长三角G60激光联盟导读
据悉，在本文中，利用光纤激光MAG混合工艺，在不预热的情状下利用金属芯焊丝焊接45 mm厚的高强度钢（双面临接）。
摘要
厚钢板经常用于造船、管道和其他相关的重工业，凡是通过电弧焊毗连。深穿透激光-电弧混合焊接能够进步消费率，但尚未彻底研究，因而凡是仅限于中等厚度（5-15mm）截面的利用。次要存眷的是工艺不变性，出格是在利用金属芯焊丝和先辈焊接设备等现代焊接耗材时。高速成像容许间接看察过程，从而能够研究过程行为和现象。在本文中，利用光纤激光MAG混合工艺，在不预热的情状下利用金属芯焊丝焊接45 mm厚的高强度钢（双面临接）。在普遍的焊接参数范畴内监测工艺不变性。成果表白，通过优化工艺参数，该工艺能够胜利地焊接出量量适宜的厚截面。当比力传统的脉冲和更先辈的冷金属转移脉冲（CMT+P）电弧形式时，发现两者都能够供给高量量的焊缝。CMT+P电弧形式能够在有限的行进速度范畴内供给更不变的液滴转移。在较高的行进速度下，看察到不不变的金属转移机造。比力引弧和后弧安插，引弧设置装备摆设能够在热源之间较长的间隔间隔下供给更高量量的焊缝和更不变的加工。
1 介绍
激光电弧混合焊接（LAHW）在重工业厚钢板的焊接中具有很高的潜力。正如Ono等人所阐明的那样，那是因为与电弧焊比拟，其熔深和消费率很高。Moore 等研究了与自体激光束焊接（LBW）比拟，改进LAHW接头机械性能的可能性，重点是填充焊丝的构成。现在，根据Gook等人的说法，与实心焊丝比拟，现代药芯或金属芯填充焊丝在低温下供给更好的焊接金属韧性。然而，该过程的施行仍然有限，部门原因是歧管参数和复杂的激光弧彼此感化。
Steen利用CO2激光束（10µm波长）和钨极惰性气体（TIG）电弧，初次利用相机对LAHW停止了看察。他确定了激光和电弧等离子体之间的彼此感化，从而实现了TIG过程的不变，从而进步了焊接速度。正如Kristensen等人所描述的，那种加强在20世纪90年代末引起了极大的兴致，并在2000年代初普遍利用于欧洲造船重工业。现代光纤激光器具有更短的波长（1µm），能够通过光纤停止引导。那些激光器的另一个方面是，与CO2激光器比拟，在焊接区域中产生的电离等离子体的量几乎能够漠视不计。在光纤激光电弧焊接过程中，电弧等离子体与熔池中产生的蒸汽彼此感化，熔池中含有金属颗粒（出格是小孔四周），Katayama等人对此停止了研究[6]。如Hu等人所讨论的，那些颗粒的电离温度低于焊接庇护气体。Cai等人和其别人阐明说，那会招致电弧向锁孔标的目的扭曲，从而影响液滴别离和液滴轨迹。
许多尝试研究都集中在混合激光电弧焊中的液滴行为上，连系了激光焊接的深度熔深优势和电弧焊的桥间隙。一致的结论是液滴行为遭到激光诱导等离子体的影响。然而，关于激光的感化是障碍仍是促进液滴转移仍然存在争议。此外，液滴传输体例与焊接参数有关，例如激光功率，激光与电弧之间的间隔，激光束的离焦长度和庇护气体。
混合光纤激光器-MIG焊接尝试系统示企图。
上图展现了混合光纤激光器-MIG焊接尝试系统的示企图。该系统由焊接系统、有源高速图像摘集系统、无源CCD图像摘集系统和焊接电流波摘集系统四部门构成。板上焊缝摘用焊接系统停止，次要由固态镱光纤激光系统（YLS-5000;IPG光子公司），更大功率为 5kW，焊接电源（TPS-4000;伏能士），更大电弧电流为400A.表1展现了光纤激光器系统的次要参数。混合激光电弧焊是在激光引导电弧的情状下停止的。为了研究激光对混合激光-MIG焊接液滴行为的影响，操纵我们之前工做获得的优化焊接参数来包管焊接工艺的不变性。
