王传刚

（中车青岛四方机车车辆股份有限公司，山东青岛266111）

摘要：激光-脉冲GMAW复合焊接和激光-连续GMAW复合焊接两种热源形式在复合焊接中使用范围广，应用前景好。系统研究这两种热源形式和脉冲GMAW焊接以及连续GMAW焊接在焊接过程中的电参数变化特征及焊缝的形状尺寸。结果表明，激光-脉冲GMAW复合焊接中电参数平稳，焊接过程稳定，可有效地促进熔滴过渡，并且获得的焊缝尺寸较理想，熔深大、余高小，但激光功率3 000 W的复合焊接短路时电参数波动性增大。

关键词：激光-GMAW复合焊接；脉冲电弧；电参数；焊缝尺寸

0 前言

激光-电弧复合热源焊接技术兼具激光焊的高焊速、低热载、大熔深以及电弧焊的低装配精度等优势，焊接速度快，厚板焊接能力、接头桥接能力、熔池稳定性和接头冶金性能有所提高，保证了生产的高效性和焊接质量的稳定可靠。国内外大量学者的研究结果表明，激光-电弧复合焊接能够显著提高激光的能量利用率、改善表面成形、抑制气孔和飞溅等的产生、降低接头装配精度以及调节焊缝成分组织、改善焊接接头力学性能等[1－3]。

激光-电弧复合热源焊接中电弧能量主要用于熔化焊丝和形成熔滴[4]，对液态金属的铺展及熔池状态具有重要作用。研究复合热源耦合机理可为后续复合焊接过程的模拟提供理论模型，同时对控制焊接生产效率和接头质量具有重要意义。

长春理工大学张斌等人研究了针对不同波长激光在激光-MAG复合（激光前置）焊接中的熔滴行为的变化，发现激光功率增加的过程中熔滴过渡频率的下降幅度会出现差异，分析认为YAG激光比CO2激光产生的等离子体密度和压强更低，有助于焊丝端部熔滴的形成和脱离，使熔滴过渡频率更高。然而随着激光功率的增大，YAG激光小孔中金属蒸汽喷发速度大于CO2激光，即对熔滴的阻碍作用更强。因此，激光功率增加相同值时，YAG激光-MAG电弧复合焊接熔滴过渡频率下降幅度更大。此外，本研究认为熔滴的过渡行为主要取决于电弧形态，射滴过渡时呈钟罩状电弧状态，而激光功率的变化、电弧电位梯度的变化和匙孔产生的高温蒸汽是引起电弧形态发生跳边的根本原因[5]。

焊缝截面形状及组织是影响接头性能的决定性因素，而熔池的凝固过程及焊缝的冶金性能主要取决于复合焊接过程中激光与电弧两种能量源的热循环过程。目前，针对如何将激光与电弧热源有效结合进行了大量试验，并分析各种工艺参数对焊缝形状的影响。试验证明焊缝熔宽主要取决于电弧功率和熔滴的过渡形式，而熔深主要由激光功率决定[6-7]。

在此采用激光-脉冲GMAW复合热源焊接与激光-连续GMAW复合焊接两种方法焊接奥氏体不锈钢301L材料，系统研究激光对两种电弧参数及熔滴过渡的影响以及焊缝形状的变化规律。

1 试验材料和方法

采用德国TRUMPF公司的TruDisk10002碟片激光器，焦距300 mm，输出波长1.06 μm，光束聚焦最小直径0.4 mm。焊机为福尼斯Transpuls Synergic 4000。使用PhotronFastcam SA4高速摄影机观测熔滴过渡模式，采集频率5000帧/s，同时结合NIDAQ同步采集实时电流、电压信号，以获得电参数图形。试验过程中保持焊枪、激光器、高速摄像机和背光源固定不动，通过导轨带动试板平行移动完成焊接。采用平板堆焊，沿焊接方向激光在前、电弧在后的复合热源形式进行焊接。试验板材为SUS301L奥氏体不锈钢，填充焊丝为ER308L，焊丝直径1.0mm，母材及填充焊丝成分如表1所示。试件尺寸为150mm× 80 mm×6 mm，焊前机械打磨试件表面。焊枪保护气体为φ（Ar）95%+φ（CO2）5%，气体流量25 L/min，焊枪倾角65°，激光器倾角95°。高速摄像机与焊接方向垂直，与试件水平面成30°。焊接工艺参数如表2所示。

