第３ ７卷第７期 ２ ０ １ ６年７月焊 接 学 报 ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＦ ＴＨＥ ＣＨＩＮＡ ＷＥＬＤＩＮＧ ＩＮＳＴＩＴＵＴＩＯＮ Ｖｏ１．３７ Ｎｏ．７ Ｊｕｌｙ ２０ １ ６ ３０４ Ｌ不锈钢激光一脉冲ＭＡＧ复合焊电弧特性 及焊缝成形分析 杨 涛 ， 何 双 ， 陈 勇 ， 田洪雷 ， 陈 辉 （１．西南交通大学材料科学与工程学院，成都摘６１￣３１；２．中车青岛四方机车车辆股份有限公司，青岛２６６１１１） 要：针对ＳＵＳ３０４Ｌ不锈钢激光一脉冲ＭＡＧ复合焊接过程激光与脉冲ＭＡＧ电弧的过程参数匹配及优化控制问 题，系统研究了过程参数对电弧特性及焊缝成形尺寸的影响，获得了复合焊接过程的电弧特性及成形控制策略．结 果表明，激光的介入会使复合焊接过程稳定性加强，当脉冲ＭＡＧ电弧处在电流基值时，较大的激光功率会吸引 ＭＡＧ电弧而造成基值电压的波动，并且大功率激光会对脉冲ＭＡＧ电弧具备一定的压缩作用，但在峰值阶段影响 幅度较小．焊缝形貌的几何尺寸与过程参数的耦合效应有着直接的关系，过程参数的匹配优化能够有效控制焊缝 成形尺寸． 关键词：激光一脉冲ＭＡＧ复合焊接；电弧特性；焊缝成形 中图分类号：ＴＧ ４５６．７ 文献标识码：Ａ 文章编号：０２５３—３６０Ｘ（２０１６）０７—００６５—０５ ０ 青 专 一起而不进行优化控制会严重影响焊接的稳定性及 焊接质量均一性 ．激光与电弧的过程稳定性及耦 激光一脉冲ＭＡＧ复合焊是一种激光和ＭＡＧ电 合机制国内外都有大量的研究 Ｉ９ Ｊ，但是缺少统一的 弧相互复合的焊接方法，相对于单激光焊接或脉冲 认识．由于激光与电弧耦合增加了过程参量的数 焊接过程的复杂程度增加导致焊接过程机理分 ＭＡＧ焊接，具有明显的优势．如激光一脉冲ＭＡＧ复 量，合焊能够有效提高电弧能量的利用率，同时减小激 析更加困难．针对激光与脉冲ＭＡＧ电弧复合过程 光功率的损耗，从而达到高效、节能的目的；激光的 的参数优化控制，获得复合焊接过程的耦合机制及 研究过程参数对复合电弧特性及焊 高能束特点能够显著增加焊缝熔深¨ ；激光一ＭＡＧ 成形控制策略， 复合焊热源热输入量大，能够有效提高金属润湿性， 缝成形尺寸的影响．改善焊缝成型，减少缺陷 ；复合焊的能量密度集 中，焊接速度快，热影响区小，焊接变形和残余应力 水平低 ｊ．因此，激光一脉冲ＭＡＧ复合焊在制造业 中具有重要的应用前景 ． 区电阻，降低场强，从而增加电弧的稳定性．但是， 试验采用Ｉ型坡口对接形式，背部带永久衬垫． 件和永久衬板均为ＳＵＳ３０４Ｌ奥氏体不锈钢，填充焊 激光对电弧的吸引和压缩作用有利于减小弧柱 试验板材规格为１５０ ｍｍ×７５ ｍｍ ｘ ３．５ ｍｍ．焊接试 激光的加入以及焊接速度、保护气体等工艺条件的 丝为ＥＲ３０８，焊丝直径１．２ ｍｍ，母材及填充焊丝化 变化，都会使脉冲ＭＡＧ焊的熔滴过渡形式、电弧形 学成分如表１所示．态发生明显的变化 ｊ，简单的将激光及电弧复合在 如图１所示为自行设计的激光一脉冲ＭＡＧ复合 表１ 母材及填充材料的化学成份（质量分数，％） Ｔａｂｌｅ １ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ ｏｆ ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ ａｎｄ ｆｉｌｌｅｒ ｍｅｔａｌ １试验方法 收稿日期：２０１６—０２—２８ 焊系统．系统包括：ＡＢＢ机器人、脉冲ＭＡＧ焊机、变 位机、采集及控制系统．采用德国ＩＰＧ公司生产的 基金项目：国家科技支撑计划（２０１５ＢＡＧ１２Ｂ０１．