激光功率對鍍鋅板復合焊接過程穩定性的影響

周方明,畢研華,陳麗麗,陳琪昊,魏通達,石銘霄

(1.江蘇科技大學 江蘇省先進焊接技術重點實驗室, 鎮江212003)

(2.唐山宏正機械設備有限公司, 唐山063000)

在鍍鋅板電弧焊的過程中,表層低熔點的鋅金屬因受熱過度形成噴射狀的鋅蒸汽,大大降低了焊接電弧的穩定性,從而影響焊接質量[1-3].文獻[4]提出通過激光填絲釬焊的方式,精確控制加熱范圍,減少板材表面鍍鋅層不必要的燒損,從而得到高質量焊縫.文獻[5]在研究鍍鋅板焊接過程中焊縫氣孔影響因素及產生機理時使用低熱輸入的CMT焊接技術來抑制鋅蒸汽對焊接電弧的擾動.文獻[6]采用了一種低熱輸入高效率的單旁路耦合電弧GMAW用于鍍鋅板的焊接,通過旁路分流一部分熔化焊絲的焊接電流,減小了母材的熱輸入,從而減少鋅蒸汽對焊接電弧的影響.

激光-電弧復合焊接技術是近30年來發展較快的一種優質高效的焊接方法,同時也得到了廣泛研究.研究表明激光的加入,能夠明顯提高電弧的穩定性[7-8]、提高焊接速度[9-10]、改善焊縫成型[11-12].但是國內外的研究主要集中在大功率激光和MIG/MAG電弧復合焊接鋁、鎂等有色金屬的工藝及機理方面,對于低功率激光誘導MIG電弧焊接鍍鋅板的研究卻很少.文中利用低功率激光誘導MIG電弧焊接鍍鋅板,在此基礎上進一步研究激光功率對焊接過程穩定性的影響.

1 試驗設備及試驗方法

低功率激光誘導MIG電弧焊接試驗系統由焊接系統和信號采集系統兩部分組成,其分布示意圖如圖1.焊接系統包括銳科光纖激光器(Raycus RFL-C500)、數字焊接電源(OTC-XD500S)、送絲機和水冷機.對于光纖激光器,其最大輸出功率為500 W,通過直徑為0.6 mm的光纖將發射波長為1.06 μm的連續波傳輸到激光頭內,然后透過準直鏡照射到焦距為250 mm的聚焦鏡上,焦點半徑為0.5 mm.信號采集系統主要包括高速攝像機、電流電壓傳感器、數據采集卡、計算機及其附件.焊接過程中高速攝像的采集頻率為2 000 幅/秒,電信號的采樣頻率為20 kHz,可以實現焊接過程中電信號與高速攝像圖片信號的同步采集.

圖1 試驗設備及分析儀器分布

試驗中利用專用的裝置將激光焊接頭與MIG焊槍進行裝配,激光焊接頭軸線方向與豎直方向擺成15°的角度,此措施可以大大降低由鍍鋅鋼板產生的反射激光對激光器及焊接頭產生損傷的風險:焊槍軸線與水平位置成75°夾角,激光焊接頭和MIG焊槍都可以通過夾具對其位置進行調節.焊接過程采用平焊的方式,激光在前,MIG電弧在后,工件以搭接接頭的形式固定在行走機構上,接頭形式及相關參數如圖2.工件由步進電機按照預先設定的速度平穩地帶動工件運動,實現焊接.

試驗材料為200 mm×60 mm×2 mm的鍍鋅鋼板(鍍鋅層面密度:133 g/m2,兩面都有鍍層)和直徑為1 mm的銅基焊絲CuSi3.母材和焊絲的標準化學成分如表1.

表1 母材和焊絲的化學成分

2 試驗結果與分析

2.1 激光功率對電弧形態的影響

從圖3(a)中可以看出,在電流I=110 A,電壓U=19.3 V,焊接速度Vw=0.7 mm/min時,單獨MIG電弧焊接鍍鋅板的電弧等離子體體積較小,并且受鋅蒸汽的影響,電弧邊緣存在明顯的上翹現象.在光絲間距Dlw=2 mm,離焦量df=0時,當激光功率較小時,如P=100 W(圖3(b)),低功率激光的加入對電弧形態產生了一定的影響,使電弧邊緣上翹程度減弱,但是由于受到激光功率大小的限制,激光作用點對MIG電弧的吸引作用并不明顯,表明激光和電弧之間的相互作用較弱;隨著激光功率的增大,如圖3(c),P=400 W時,熔池表面激光作用點處的激光能量密度逐漸增大,此時激光對MIG電弧的吸引作用相比于P=100 W時更加顯著,電弧邊緣上翹的現象幾乎消失,并且電弧等離子體在焊接方向上明顯變大,同時也使整個電弧等離子體空間增大,降低了電弧的能量密度,減少了對鍍鋅板表層鋅金屬的燒損,增強了工件的耐腐蝕性.因此,在試驗條件下,激光功率越大,激光對電弧的吸引作用越強,激光和電弧之間的相互作用越明顯,工件的耐腐蝕性能越優異.