2 试验结果与分析

2.1 脉冲GMAW焊与激光-脉冲GMAW复合焊电压波形及熔滴过渡

脉冲GMAW焊熔滴的过渡周期主要由电流电压的脉冲周期决定，在激光-脉冲GMAW复合焊接中激光能量对熔滴的过渡周期基本无影响。直流脉冲MAG和激光-脉冲GMAW复合焊接电压概率密度如图1所示。与脉冲MAG焊相比，激光-脉冲GMAW复合焊的曲线峰值右移，焊接过程中基值电压由23V增至25 V。直流脉冲GMAW焊曲线有3个波峰，对应的区间分别表示基值电压、熔滴脱离焊丝时的电压、脉冲峰值电压。脉冲GMAW焊和激光-脉冲GMAW复合焊电压波形如图2所示，激光-脉冲GMAW复合焊脉冲电压基值高于GMAW焊接基值。当脉冲电压波形下降为27 V时出现一个小“台阶”，此时熔滴从焊丝底部脱落。激光-脉冲GMAW焊接电压概率密度曲线主要表现为脉冲基值和峰值区间的波峰，而熔滴脱离焊丝时刻的小波峰不明显，因为该时刻对应的电压值与脉冲基值电压很接近，因此波峰下降趋势变缓慢。同时，可观察到激光-脉冲GMAW复合焊的基值电压存在波动性（见图2b），即电弧较弱时激光对焊接导电空间有一定的影响。

一个脉冲周期内GMAW焊接与激光-脉冲GMAW复合焊熔滴过渡高速摄像如图3所示，图2中的“小台阶”对应的时刻如图3a、图3e所示。熔滴的突然断开导致焊丝底部与熔池间距离增大，电压增加，但在电路控制过程中波形应下降，因此综合表现为“台阶”状，在概率密度图中出现一个小波峰。图3d、图3h均为脉冲峰值时刻的大电流，使得电弧明亮，并促进熔滴脱离焊丝。其余时刻为电流的基值时段，电弧较弱，焊接空间较暗，熔滴已脱离焊丝向熔池过渡。

2.2连续GMAW与激光-连续GMAW复合焊的电压波形及熔滴过渡

送丝速度为7m/min时，直流MAG焊与激光-MAG（直流）复合焊接电压概率密度如图4所示。相较而言，连续GMAW焊接过程中电压分布更加集中，表明短路过程规律性更强，熔滴过渡更稳定。连续GMAW和激光－连续GMAW复合焊接电压波形如图5所示。可以看出，焊接过程均为短路过渡，且平均电流约145 A、平均电压约23 V，焊机的自动调节功能使得激光的加入并未导致电流、电压产生较大变化。此外，短路过渡时电流和电压波形较为稳定。

高速摄像机拍摄的熔滴过渡图像如图6所示，熔滴脱离焊丝的整个过程中熔融金属未发生颈缩现象，每个过渡周期内熔滴过渡经历4个阶段：a.焊丝与熔池短路接触，电压突然下降10～15 V，电流迅速增加至300 A以上。b.金属液桥爆炸，产生的爆破力强迫熔滴脱离焊丝，向熔池过渡。c.电流恢复基值，燃烧电弧促进焊丝熔化形成熔滴。d.焊丝再一次与熔池接触，准备下一次熔滴过渡。

当外加激光与直流MAG电弧作用于同一熔池形成复合焊接时，随着激光能量的变化，熔滴形态和电弧电参数会发生规律性变化。激光功率为3 kW时，一个过渡周期内出现2次短路现象，使得电压连续两次突变，但只完成了一颗熔滴过渡，说明熔滴与熔池短路接触时有阻碍熔滴过渡的力增大，使过渡出现困难。一个周期内熔滴非正常过渡图像如图6所示。熔滴长大与熔池短路，电弧熄灭，此时熔滴表面光滑（见图6a）；熔滴底部发生爆炸，引燃电弧，同时熔滴回弹，并且表面出现褶皱（见图6b）；熔滴沿着焊丝向上凝聚，振荡并长大（见图6c）；较大体积的熔滴与熔池再次短路（见图6d）。