１３） 焊 接 学 报 第３７卷 ＹＬＳ－４０００光纤激光器，焦距３ １０ ｍｍ，最小光斑直径 ０．３ ｍｍ，输出波长１．０８ ｍ，最大输出功率４．２ ｋＷ， 采用连续型激光输出模式． 采用Ｐｈｏｔｒｏｎ Ｆａｓｔｃａｍ ＳＡ４高速摄像机获取电弧 信息，采样频率为１０ ０００帧／ｓ．采用数据采集系统 同步采集电流、电压信号，从而获得电参数波形．试 验采用激光前置的复合方式，保护气体为Ａｒ（９５％） ＋ＣＯ，（５％），保护气体流量为３０ Ｌ／ｒａｉｎ． 图１ 激光一脉冲ＭＡＧ复合焊系统 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｏｆ ｌａｓｅｒ－ｐｕｌｓｅ ＭＡＧ ｈｙｂｒｉｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｙｓ－ｔｅｍ ２试验结果及讨论 ２．１ 复合电弧特性 图２是激光对脉冲ＭＡＧ电弧ｕ．Ｉ随机分布的 影响．图２ａ可以看出当无激光作用时，传统脉冲 ＭＡＧ电弧的ｕ．Ｉ随机分布图波形凌乱，随机性分布 较大，焊接过程稳定性差．如图２ｂ，当激光功率为 Ｐ＝２．５ ｋＷ时，与传统脉冲ＭＡＧ电弧焊相比，激 光一脉冲ＭＡＧ复合电弧焊的ｕ—Ｉ随机分布更加集 中．这说明激光的介人有利于加强复合电弧的稳定 性，使焊接过程更加稳定． 图３为激光一脉冲ＭＡＧ复合电弧焊接过程的 电参数波形．其中，焊接速度Ｖ ＝１７ ｍｍ／ｓ、离焦量 Ａｆ＝０ ｍｍ、光丝间距ｄ＝２ ｍｍ．对比图３ａ，ｂ可以看 出，当送丝速度由 ＝６．５ ｍ／ｍｉｎ增大到 ＝７．５ ｍ／ｍｉｎ时，电压信号在峰值开始时呈现一定的陡降 变化，这是由于送丝速度的增大会使焊接电流增加， 焊接电流增大导致电磁收缩力增强从而使熔滴能够 快速分离．如图３ｃ，当激光功率加强到Ｐ＝４ ｋＷ 时，与图３ｂ相比电流波形未发生变化，而电压波形 ５０ ４５ ４０ ３５ 娄３０ 幽２５ 脚２０ ｌ５ １Ｏ ５ ０ 电流／／Ａ （ａ）ｖ＝６．５ ｍ／ｍｉｎ；Ｐ＝０ ｋＷ ５０ ４５ ４０ ３５ 堇３０ Ｈ刍２５ 唧２０ １５ １Ｏ ５ ０ 电流 Ａ （ｂ）ｖ＝６．５ ｍ／ｍｉｎ；Ｐ＝２．５ ｋＷ 图２ 激光对脉冲ＭＡＧ电弧Ｕ－Ｉ随机分布的影响 Ｆｉｇ．２ Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｏｎ Ｕ－Ｉ ｒａｎｄｏｍ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｏｆ ｐｕｌｓｅ ＭＡＧ ａｒｃ 在脉冲基值时发生了连续的波动，产生连续“凸台” 现象． 为了进一步研究激光功率较大时产生“凸台” 现象的原因，通过高速摄像拍摄了上述参数所对应 的激光一脉冲ＭＡＧ复合电弧动态形态，如图４所 示．与图３的参数波形相对应，由于复合焊各参数 条件下的脉冲ＭＡＧ电弧均采用固定的脉冲频率， 因此电弧形态的变化周期均为６．８ ｍｓ．对比 图４ａ，ｂ，ｃ可以看出，当激光功率增大到Ｐ＝４ ｋＷ 时，ＭＡＧ电弧在基值电流时产生了较大程度的朝向 激光侧的偏转．这说明脉冲ＭＡＧ电弧处在电流基 值时，激光能量增强会增大对电弧的吸引作用并使 电弧发生偏转，电弧偏转促使电弧长度增大，从而导 致电压升高并产生波动，因此电压波形出现连续的 “凸台”现象．当电弧在峰值电流时具备较高的挺直 度，激光对大电流的ＭＡＧ电弧吸引力不足以使电 弧发生偏转． ２．２焊缝成形过程分析 激光一脉冲ＭＡＧ电弧复合焊的焊缝成形反映 了不同过程参数组合的复合热源作用效果．图５为 三种典型的激光一脉冲ＭＡＧ电弧复合焊焊缝成形 第７期 杨 涛，等：３０４Ｌ不锈钢激光一脉冲ＭＡＧ复合焊电弧特性及焊缝成形分析 ｏｆ ＬａｓｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２００５，１７（１）：２—１４． ６９ 离焦量ａｆ＝０时，焊缝熔宽最大．