圖3 不同激光功率下的電弧形態

從3組試驗的比較來看,在誘導焊接中,激光的加入會對MIG電弧產生吸引作用,使原本受鋅蒸汽影響而飄忽不定的電弧趨于穩定,大大提高了焊接電弧的穩定性.分析可知,這是因為激光作用在工件表面,由于其自身高能量密度的特點,會在工件表面激光作用點處產生大量高溫高密度的等離子體,使該處的導電率較大,根據電弧最小電壓原理可知,電弧會自動選擇在電阻最小的地方燃燒,因此電弧會被吸引到激光在工件表面作用點處,同時,工件表面激光作用點處大量的高溫高密度的等離子體為電弧提供了一個非常穩定的陰極斑點,同樣使得電弧被吸引至激光作用點附近,從而使原本飄忽不定的電弧前端趨于穩定,焊接過程的穩定性也得到大大提高.

2.2 激光功率對電信號的影響

為了科學地評價焊接過程的穩定性,利用漢諾威分析儀對低功率激光誘導MIG電弧以及單獨MIG電弧焊接鍍鋅板的電信號進行測試采集,具體的焊接參數為I=90 A,U=18 V,P=400 W,Vw=0.6 mm/min,Dlw=2 mm,df=0,然后將采集到的電流、電壓值繪制成隨時間變化的曲線,曲線越集中,焊接過程越穩定.圖4分別為單獨的MIG電弧焊與加入100、300、500 W激光的誘導焊的電流、電壓隨時間變化的趨勢.

圖4 不同激光功率下電信號隨時間變化的趨勢

通過對比可直觀看出,與單獨的MIG電弧焊相比,當激光功率較小,如100 W時,誘導焊電流、電壓未發生明顯變化;當激光功率逐漸增大至300、500 W時,誘導焊電流變化仍不明顯,但是燃弧階段電壓的波動幅度明顯縮小,電壓隨時間變化的曲線更加集中,電壓值也明顯減小,由此可知隨著激光功率的逐步增大,激光誘導MIG電弧焊接鍍鋅板的過程也逐漸趨于穩定.

為了進一步找出激光對焊接電流、電壓的影響規律,將相同焊接條件下多次低功率激光誘導MIG電弧焊接過程的焊接電流和電弧電壓取平均值作為這一焊接條件下的電流、電壓值,從而得到焊接電流、電壓隨激光功率變化的趨勢圖,如圖5.結果顯示,激光功率從0增加至500 W時,與單獨的MIG電弧焊接鍍鋅板相比,誘導焊平均焊接電流有增大趨勢但是變化幅度很小;誘導焊平均電壓小于單獨MIG電弧焊平均電壓,并且隨著激光功率的增加,誘導焊平均電壓減小幅度增大,當激光功率達到500 W時,誘導焊平均電壓降低約2 V.

圖5 焊接電流、電壓隨激光功率變化的趨勢

2.3 激光功率對熔滴過渡的影響

從之前的研究中可以發現,單獨的MIG電弧以及低功率激光誘導MIG電弧焊接鍍鋅板的過程中,熔滴以短路過渡的方式進入到熔池當中.根據短路過渡的特點可知,焊接過程中存在規律性的燃弧和熄弧現象,反映在電壓信號上即為存在電壓趨向于0的時刻,因此通過比較圖4中的電壓隨時間變化的趨勢可知,在單獨的MIG電弧焊接鍍鋅板時,如圖4(a),存在較多電壓趨于0的時刻,即存在多次熔滴過渡的現象,但是可以明顯看出該過程中熔滴過渡的規律性較差,存在短時間內的多次熔滴過渡的現象,如0.2～0.5 s時間段內;也存在較長時間內僅有幾次熔滴過渡的現象,如0.5～0.9 s時間段內,這種熔滴過渡的不規律性,表明焊接過程十分不穩定.隨著誘導焊過程中激光功率的不斷增加,從圖4(b～d)中電壓隨時間變化的趨勢可知,電壓趨于0的時刻規律性明顯增加,如激光功率P=500 W時,也反映出該焊接過程更加穩定.

2.4 激光功率對焊縫成形的影響

單一MIG電弧和低功率激光誘導MIG電弧焊接鍍鋅鋼板搭接接頭典型焊縫表面成型如圖6,焊接參數為I=90 A,U=18 V,P=400 W,Dlw=2 mm,df=0,Vw=0.7 mm/min.

圖6 MIG焊與激光誘導焊典型焊縫表面形貌對比

在同一焊道中,焊縫前半部分采用低功率激光誘導MIG電弧焊接,后半部分采用MIG電弧焊接.單一MIG電弧焊縫表面紋路稀疏、存在飛濺嚴重而導致焊縫不均勻的現象;低功率激光誘導MIG電弧焊縫表面成型美觀,形成了無飛濺的、連續的、表面平滑致密無缺陷的均勻焊縫.另外,兩種焊接方式由于MIG電弧的存在,加熱區域不容易精確控制,在焊縫周圍都存在不同寬度的黑色鋅層燒損帶,這對工件使用過程中的防腐性能產生了影響.

3 結論

(1) 激光在工件表面的作用點,對電弧有著明顯的吸引作用,使受鋅蒸汽影響而飄忽不定的電弧邊緣牢牢地固定在工件表面,增加了焊接過程的穩定性.

(2) 低功率激光的加入,能夠縮小焊接電流、電弧電壓的波動幅度,使整個焊接過程變得更加穩定,熔滴過渡變得更加規律;另外,低功率激光的加入對焊接電流的大小影響不大,但是會降低MIG電弧電壓約2～3 V.

(3) 激光的加入能大大提高熔滴過渡的穩定性,使熔滴過渡的時間間隔趨于一致.