激光-電弧復合焊接

上海工程技術(shù)大學材料科學與工程學院張培磊教授與英國華威大學、上海交通大學、江蘇科技大學學者組成的國際聯(lián)合研究團隊在《Coatings》期刊上發(fā)表名為“Research Status of Stability in Dynamic Process of Laser-Arc Hybrid Welding based on Droplet Transfer Behavior: A Review”的綜述文章。

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論文導讀

激光-電弧復合焊接同時利用激光熱源和電弧熱源作用在同一個區(qū)域，兩種熱源在同一熔池中的協(xié)同效應(yīng)導致焊接速度和熔深增加，同時增強間隙橋接能力和工藝穩(wěn)定性。該文章介紹了激光-電弧復合焊接技術(shù)在熔滴過渡行為、熔滴過渡模式和熔滴受力分析的研究現(xiàn)狀。通過對研究論文和工程應(yīng)用的系統(tǒng)梳理，系統(tǒng)概述了激光-電弧復合焊接的工作原理、技術(shù)優(yōu)勢、工程應(yīng)用以及焊接動態(tài)過程穩(wěn)定性研究。最后，對未來激光-電弧復合焊接技術(shù)面臨的問題進行總結(jié)。

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全文概述

本文綜述了激光-電弧復合焊接熔滴過渡行為的基本概念和特征，包括熔滴過渡模式和熔滴受力分析。重點討論了激光和電弧之間的相互物理作用和激光-電弧組合熱源對焊接穩(wěn)定性的影響。熔滴過渡行為提供了焊接過程的穩(wěn)定性、電弧行為特征、熔化效率、焊接煙塵、飛濺等工藝特性及焊接冶金特征等信息，具有直觀性和可視性的特點，成為焊接信息技術(shù)中不可取代的信息獲取來源和途徑。在激光-電弧復合焊接過程中，金屬熔滴向熔池過渡的模式、熔滴尺寸、過渡頻率及穩(wěn)定性取決于焊接材料特性、焊接參數(shù)、保護氣體、激光能量、光絲間距等因素，最終受多種力如重力、電磁力、等離子流力、表面張力、金屬蒸汽作用力等綜合作用，如圖1所示。

圖1 復合焊接熔滴受力分析示意圖

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圖文解析

光絲間距是決定激光和電弧熱源是否最佳耦合的關(guān)鍵因素。光絲間距對熔深、熔滴過渡模式和焊接過程穩(wěn)定性有顯著影響。研究學者發(fā)現(xiàn)當光絲間距較小時，電弧會干擾匙孔的穩(wěn)定性，熔滴過渡的穩(wěn)定性受到激光很大程度的影響。激光束照射在飛濺的熔滴上，阻礙了激光束的能量，導致焊縫熔深較淺，如圖2所示。另外，光絲間距的增加導致了不規(guī)則的熔融金屬運動，導致匙孔崩塌，以及先前凝固金屬阻礙了中心熔融金屬填充焊趾區(qū)域，最終形成咬邊缺陷。

圖2 光絲間距對熱源復合效應(yīng)的影響

激光和電弧熱源在焊接方向上的相對位置對激光-電弧復合焊接有至關(guān)重要的影響。一些研究學者認為激光引導模式優(yōu)于電弧引導模式。他們認為激光引導模式可以獲得更加穩(wěn)定的焊接過程，可以得到較好的焊縫成形，氣孔和飛濺缺陷較少，并且具有更好的熔透性和更牢固的焊縫。然而，另一些研究學者認為電弧引導模式優(yōu)于激光引導模式。他們認為與超高功率激光引導模式相比，超高功率電弧引導模式形成了穩(wěn)定的電弧特性和熔池流動，熔滴半徑與焊接表面之間的角度產(chǎn)生了更大的推動力，促進了熔滴的分離，提高了焊接過程的穩(wěn)定性，焊接飛濺較少，焊縫成型較穩(wěn)定，如圖3所示。

圖3 不同引導模式對焊接過程的影響: (a)激光引導模式; (b)電弧引導模式

無論是單一的激光焊接還是電弧焊接，都應(yīng)該考慮保護氣體的重要性。在激光焊接中，保護氣體是消除等離子體屏蔽效應(yīng)、提高焊接工藝穩(wěn)定性、實現(xiàn)深熔焊接的有效手段。在電弧焊接中，保護氣體是實現(xiàn)電弧穩(wěn)定燃燒、決定電弧熱柱分布和熔滴過渡模式的關(guān)鍵因素。研究學者認為添加30% He改善了激光與電弧的復合效應(yīng)，熔滴過渡模式從不穩(wěn)定的噴射過渡轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定的噴射過渡，并且提高了旋轉(zhuǎn)噴射過渡與電弧脈沖周期的匹配度，電弧波形波動較小，焊縫成形較好，焊接缺陷較少。此外，研究學者認為提高焊縫熔深和抑制氣孔缺陷的He體積百分比應(yīng)為50%。有效激光功率密度隨著He體積百分比的增加而增加，這有助于焊縫熔深的增加。由于在使用Ar-He混合氣的同時提高了小孔的穩(wěn)定性，因此有效地抑制了焊接氣孔缺陷，如圖4所示。