负离焦会使能量 集中于熔池下方有利于熔深增加，但是过大的负离 焦会使激光在穿过熔池时能量逸散，反而会降低熔 透能力．因此，随着离焦量增大，焊缝熔深先增大后 ［２ｊ ＬｅＧｕｅｎ Ｅ，Ｆａｂｂｒｏ Ｒ，Ｃａｒｉｎ Ｍ，ｅｔ ａ１．Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ｈｙｂｒｉｄ Ｎｄ：Ｙａｇ ｌａｓｅｒ－ＭＡＧ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ＆Ｌａｓｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ２０１１，４３（７）：１１５５—１１６６． 减小，当离焦量ａｆ＝一２ ｍｍ时，焊缝熔深最大．如 图６ｅ所示，随着光丝间距ｄ的增大，焊缝的熔宽增 大，余高缓慢减小．焊缝熔深随着光丝间距的增大 呈现先增大后减小的影响规律，特别是ｄ＝２ ｍｍ ［３］ Ｗａｌｚ Ｃ，Ｓｅｅｆｅｌｄ Ｔ，Ｓｅｐｏｌｄ Ｇ．Ｓｅａｍ ｇｅｏｍｅｔｒｙ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｄｕｒｉｎｇ ｌａｓｅｒ－ＭＩＧ ｗｅｌｄｉｎｇ［Ｊ］．ＬａｓｅｒＯｐｔｏ，２００１，３３（２）：６４—７． ［４］Ｚｈａｎｇ Ｌ Ｊ，Ｚｈａｎｇ Ｊ Ｘ，Ｇｕｍｅｎｙｕｋ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｎｕｍｅｉｒｃａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｕｌｌ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ｔｈｉｃｋ ｓｔｅｅｌ ｐｌａｔｅ ｗｉｔｈ ｈｉｇｈ ｐｏｗｅｒ ｈｉｇｈ ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ ｌａｓｅｒ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉｌｓａ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌ— 时，焊缝的熔深最大． ３ 结 论 （１）激光的介入会使复合焊接过程的稳定性加 强，当脉冲ＭＡＧ电弧处于基值电流时，较大的激光 功率会使ＭＡＧ电弧朝向激光侧发生偏转，导致基 值电压波动从而产生连续的“凸台”现象，但在峰值 阶段影响幅度较小． （２）激光一脉冲ＭＡＧ电弧复合焊的焊缝成形 呈现三种特征形式．焊接速度过大会造成电弧作用 区与激光作用区相互的成形特征，激光功率的 增大不改变焊缝成形的形貌特征，但有利于焊缝熔 深的增加． （３）随着激光功率的增加焊缝熔深呈现线性增 大的规律，当离焦量ａｆ＝一２ ｍｍ或光丝间距ｄ＝２ ｍｍ时，焊缝熔深最大；送丝速度为口 ＝７．５ ｍ／ｍｉｎ 时，焊缝余高达到最大．离焦量ａｆ＝０时，焊缝熔宽 最大，当焊接速度 大于１７ ｍｍ／ｓ时，则熔宽迅速 变窄． 参考文献： ［１］Ｂａｇｇｅｒ Ｃ，Ｏｌｓｅｎ Ｆ Ｏ．Ｒｅｖｉｅｗ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｈｙｂｒｉｄ ｗｅｌｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｇｙ，２０１４，２１４（８）：１７１０—１７２０． ［５］ 陈彦宾，陈杰，李俐群，等．