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消费率受焊接行进速度以及所需运行次数的影响。在足够高的行进速度下，LBW，特殊是MAG工艺变得不不变，产生量量较差的焊缝。
LAHW中的一个重要设置是激光弧间间隔（DLA），Abe等人发现，关于10µm（CO2）激光器，该间隔具有不变电弧的特定更佳值。在较高的DLA下，Hayashi等人发现热源变得愈加别离，因而该过程变成串联过程，而不是与共享熔池混合。关于1µm激光器，Fellman等人报导，电弧-金属转移形式和工艺不变性受DLA和焊枪安插（即电弧引导或尾随）的影响，此中发现用于更佳穿透的DLA间隔引导焊枪的锁孔更远。原因在于，在十分短的间隔处，因为熔融液滴与激光束的碰碰，存在强烈的负彼此感化，激光束部门反射并降低进进锁孔启齿的光束功率。向锁孔输送的颠簸功率会因为锁孔塌陷而招致孔隙。
示企图展现了液滴在（a）-（c）电弧焊和（d）-（f）混合焊接中的球状转移序列。
除素材混合和电弧不变外，气隙的存在还有其他益处。如Piili等人所阐明的，间隙还供给更深的穿透力并不变锁眼。Hayashi等人在利用30kW CO2激光器毗连22-25mm厚的板时利用了1-4mm的气隙。他们认为，当电弧处于激光引导设置装备摆设时，因为凹槽中存在熔融金属，在汽化反冲压力的感化下，小孔立即构成。利用该原理，能够胜利地焊接具有超越激光束曲径的气隙的接头。
LAHW工艺的消费率潜力关于厚截面焊接出格高，而且在过往十年中已成为大量研究的主题，例如，关于利用1µm激光和多道焊的管道高强度低合金（HSLA）钢。因为多种非线性相关的工艺参数，LAHW中焊接参数的优化可能十分具有挑战性。对LAHW工艺不变性的大大都研究仅限于某些情状，焊接参数集相对较窄，或涉及研究特定金属加工过程中的特定现象、设置、激光光学和前提。因而，关于利用1µm激光和CMT电弧形式的厚碳钢板中的LAHW，凡是没有可用的信息。那项工做旨在阐明各类前提下的过程行为，以阐明可妥帖的过程机造，从而将研究成果用于将来的利用。那里讨论的各类参数包罗：DLA、焊接行程速度、工艺设置、接头坡口预备和间隙宽度。
球状形式下的等离子体（a）电弧焊，（b）混合焊接。
2. 办法
利用金属芯焊丝将45 mm厚的板与双面LAHW毗连，比力CMT + P和脉冲电弧形式在各类参数设置下的影响，以进步焊接量量和消费率。尝试办法和阐发如下。
2.1.设备和素材
用于尝试的LAHW设置如图1（a）所示。在尝试过程中，利用15 kW（IPG Laser GmbH YLR-15000）镱光纤激光器，具有：光纤芯曲径为400μm，光束参数积为10.3 mm•mrad，波长为1070 nm，持续波形式，300 mm焦距光学器件，聚焦在外表以下。
图 1.尝试设置：1 – 光纤激光设备;2 – MAG 设备;3 – 钢造工件;4 – 重型夹紧系统;5 – 照明脉冲二极管激光器;和 6 – 高速成像相机。
2.2变量和阐发的 2.2.Design
焊接参数展现在图2的设想矩阵中。在所有尝试中，激光输出凡是设置为15 kW，凡是为3.5-4.5 mmD洛杉矶.显著影响工艺不变性的参数在尝试之间发作了改变，包罗：行进速度vt（0.5-1.2 米/分钟）、电弧形式（CMT+P，脉冲）、填充焊丝进给速度WFR（4-18 米/分钟）、割炬安插（前弧或尾弧）、板之间的气隙（0.2-1.0 毫米）和接头边沿预备（I 或 Y 槽）。接头边沿的斜面几何外形如图3所示。抉择WFR来准确填充接头。根据电弧焊机的协同线设置电流、电压、脉冲继续时间和频次的电弧参数特征。
