狀態。

結合激光-電弧復接特性分析和穩定性研究[8-9]，對比分析不同熱源模式和熱源間距的電弧面積標準差，如圖8所示。在AL模式下，當熱源間距由4 mm增加至6 mm時，電弧面積標準差呈下降趨勢，當熱源間距由6 mm增加至10 mm時，呈上升趨勢，熱源間距6 mm時的電弧面積變化最小;在LL模式下，熱源間距4 mm時，標準差最小，且隨熱源間距的增加而逐步增大。整體而言，LL模式的電弧面積標準差均小于AL模式，可見LL模式焊接過程的穩定性優于AL模式。

2.2 不同熱源位置和間距下的熔池行為

AL狀態下不同熱源間距下熔池形貌如圖9所示。可以看出，AL狀態下TIG電弧并未熔化鈦板，更多是起到一個預熱鈦板以提高激光吸收率的作用，由激光加熱形成熔池。此時激光和電弧對熔池形成相互作用，隨著熱源間距從10 mm減小至4 mm，熔池寬度和長度都有了一定的增加。AL狀態下不同熱源間距下的熔池長度和寬度的變化如圖10所示。由圖10可知，AL狀態下，隨著熱源間距的減小，熔池長度顯著增加，而熔池寬度增加有限。

LL狀態下的不同熱源間距下熔池形貌如圖11所示。可以看出，LL狀態下，激光熔化鈦板并形成熔池，TIG電弧對激光形成的熔池起到修復作用。當熱源間距減小到6 mm時，激光形成的熔池和TIG電弧形成的熔池連在一起，形成共熔池現象。LL狀態下不同熱源間距下的熔池長度和寬度的變化如圖12所示。可以看出，隨著熱源間距的減小，熔池寬度增加很少，熔池長度卻顯著增加，尤其是熱源間距由8 mm減小為6 mm時，此時由于形成共熔池現象，熔池長度激增。

由圖10和圖12 還可知，相比于AL狀態下，LL狀態時由于后置的輔助熱源TIG電弧對熔池的擾動作用，提高了熔池的流動性，使得熔池長度更大，液態金屬能夠更好地向焊縫兩邊鋪展，其熔寬增加。在LL狀態和AL狀態下的焊縫宏觀金相如圖13所示，在LL狀態下焊縫的正面熔寬平均值為10.83 mm，而在AL狀態下焊縫的正面熔寬平均值為9.25 mm。

3 結論

（1）不管是AL還是LL狀態下，隨著熱源間距由10 mm減小至4 mm，電弧面積均會逐漸增加。但相比于LL狀態，AL狀態電弧面積增加得更多;LL狀態下的TIG電弧面積標準差更小，說明LL狀態下的焊接過程更加穩定。

（2）相較于AL狀態，LL狀態下熱源間距逐漸減小時，TIG電弧的面積增加減緩;從熔池角度看，TIG電弧對激光形成的熔池起到修復作用，當熱源間距減小到6 mm時，激光形成的熔池和TIG電弧形成的熔池連在一起，形成了共熔池現象。

（3）LL狀態下，由于后置輔助熱源TIG電弧的擾動增強了熔池流動性，熔池長度更大，使液態金屬能夠更好地向焊縫兩邊鋪展，其熔寬也更大。

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