激光与电弧相互作用时的电弧 形态及焊缝特征［Ｊ］．焊接学报．２００３，２４（１）：５６—６Ｏ． ＣｈｅｎＹａｎｂｉｎ，Ｃｈｅｎ Ｊｉｅ，Ｌｉ ＬｉＱｕｎ，ｅｌ ａ１．Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ａｒｃ ａｎｄ ｗｅｌｄ ｉｎ ｌａｓｅｒ－ＴＩＧ ｈｙｂｒｉｄ ｐｒｏｃｅｓｓ［Ｊ］．Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎａ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，２０１３，２４（１）：５６—６Ｏ． ［６］Ｃａｍｐａｎａ Ｇ，Ｆｏｒｔｕｎａｔｏ Ａ，Ａｓｃａｒｉ Ａ，ｅｔ ａ１．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ａｒｃ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｍｏｄｅ ｉｎ ｈｙｂｉｒｄ ｌａｓｅｒ－ＭＩＧ ｗｅｌｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｊｏｕｒｎｌａ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉ－ ａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００７，１９１（１）：１１１—１１３． ［７］ Ｍｏｒａｄｉ Ｍ，Ｇｈｏｒｅｉｓｈｉ Ｍ，Ｆｒｏｓｔｅｖａｒｇ Ｊ，ｅｔ ａ１．Ａｎ ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｈｙｂｒｉｄ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｌａｓｅｒｓ ｉｎ Ｅｎ— ｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２０１３，５１（４）：４８１—４８７． ［８］ Ａｌｂｒｉｇｈｔ Ｃ Ｂ，Ｂａｓｔｍａｎ Ｊ，Ｌｅｍｐｅｒｔ Ｗ．Ｌｏｗ—ｐｏｗｅｒ ｌａｓｅｒｓ ａｓｓｉｓｔ ａｒｃ ｗｅｌｄｉｎｇ［Ｊ］．Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｊｏｕｒｎａｌ，２００１，８０（４）：５５—５８． ［９］刘黎明，王红阳，宋刚．能源节约型激光诱导电弧复合焊 技术及应用［Ｊ］．焊接学报，２０１５，３６（１１）：９—１２． Ｌｉｕ Ｌｉｍｉｎｇ，Ｗａｎｇ Ｈｏｎｇｙａｎｇ，Ｓｏｎｇ Ｇａｎｇ．Ｅｎｅｒｇｙ－ｓａｖｉｎｇ ｍｏｄｅ ｌａ— ｓｅｒ ｉｎｄｕｃｅｄ ａｒｅ ｈｙｂｒｉｄ ｗｅｌｄｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ａｎｄ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ［Ｊ］． Ｔｒｎａｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｃｈｉｎａ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ，２０１５，３６（１１）：９— １２ 作者简介：杨涛，男，１９８２年出生，博士，副教授，硕士研究生导 师．主要从事激光加工、智能化制造方向工作．发表论文３Ｏ余篇． Ｅｍａｉｌ：８８９２６８＠ｑｑ．ｃｏｍ