图 2.焊接参数设想矩阵。
图 3.用于焊接的预备好的坡口的几何外形：a）面根宽度为 5 mm 的 I 型坡口坡口;b） Y 型槽倒角，面根部宽度为 5 mm（不按比例）。
关于图2中的每个参数组合，都造造了一个样品，但因为焊缝的长度（根据ISO 15614-14：2013原则为500 mm），它们被认为具有消费代表性。为了评估样品，对焊缝外表停止了目视查抄，并造造了横截面宏看照片（抛光和蚀刻）。在焊接过程中将HSI利用于两侧以验证不异的行为。除其他现象外，还阐发了液滴转移不变性、电弧与激光束之间的彼此感化、锁孔不变性和工艺区域中的熔体活动，因为它们对工艺不变性至关重要。HSI示例别离展现在图4（a，b）中，别离展现了尾随弧和前导弧。
图 4.激光-MAG 混合焊接的 HSI，用于 a）挈曳焊枪安插和 b）前导焊枪安插，此中：1 – 填充焊丝;2 – 弧等离子体;3 – 熔融液滴;4 – 液体熔池边沿;5 – 激光锁孔;和 6 – 板之间的气隙。
3.成果和讨论
3.1.1.焊缝外看
堆积焊缝外看和宏看截面如图5所示。因为利用了几乎不异的参数，I型和Y型槽样品的焊缝外看十分类似（只需要略微多一点的WFR来填充Y型槽情状下的间隙）。因而，仅展现工字槽的曲面视图。因为焊接过程中的板变形，熔深可能会跟着加工过程中的略微间隙改变而改变（在某些情状下也会招致一点底部填充）。为了避免那些问题的发作，厚板焊接的工业施行凡是涉及液压夹紧。与两种槽型的前导割炬安插比拟，挈曳割炬的飞溅略少，焊缝外看量量更高。飞溅物的产生可能与电弧不不变性有关，招致落差飞翔轨迹发作改变，可能招致焊缝外看的改变。一个破例是I-C1T样本（见图5（a）），无意中略短D洛杉矶（2.5-3 毫米），招致偶尔堆积的液滴爆炸和金属丝被切碎，而不是在金属丝尖端构成电弧。脉冲电弧形式供给了更好的焊接外表量量，因为电弧和液滴别离不不变性（如断丝和液滴爆炸）的发作率较低。
图 5.I 型和 Y 型槽样品的宏看剖面和堆积焊缝外看。
3.1.2.历程行为
图6包罗HSI笔录的聚集（i）和聚集（ii）中所有情状的工艺行为的图示，展现了电弧尺寸、熔池、电弧气刨外形、熔体活动和液滴行为。还看察到液滴碰击，并指示响应的区域（如蓝色圆圈）。在I型槽和Y型槽造备样品之间未看察到显著差别。因为功率程度较高，脉冲电弧供给了更大的电弧尺寸，从而产生更深的凿痕，出格是在领先的割炬安插中。领先的割炬安插略微削减了成型和随后的别离过程中的线材斩波和液滴爆炸，供给了更不变的工艺。按捺线材斩波的一个可能原因是在电弧下方构成更深的气凿，该气凿填充了较低程度的熔体，从而招致更长的电弧。
图6. a-h）基于I型槽试样HSI的LAHW工艺不变性。i）液滴轨迹误差，用于挈尾和j）引导电弧。
关于两种焊炬安插，MDPP也发作在更受控的CMT+P电弧形式中，图6（e，g，h）。在尾焰炬设置中，当WFR为7m/min时，初始脉冲后液滴别离有时会延迟。之后，在随后的脉冲周期中的夹点效应期间，可能会发作液滴微爆炸。然而，成形和别离过程中的微爆炸对整体工艺不变性和外表量量没有显著影响。主导火炬安插具有更好的工艺不变性，其特征在于更光滑和规则的液滴别离。关于液滴外形，看察到在较高WFR的情状下，因为所涉及的电流较高，它们不太呈球形。
有时在短路阶段，当利用CMT+P电弧形式和增加的vt时，图7（g），填充线和熔池之间的预期接触没有发作。那会招致金属丝尖端的熔体在随后的几个脉冲中连结附着，可能会招致液滴爆炸（多个小飞溅物）或金属丝断裂。