圖4 不同保護氣體下熔滴過渡行為：(a)100%Ar; (b)75%Ar+25%He; (c)50%Ar+50%He; (d) 25%Ar+75%He; (e)100%He

由于在電弧焊接中加入激光會引起電弧形態(tài)和熔池形態(tài)的變化，導致電弧力、電磁場和熔池表面張力的變化，因此這些因素的變化將直接導致熔滴過渡特性的變化。結(jié)合激光焊接的深熔優(yōu)勢和電弧焊接的橋接性能優(yōu)勢，許多研究學者對激光-電弧復合焊接熔滴過渡行為給予了關(guān)注。他們認為激光的加入對熔滴過渡既有促進作用也有抑制作用。在短路和滴狀過渡模式下，激光促進熔滴過渡，而激光在射流過渡模式下阻礙了熔滴過渡。作用在熔滴上的電磁力和等離子體力的大小和方向是影響熔滴過渡行為的關(guān)鍵。電磁力和等離子體力的大小和方向是由于熔滴中電流分布的變化而轉(zhuǎn)變的，這是由低電離電位的激光感應(yīng)等離子體引起的，如圖5所示。

圖5 不同熔滴過渡模式下電弧焊接與復合焊接高速攝影對比

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結(jié)論與展望

激光-電弧復合焊接是一種新型的焊接加工方法，它將兩種能量傳遞機理與物理性質(zhì)完全不同的熱源結(jié)合在一起，同時作用在加工位置，不同熱源間相互作用及熱源與工件的相互作用產(chǎn)生足夠的熱量完成焊接的過程。作為一種新型高效的焊接熱源它既能充分發(fā)揮兩種熱源各自的優(yōu)勢，又可以彌補各自的缺點。激光和熔化極惰性氣體/活性氣體電弧焊（MIG/MAG）是最有前途的復合焊接模式，是迫切需要進一步研究復合熱源的物理機制。同時，在復合焊接過程中，熔滴過渡行為也非常重要。熔滴過渡行為可以為焊接過程提供準確的信息，并且有效地判斷焊接過程的穩(wěn)定性。

隨著工程機械的不斷發(fā)展，板材的厚度也在不斷增加。為了滿足厚板焊接的穩(wěn)定性，厚板的坡口加工是必不可少的。由于厚板坡口的復雜性，焊接過程中電弧的穩(wěn)定性也受到一定程度的影響，導致焊接缺陷的產(chǎn)生。同時，缺陷的產(chǎn)生與熔滴過渡行為有著密切的聯(lián)系。在大功率激光-電弧復合焊接中，焊接缺陷的產(chǎn)生是不可避免的。數(shù)值模擬技術(shù)的優(yōu)化和進步，突破了缺陷分析的局限，為創(chuàng)新工藝的進一步發(fā)展提供了堅實的理論基礎(chǔ)。由于激光-電弧復合焊接有大量的工藝參數(shù)，為了獲得最佳的焊縫成形，工藝參數(shù)窗口不斷縮小，工藝參數(shù)的變化也對熔滴過渡特性產(chǎn)生了巨大影響。因此，工藝參數(shù)的不斷探索對激光-電弧復合焊接熔滴過渡模式具有重要意義。

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論文鏈接

https://doi.org/10.3390/coatings13010205

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作者介紹

張培磊 教授

2010年畢業(yè)于上海交通大學，獲博士學位。曾赴中南大學和德國弗朗霍夫ILT激光技術(shù)研究所從事訪學研究。一直致力于激光與材料相互作用、激光智能制造系統(tǒng)的研究。目前已在激光智能制造領(lǐng)域的國際知名期刊發(fā)表 SCI、EI 收錄論文100余篇，獲得國家發(fā)明專利授權(quán)12項、實用新型專利授權(quán)5項。擔任SVOA Materials Science & Technology期刊編委、Coatings期刊特刊編輯、Frontiers in metals and Alloys期刊評論編輯、焊接雜志社青年編委、《金屬加工（熱加工）》編委，受邀為Materials Today、ACS Applied Nano Materials、Materials Science and Engineering A, Applied Surface Science, Journal of Alloys and Compounds 等多家國際著名期刊審稿人。

吳頔 副教授

2018年博士畢業(yè)于上海交通大學材料加工專業(yè)，主要從事激光焊接過程在線監(jiān)測及質(zhì)量智能控制研究。榮獲2019年上海市青年科技英才揚帆計劃省部級人才，先后主持國家自然科學基金、中國博士后科學基金特別資助和面上資助、中國機械工程學會焊接創(chuàng)新項目等國家/省部級項目，在激光智能化焊接制造方向具有豐富的研發(fā)經(jīng)驗，擁有多項創(chuàng)新研究成果。發(fā)表國際學術(shù)期刊30余篇，授權(quán)發(fā)明專利5項。先后擔任中國機械工程學會焊接分會青年委員，核心期刊《焊接》和《電焊機》等編委。

劉慶永

上海工程技術(shù)大學碩士研究生，主要研究激光焊接、激光-電弧復合焊接。

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