Nd_YAG激光_脉冲MAG复合热源焊熔滴过渡分析_吴艳明

（ 2） 激光加入后熔滴过渡时，焊丝末端固液界 面及残留金属形态发生改变． Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合焊熔滴过渡时，焊丝末端液态金属呈尖锥 状而且熔滴脱落点在焊丝轴线右下方． 而单 MAG 焊接熔滴过渡时，焊丝末端液态金属的锥度较小且 熔滴脱落点在焊丝轴线的左边． 主要原因为激光加 入后，焊丝末端左侧（ 靠近激光光束的面） 受到激光 引起的热辐射和光致等离子体的加热作用，是被辐 射面稳定比另一侧高，熔化速度加快，且左侧表面液 态高速蒸发，对熔滴产生一定蒸发压力． 所以焊丝 末端液态金属而形成尖锥状且熔滴脱落点在焊丝轴 线右下方．
综上所述，光丝间距是复合焊的熔滴过渡比单 纯 MAG 稳定性的重要因素． Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合热源平板堆焊的最佳光丝间距为 3 mm．
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焊接学报
第 32 卷
3 熔滴过渡受力分析
激光的加入改变了熔滴的受力状态． 图 6 为单 MAG（ 富氩保护气） 焊接时熔滴在脱落前的受力模 型． 熔滴主要受重力 Fg，表面张力 Fy，等离子流力 Fp ，电磁力 Fem的共同作用； 另外还受摩擦力 Ff 的作 用； 由于熔池所产生的金属蒸气量很少，所以忽略熔 池金属蒸气产生的对熔滴过渡的反向推力．
模式发生了改变，持一脉一滴（ ODPP） 变为一脉多 滴（ MDPP） ． 熔滴飞行速度提高，熔滴过渡轴向性更 好． 焊接过程稳定无飞溅，相比单 MAG 焊接过程可 能产生少许飞溅． 2． 2 激光功率对熔滴过渡的影响
图 4 为焊接速度 1． 0 m / min，光丝间距 3 mm， 离焦量 － 1 mm（ 焦点在工件表面下 1 mm） ，保护气 体成分 80% Ar + 20% CO2 气体流量 15 L / min，焊接 平均电流为 160 A，平均电压 26． 5 V 条件下激光功 率变化对熔滴脱落后焊丝末端到工件表面的距离的 影响（ 所有值均测于熔滴稳定脱落后 0． 25 ms 且为 20 个测试值得平均值） ．
图 5 光丝间距变化对焊丝末端到工件表面距离的影响 Fig. 5 DLA effect of distance of wire tip to workpiece
图4 Fig. 4
激光功率变化对焊丝末端到工件表面距离的影响 Laser power effect of distance of wire tip and workpiece
（ 3） Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 焊接熔滴过渡 的熔滴飞行速度更快． 如图 2 为熔滴过渡的速度测 量，可见加入激光后熔滴下落的横向速度分量 vx 和 纵向速度分量 vy 都增加了． 主要是因为熔滴在峰值 电流时期脱落，在电流变为基值电流之前的时间段 受到等离子流力的加速作用； 熔滴的落点会更加集 中，图 3 为 1s 之内熔滴落点到焊丝轴线与工件表面 触点的距离，可见激光 － 脉冲 MAG 复合热源的熔 滴落点更加集中，而且更靠近焊丝轴线与工件表面 的触点，因此熔滴过渡的轴线性更好． 图 3 中 SDLA 表示光丝间距．
第3 2卷 第7期
焊接学报
2 0 1 1 年 7 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol． 3 2 No． 7
July
2011
Nd：YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合热源焊熔滴过渡分析
吴艳明， 王 威， 林尚扬， 王旭友
（ 机械科学研究院 哈尔滨焊接研究所，哈尔滨 150080 ）
由图 5 可以看出，激光加入后，熔滴脱落后焊丝 末端到工件表面的距离比单 MAG 明显提高，弧长 增加明显．
（ 1） 当光丝间距小于 2 mm 时，小孔中喷发出的 金属蒸气羽作用在熔滴的左下方，阻碍熔滴过渡，会 产生大滴过渡，破坏熔滴过渡的稳定性，熔滴常常要 经过两个脉冲才过渡到熔池中，同时还可能产生飞 溅和熔滴向前飘出熔池的现象．
电弧空间的温度，在焊接过程开始阶段加快了焊丝 的熔化速度，使得焊丝弧长增加到一定程度，即激光 提供的能量正好补充了焊丝伸出长度变短、欧姆电 阻热减少能量时，达到新的能量平衡，焊丝末端到工件表面的距离增加，弧长增加． 2． 3 光丝间距对熔滴过渡的影响
相关报道表明，激光致等离子体能引导并稳定 电弧，降低脉冲电弧的起弧电阻［1 － 3］． 然而激光加 入对脉冲 GMA 焊接熔滴过渡的影响，及其影响机 制还缺乏共识． 文中利用高速摄像和电弧分析仪等 试验设备实时拍摄 Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合 热源焊接的熔滴的形成、长大、脱落过程，观测并分 析激光加入对电弧焊熔滴过渡的影响，进而分析激 光对电弧焊熔滴过渡的影响机制．