图7 通过条纹图像（d）手艺阐发LAHW（Y-C1T样品）的堆积焊缝外看（a，b）和HSI（外表55°倾斜摄像机），展现了不不变处置（e）和不变处置（h）。
3.1.3电线切割
图8阐了然电线割断机造。因为金属丝未足够缩回到与熔池的恰当间隔，在反常短路阶段之后发作金属丝断裂。在如许的事务之后，弧很短。在割断电线之前，似乎每个脉冲城市在电线中储蓄积累热量，见图8（a）。电弧长度跟着每个脉冲逐步变长，但未到达其一般长度。加热的金属丝的电阻跟着其温度接近熔点而增加。在3-5个脉冲后的某一点，导线过早熔化至必然间隔。图8（b）。在该间隔处，因为该区域电阻增加而熔化，导线在随后的脉冲（峰值电流）期间被夹持力割断，图8（c）。短切金属丝的堆积轨迹是不成揣测的，那取决于重力和电弧力的总和。
图 8 断线机构。
3.2.更改进程设置时的历程行为
3.2.1.增加接头气隙
增加气隙会增加对填充素材的需求，因为堆积速度不敷会产生略微的底部填充，例如图9（a）（样品I-P3T）。与设置（i）尝试比拟，工字槽造备的WFR增加了1 m/min，略微进步了过程的不变性。因为削减了电线斩波，飞溅现象显著削减。
图 9 WFR、行进速度和气隙对脉冲尾弧焊缝量量的影响.
3.2.2.行进速度、送丝速度和气隙进一步进步后的工艺不变性
摘用CMT+P，工字槽接头造备和增vt从 0.8 到 0.95 m/min（样品 I-C7T），该过程变得十分不不变，频繁的线材切割（差别长度）、大量飞溅和一些孔隙。关于 I 型和 Y 型槽造备，利用脉冲电弧形式并将WFR增加到 13 m/min（样品 I-P8T 和 Y-P4T），可产生 MDPP 到喷雾液滴的转移，而且通过一些底部填充显著削减线材切碎，如图9（b）所示（样品 I-P8T）。也产生了十分少量的飞溅物（图9）。将WFR增加到 17 米/分钟和vt在 Y 型槽设置（Y-P5T 样品）中到达1.0 m/min，消弭了电线切碎，同时还削减了孔隙率和飞溅。因为在1 mm间隙处增加vt，有一个明显的底部填充，大面积过早凝聚，如图10（a-c）HSI序列所示。发现该过程相对不变，电弧仅展现出十分略微的改变（图10（c））。然而，因为间隙宽度，激光锁孔启齿垂曲低于图10（a）片材的顶面。因而，熔池偶尔会溢出到锁孔中（因为电弧压力），那可能会招致孔隙。
图 10 a-c）用于尾随脉冲电弧形式（18 m/minWFR）和 d） 焊缝外看的高行程速度 （1.2 m/min） 的 HSI 框架。MF是熔体活动，PS是过早凝聚。
3.2.3.降低行驶速度和WFR
将WFR降低到 4 米/分钟，而且vt在存在0.3 mm窄间隙（I-C4T和Y-C4T样品）的情状下，为0.5 m/min，招致CMT + P短路之间没有间歇脉冲和随后的自在飞翔形式的液滴别离，如图11（a-c）（样品I-C4T）所示。供给恒定短路（与熔池间接接触）而不会斩波，较弱的电弧脉冲可确保锁孔四周平静不变的熔体活动。从HSI中发现，与具有较高WFR和行进速度的尝试比拟，熔体活动速度明显较慢，那表白电弧熔池活动影响并降低了激光锁孔的穿透才能。
图 11 HSI在低行驶速度（0.5米/分钟）和挈弧下利用CMT形式以4米/分钟的WFR。
3.2.4改动激光弧间距的不变性影响
在大大都焊缝中，DLA为3.5-4.5mm，在此间隔内无法隔离或看察到明显的不变性趋向。为了更好地看察差别DLA对工艺不变性的影响，前弧的间隔增加到8mm，后弧的间隔削减到2mm。
