YAG激光+脈沖雙MIG電弧復(fù)合焊接熱源耦合機(jī)理及工藝研究.pdf

1、YAG激光+脈沖雙電弧復(fù)合焊接是在激光焊與雙絲焊的基礎(chǔ)之上將復(fù)合焊的理念加以拓展,開發(fā)出的一種新型的焊接加工技術(shù)。目前,國內(nèi)外對于復(fù)合焊的研究主要集中在激光與單電弧復(fù)合焊接方法的工藝研究與焊接過程模擬上,而對激光+雙MIG/MAG復(fù)合焊接方法及其耦合機(jī)理本質(zhì)的研究幾乎沒有。
　　YAG激光+雙MIG/MAG復(fù)合焊接過程中除了激光與電弧之間的耦合作用外,兩個電弧之間也有復(fù)雜的交互作用,電弧之間的距離大小、焊槍夾角大小、電源供電模式的

2、不同、激光作用點(diǎn)的改變等均會使整個焊接過程熱場,力場,流場,電場,磁場以及三個熱源之間的耦合機(jī)制發(fā)生變化,進(jìn)而影響熔滴過渡、焊縫成形和微觀組織。作為焊接加熱的直接熱源,激光復(fù)合電弧的性質(zhì)對于整個焊接過程具有決定的意義,了解激光與雙MIG/MAG電弧的相互作用方式與作用機(jī)理,對進(jìn)一步的研究激光+雙脈沖MIG/MAG復(fù)合焊接方法工藝具有指導(dǎo)性意義。本文系統(tǒng)地研究了Q235低碳鋼YAG激光+脈沖雙絲MIG復(fù)合焊接工藝特點(diǎn)及激光與雙MIG電弧耦

3、合機(jī)制。
　　1.利用自行搭建的YAG激光+脈沖雙絲MIG復(fù)合焊接系統(tǒng),系統(tǒng)地研究了Q235低碳鋼YAG激光+脈沖雙絲MIG復(fù)合焊接工藝特點(diǎn)。試驗(yàn)結(jié)果表明:YAG激光的加入,改變了焊接熔池液態(tài)金屬的流動方式。與雙MIG電弧焊接相比,YAG激光+脈沖雙絲MIG復(fù)合焊這種向熔池底部傳熱的熔池金屬流動形式,有利于促使復(fù)合焊接熔池表面激光作用區(qū)域的高溫、過熱的液態(tài)金屬向下運(yùn)動,從而更多的熱量被帶到熔池底部而增加了焊接熔深。YAG激光+雙M

4、IG電弧復(fù)合焊接過程中,激光在工件表面作用區(qū)域由于金屬蒸汽多、電子密度大而作為陰極斑點(diǎn),穩(wěn)定MIG電弧弧根,有效解決Q235低碳鋼高速焊接時出現(xiàn)的咬邊、斷續(xù)等缺陷,獲得連續(xù)、平滑的焊縫。Q235低碳鋼YAG激光+雙MIG電弧復(fù)合焊與雙MIG焊焊縫組織對比發(fā)現(xiàn),激光復(fù)合前后,焊縫區(qū)、熔合區(qū)以及熱影響區(qū)的金相組織形態(tài)基本相同,只是YAG激光+雙MIG電弧復(fù)合焊焊縫晶粒更為細(xì)小。
　　2.利用光譜儀、采集卡和高速攝像機(jī)同步采集了YAG激

5、光+脈沖雙MIG電弧復(fù)合焊接過程中的電壓、電流信號,光譜輻射信號,電弧形態(tài)以及熔滴過渡過程,結(jié)果表明:YAG激光的加入加速熔池表面金屬蒸發(fā)電離,在熔池表面激光作用點(diǎn)附近形成包含大量導(dǎo)電粒子的電離通道,電弧被吸引至狹窄的電離通道處燃燒而導(dǎo)致弧柱橫截面縮小。YAG激光的加入,能夠降低MIG電弧電壓,促進(jìn)MIG電弧引弧,同時穩(wěn)定電弧的陰極斑點(diǎn),促進(jìn)高速條件下電弧的穩(wěn)定、規(guī)律燃燒,提高了復(fù)合焊接過程穩(wěn)定性。激光應(yīng)處于兩個電弧之間,且與雙個電弧之

6、間的距離存在最佳范圍值,在這個范圍內(nèi)兩個電弧對激光的電磁作用力基本相等,激光等離子體內(nèi)部的電子受到兩側(cè)電弧產(chǎn)生的洛倫茲力和電場力大致平衡,電子比較均勻地分布在等離子體中,此時,激光等離子體不發(fā)生偏移,兩側(cè)電弧穩(wěn)定燃燒。間距過小或激光偏向其中一個電弧時,都會因?yàn)榧す獾入x子體內(nèi)部的平衡被破壞而導(dǎo)致的電弧陰極斑點(diǎn)的不穩(wěn)定;而間距過大時,又會因?yàn)榧す獾入x子體與電弧等離子體分離而失去復(fù)合的作用。在激光的熱輻射、高溫等離子體的反作用力、表面張力的改

7、變的綜合作用下,復(fù)合焊接的熔滴質(zhì)量為雙MIG焊的2倍左右,焊接熔滴過渡頻率降低,與雙MIG電弧焊相比,過渡頻率降低10~20％。
　　3.通過對YAG激光+雙MIG電弧復(fù)合等離子體輻射強(qiáng)度、電子溫度、電子密度空間分布的研究表明:激光復(fù)合后,沒有新的線譜增加,但是光譜輻射強(qiáng)度明顯大于雙MIG焊,與雙MIG焊接電弧相同區(qū)域相比,激光作用點(diǎn)上方復(fù)合焊接電弧弧柱區(qū)形成強(qiáng)烈收縮且該局部收縮區(qū)域的電子溫度、電子密度升高,而遠(yuǎn)離復(fù)合焊電弧弧柱收

8、縮區(qū)位置的差別不大,兩個電弧等離子體被吸引靠攏到激光作用線附近,最高溫度點(diǎn)也隨之偏向激光作用線。激光作用線附近的電子溫度隨著雙絲間距的減小及激光功率的增大而增加。YAG激光+雙MIG復(fù)合等離子體符合局部熱力學(xué)平衡條件。
　　4.從非線性理論出發(fā)對YAG激光+雙MIG電弧復(fù)合焊接電流的最大Lyapunov指數(shù)(LE)計(jì)算,結(jié)果表明:YAG激光+雙MIG電弧復(fù)合焊接是一個復(fù)雜的混沌過程,LE的大小與焊接過程的穩(wěn)定性有著緊密的聯(lián)系,即焊