图 5 为光丝间距 SDLA变化对焊丝末端到工件表 面距离的影响． 试验参数为焊接速度 1． 0 m / min，激 光功率 2 kW，离焦量 － 1 mm，保护气体 80% Ar + 20% CO2 ，流量 15 L / min，焊接平均电流 160 A，电压 26． 5 V，送丝速度 7． 5 m / min． 激光光束在电弧前光 丝间距为正，激光在电弧之后光丝间距为负．
（ 2） 当光丝间距为 3 mm 左右时，激光小孔处产 生的向上喷发的高温金属蒸气从焊丝末端的左侧喷 出，对熔滴过渡的阻碍作用力可忽略不计，熔滴过渡 稳定（ 图 1b） ．
（ 3） 而当光丝间距达到 6 mm 及以上时，热源模 型由激光 － 电弧复合热源转变为激光 － 电弧联合热 源，激光和电弧的耦合作用消失，熔滴过渡行为与单 纯 MAG 焊接很相似，熔滴过渡也比较稳定．
摘 要： 采用高速摄像技术拍摄熔滴形成、长大及脱落的过程，观测并分析激光加入对 电弧焊熔滴过渡的影响． 结果表明，发现激光改变了熔滴的空间飞行轨迹、过渡稳定 性、熔滴过渡模式． 并从熔滴受力角度建立了脉冲 MAG 焊接熔滴力学模型，分析了激 光加入后熔滴受力状态的改变情况． 分析发现复合激光后，脉冲 MAG 熔滴还受到额外 两个力的作用，即激光小孔产生的高速向上喷发的金属蒸气对熔滴过渡的反推力和激 光及光致蒸气等离子体对熔滴的热辐射而使被辐射面的液态熔滴金属高速蒸发而产生 的反推力，这些反推力在光丝间距小于 2 mm，会阻碍熔滴过渡； 并且电磁力的方向偏向 激光小孔． Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合热源焊接熔滴过渡稳定性受光丝间距、激光 能量、离焦量等参数影响． 关键词： Nd： YAG 激光； 脉冲 MAG 复合热源焊接； 熔滴过渡； 高速摄像； 受力分析 中图分类号： TG115． 28 文献标识码： A 文章编号： 0253 － 360X（2011）07 － 0083 － 04
图 1 激光 － 脉冲 MAG 复合焊接和单 MAG 焊接熔滴过渡 Fig. 1 Droplet transfer of laser-pulsed MAG hybrid weld-
ing and MAG welding
图 2 复合焊和单 MAG 焊接熔滴飞行速度（ 激光功率 2 kW） Fig. 2 Droplet transfer speed of hybrid welding and MAG
80% Ar + 20% CO2 ，气体流量 15 L / min，焊接平均电 流为 160 A，平均电压 26． 5 V． 由图 1 可以看出：
（ 1） 激光加入后，电弧弧长明显增加，且熔滴的 过渡模式改变，由一脉一滴（ ODPP） 变为了一脉多 滴（ MDPP） ． 主要由于加入激光使电弧空间温度升 高，使得焊丝熔化速度增加，焊丝末端液态金属表面 张力降低，导致熔滴在峰值电流时脱落产生 MDPP， 熔滴尺寸降低．
C
Si
Mn
S
P
Cu
焊丝 0． 06 ～ 0． 15 0． 80 ～ 1． 15 1． 40 ～ 1． 85 ≤0． 035 ≤0． 025 ≤0． 50
采用 Nd： YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合热源焊接 进行平板堆焊，来阐述复合焊接过程中激光对电弧 焊熔滴过渡的影响． 为了便于高速摄像，采用焊枪 不动，工作台行走． 试验参数见表 2． 在 Nd： YAG 激
焊丝直径 焊丝伸出长度
激光 － 电弧夹角
过渡模式
焊接材料
/ mm
l / mm
θ（ °）
1． 0
17
一脉一滴
30°
Q235
2 试验结果与分析
2． 1 Nd：YAG 激光 － 脉冲 MAG 复合焊接碳钢的 焊接特性
图 1 为复合焊中激光加入前后一个脉冲周期熔 滴过渡高速摄像图片． 试验参数为激光功率 2 kW， 焊 接 速 度 1． 0 m / min，光 丝 间 距 3mm，离 焦 量 － 1 mm（ 焦点在工件表面下1 mm） ，保护气体成分
由图 4 可以看出加入激光后，熔滴脱落后焊丝 末端到工件表面的距离 H，比单纯 MAG 明显提高， 由单脉冲 MAG 的 1． 5 mm 增加到 2 mm 以上，弧长 增加明显． 弧长随激光功率的增加而增加，当激光 功率达到 1 200 W 后，弧长基本保持稳定．
加入激光后，激光和激光致金属蒸气羽对焊丝 和熔滴的热辐射，使得焊丝进一步预热并且提高了
收稿日期： 2011 － 01 － 03 基 金 项 目： 国 际 科 技 合 作 项 目 （ 2009DFR50170 ） ； 科 技 重 大 专 项
（ 2009ZX04007 － 031）
试验所使用的激光器为德国 HAAS 公司生产的 HL2006D 型连续输出 Nd： YAG 固体激光器，额定功 率 2 kW，输 出 波 长 为 1． 06 μm，激 光 枪 焦 距 200 mm，光束焦点直径 0． 6 mm，由芯径为 0． 6 mm 的光 纤传输，试验用焊机为奥地利 Fronius 公司生产的 Fronius TPS5000 数字化电源． 高速摄像采集系统采 用 Photron 公司 FastCam Ultima 512 型号高速摄像采 集系统． 拍摄像素为 512 × 256，拍摄速度为 4 000 幅 / s． 保护气为 Ar + CO2 混 合 气 体． 焊 接 材 料 为 Q235 钢（ 200 mm × 40 mm × 10 mm） ，焊丝牌号为 THQ － 50C．