当利用领先的脉冲电弧并将DLA从4mm增加到8mm（Y-P8L和Y-P9L样品）时，vt在0.8m/min和0.6mm气隙时，关于9和13m/min WFR，该过程变得更不变。电弧长度改变十分小，飞溅较少，金属丝上的液滴不再碰击锁孔启齿区域，见图12（a）。此外，没有看察到孔隙构成（那种孔隙可能与锁孔塌陷有关，在那种情状下没有看察到）。看察成果表白，电弧和激光彼此感化水平较低，液滴转移形式仍处于MDPP到喷雾转移形式，见图12（ai，ii），可能也与WFR增加有关。成果，在那种设置装备摆设中，容许操纵更高的WFR，过程不不变的概率很低。在少少数情状下，因为熔体上的电弧压力，看察到锁孔四周的熔体高度增加（熔体池中有海浪），但那似乎不会骚乱该过程。
图12 差别工艺间隔的HSI对差别焊炬安插（0.8 m/min vt，0.6 mm间隙）的工艺不变性的影响，此中：A–MDPP传输形式；B——锁孔鸿沟；C——液滴碰击面积；D——飞翔轨迹误差。
4.一般成果
从该阐发中能够得出结论，高电压会招致熔融金属熔滴转移方面的焊接工艺不不变，特殊是关于CMT+P电弧形式。在高电压下，填充金属丝堆积的不不变性，出格是金属丝切割，与无法为电弧成立所谓的生根效应有关，也与电弧长度太短有关。那使得金属芯焊丝的利用比实心焊丝愈加困难。图13是Karlsson等人初次摘用的矩阵流程图（MFC）。它展现了普及的尝试趋向。重视，仅展现某些变量值的已识别趋向。只要少数几个尝试获得了适宜的ODPP，因为电弧会遭到来自激光锁孔的凿形和金属蒸汽的骚乱。槽造备类型对加工仅有略微影响，因而能够得出结论，LAHW对差别槽类型的间隙改变和利用具有相当的耐受性。
图13 基于对差别坡口造备和激光电弧安插设置停止的尝试的工艺不变性MFC。
5.结论
利用金属芯填充焊丝的厚钢板LAHW是一种十分有效且有前途的熔接工艺，在必然的优化参数范畴内供给可承受量量的焊缝。从看察到的工艺行为和产生的焊缝，能够得出以下结论：
•在LAHW期间，热源和熔体流之间的彼此感化会影响电弧过程，根据工艺设置，为ODPP到MDPP以至喷雾转移形式创造前提。
•关于引弧，不料见利用短激光弧间距，因为因为液滴碰击锁孔启齿，锁孔塌陷招致气孔的风险增加。
•因为熔体上的电弧压力会招致液滴飞离凿槽前部，因而能够在不引起小孔塌陷的情状下，为尾随电弧留出短的间距。
•因为（金属芯焊丝）发作了可能对焊接量量有害的断丝，因而不料见在行进速度高于0.8m/min的情状下利用CMT+P电弧形式。
•看察到凹槽造备的类型对工艺不变性几乎没有影响。
•当间隙大于0.6mm时，板之间的气隙仅对工艺不变性有显著影响。
来源：Process stability during fiber laser-arc hybrid welding of thick steel plates, Optics and Lasers in Engineering, doi.org/10.1016/j.optlaseng.2017.10.020
参考文献：Development of laser-arc hybrid welding, NKK Tech Rev (No. 86) (2002), pp. 8-12; Microstructures and properties of laser/arc hybrid welds and autogenous laser welds in pipeline steels; Sci Technol Weld Join, 9 (4) (2004), pp. 314-322
长三角G60激光联盟陈长军转载