从图6e～6h可以看出，一个过渡周期内熔滴与熔池发生多次短路。与直流MAG焊短路过渡相比，熔滴短路后出现的回弹现象可能与激光能量有关，激光热源能量的增加使熔池上方空间内金属蒸汽密度增大，向上的金属蒸汽对熔滴过渡的阻碍作用增强。试验中直流MAG焊以及复合焊中熔滴均未发生颈缩现象，说明促进熔滴过渡的电磁收缩力较弱。而熔滴主要受重力和表面张力作用，尺寸较大。

2.3 不同热源形式对焊缝尺寸的影响

在送丝速度7m/min、焊接速度1.2m/min条件下，连续GMAW焊接、脉冲GMAW焊接、激光-连续GMAW和激光-脉冲GMAW（激光功率3 kW）焊接4种热源焊接形成的焊缝截面尺寸如图7所示。由于连续GMAW焊接过程中电弧对熔池的冲击和搅拌作用较小，焊缝熔深浅、熔宽窄、余高大。而相同条件下脉冲GMAW焊缝的变化明显，熔宽增加、余高减小，即脉冲电弧的作用有利于增加焊缝熔宽和熔深，减小余高。同时，激光作用对熔深影响最大，对熔宽和余高影响不显著。

3 结论

通过试验对比分析脉冲电弧焊接与激光-脉冲GMAW复合焊接、连续电弧焊接与激光-连续GMAW复合焊接过程中的电压变化和熔滴过渡状态，以及4种热源形式下焊缝尺寸的变化规律。结果表明，脉冲电弧可促进熔滴过渡，有利于增加焊接的稳定性。在连续电弧焊接的短路过渡中，激光功率3 000W的复合焊接短路时电参数波动性较大。4种复合焊接热源中，激光-脉冲GMAW复合焊接形成的焊缝熔深和熔宽大，余高小。

参考文献：

[1]左铁钏，陈虹.21世纪的绿色制造——激光制造技术及应用[J].机械工程学报，2009，10（45）：106-110.

[2]武传松，秦国梁.轻金属材料激光+GMAW复合热源焊接机理的研究进展[J].焊接，2009（7）：11-17.

[3]MoriakiONO，YukioSHINBO，AkihideYOSHITAKE，etal. Welding Properties of Thin Steel Sheets by Laser-Arc Hybrid Welding Laser Focused Arc Welding[J].International Society for Optics and Photonics，2003：369-374.

[4]EL Guen，R Fabbro，M Carin，et al.Analysis of hybrid Nd：Yag laser-MAG arc welding processes.Optics&Laser Technology，2011，43（7）：1155-1166.

[5]张斌，张宏，刘双宇.不同波长激光对激光—MAG电弧复合焊接熔滴行为的影响[J].机械工程师，2014（2）：10-12.

[6]Gao M，Zeng X，Yan，J，et al.Microstructure characteristics of laser MIG hybrid welded mild steel.Applied Surface Science，2008，254（18）：5715-5721.

[7]Campana G，Fortunato A，Ascari A，et al.The influence of arc transfer mode in hybrid laser-MIG welding.Journal of Materials Processing Technology，2007，191（1）：111-113.

Effect of laser-GMAW compound welding arc heat source form on the welding process parameters and the weld shape

WANG Chuangang
（CSR SIFANG Co.，Ltd.，Qingdao 266111，China）

Abstract：Laser-pulse GMAW and laser-continuous GMAW welding possessed good application prospect and wide use.The changes of electric parameters and the weld shape size in the process of these two kinds of heat source form and pulse GMAW welding and continuous GMAW welding were systematically researched.The results showed that the electricity parameter was smooth and the welding process was stable that could enhance the transition of droplets and ideal weld dimension with big penetration and low excess weld metal could be obtained in the laser-pulse GMAW welding.The electricity parameter increased in volatility when the welding process was in short circuit of the laser power was 3 000 W.

Key words：laser-GMAW welding；pulse arc；electricity parameter；weld dimension

中图分类号：TG444+.72

文献标志码：B

文章编号：1001－2303（2017）08－0119-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2017.08.24

收稿日期：2017-03-20

作者简介：王传刚（1963—），男，学士，主要从事材料应用方面的研究和技术工作。E-mail：wangchuangang@cqsf. com。

本文参考文献引用格式：王传刚.激光-GMAW复合焊接电弧热源形式对焊接过程参数及焊缝形状的影响[J].电焊机，2017，47（08）：119-123.