比较CMT与激光电弧复合焊接铝要点

比较CMT与其他电弧模式的激光电弧复合焊接在焊接铜时的异同

作者：Jan Frostevarg & Alexander F. H. Kaplan & Javier Lamas

摘要：本文中，研究了三种不同模式的激光- 电弧气保焊，即标准、脉冲和冷金属过渡（CMT）模式。该脉冲模式比标准模式更受控并且对工件的热输入更小，从而可以焊接薄板。在CMT 方式利用可控送丝和表面张力促使熔滴过渡，也因此热输入量相对于其他模型更小一些，不会出现咬边，飞溅也少于其他模式。这项研究比较了复合焊接的

3种电弧弧模式，在CMT的允许限度内选择中低焊丝的沉积速率。通过扫描和高速成像研究焊缝。该研究表明，激光匙孔的出现减小了三者间的熔滴过渡的差异。匙孔的产生对融化和凝固过程的影响。以及不同电弧形式的主要优点和缺点

1引言

激光电弧复合焊接[1-4]，LAHW，图1中所示。将高功率激光与电弧复合集中于同一个熔池，一般间隔在0-8mm。相同的处理区域内，通常由0-分离，与自制激光焊相比，复合焊8毫米。相比于自主激光焊接，LAHW用焊丝填充焊缝，在电弧作用下形成焊缝外观。针对熔化极气保焊我们可以提出很多不同的技术。在他们之中的通用标准（也被称为“自然”）电弧模式与各种熔滴过渡模式（如喷雾，短路或球形）取决于电流和送丝速率。LAHW是最常见的是GMA脉冲弧焊模式，保持一脉一滴的形式向熔池进行熔滴过渡[5，6]。

最近，另一个更可控，短弧模式技术已经得到开发利用，通过控制送丝过程和表面张力进行熔滴过渡。焊丝被送进和回抽的方式去替代恒速送丝。这技术被称为冷金属过渡，CMT[7]。这个过程的优点在于，降低丝沉积的成本，熔滴传递而不是飞入熔池，因此只需要融化焊丝的电功率即可。在传统的弧焊中，对CMT 模式是用来焊接薄板，它也常常能有更高的焊接速度以较少的热输入和更好的整体焊接质量（更少的飞溅和咬边）与其他电弧模式相比。最近，CMT已用于LAHW 去焊接单程2毫米厚的铝板[8]，1毫米的钢板和多道焊15毫米钢[9，10]。

焊接质量和抗疲劳性能主要由表面成型决定[11，12]，这导致由电弧，熔滴过渡和激光匙孔所造成的电动复杂流体流动，由于电弧模式，焊接设备和参数选择，焊接过程可能会变得不稳定，从而导致不平整的表面[14，15]。对LAHW基本的理解仍处于初期阶段;但是从X射线成像，我们发现在焊接的方向上熔池被拉长了。高速成像（HSI）可以研究钢和铝的熔滴过渡和匙孔情况。根据缺口宽度，对不同的焊接情况进行了分类，自动对焦影响熔滴飞行，传热和传质[18，19]。我们可以估计出电弧力[19]，但它随着焊缝的设置和电弧模式而变化。

尽管需要大量的计算量，但整个熔滴过渡和熔池融化的流体力学计算已经被研究组研究出来[12，20]。然而以往，仅是选择性和限制性的分析了各种有关现象。

在本文中，研究了LAHW中CMT技术在焊接厚的部分时所关注的焊缝的稳定性和咬边形成问题。在CMT参数范围内将CMT模式与脉冲和标准电弧模式选择的所送丝速度进行比较中。

2方法

2.1焊接设备

在LAHW设置的图示如图。1，在该试验中使用在表1中列出的几何参数。激光用的是一个15千瓦的Yb：光纤激光器（制造商IPG激光有限公司，型号YLR-15000（光纤芯径，200微米;光束参数乘积，10.3毫米·毫弧度;波长，1070纳米）。激光是在连续波（CW）模式下，300毫米焦距聚焦在表面，光学长度直径至400μm大小（瑞利长度为±4毫米）。为防止背反射损坏光纤，所述激光施加一个轻微倾斜。该MAG焊炬在一个设置好的倾斜的地位放置。

在GMA焊接设备使用的所有三种模式（CMT，脉冲和标准）是一个福尼斯MAG动力来源TPS4000 VMT遥控。送丝机是一种结合连续进给单元VR7000用Robacta驱动单元（福尼斯），在CMT过程使金属丝端头进行的来回抽动。大部分的参数不能自由选择，因为他们是通过该系统，在不同的送丝速度的预设选择协同曲线。在这些预设中，可以进行些许调整。所用的填料焊丝为林肯SupraMIG Ultra（AWS A5.18 ER70S-6，EN ISO14341-A），铁基金属丝的直径为∅= 1.2毫米。将7毫米厚焊接钢板DOMEX420 MC D（S420 MCD，EN10149-2），激光切成50mm宽，300mm长。该黑皮喷砂前切割掉，从而改进了表面润湿性并且避免氧化物夹杂和未熔合[1]。该焊丝材料成分和钢板的材料示于表2中。施加保护气体为Mison18（82％氩，18％CO 2，EN439），其用量为20升/分钟的

流速。焊缝用多关节型机器人进行焊接（莫托曼）。

2.2实验方法

研究表明，工件[18]之间的间隙的存在影响电弧和金属流动。因此，为了正确地比较不同的弧模式中，应选择一个方行对接的设置，而不是在珠盘上测试。在这项研究中比较了3种LAHW电弧模式，CMT，脉冲和标准。用两种不同的送丝速度，低（4米/分钟）速和中（8米/分钟）速。这些送丝速率低于8.3米/分并选用一个1.2毫米直径的金属丝。送丝速率与合适的焊接速度和间隙大小相匹配。这些测试被分为3种情况（列于表3）.这三种电弧模型结合这三种情况总共形成了九个焊缝。表3还显示出了用于每个焊缝的平均电流I和电压U（设置输出的激光，电弧电源显示所提供的电弧功率）。的电功率输出推导公式PA= I·ü。

2.3分析

来评价焊接实验，该顶表面进行焊前和焊后扫描。HSI[1，3，4，17]也

在焊接实验中使用，以更好地分析改变焊缝的表面几何形状的原因。HIS和扫描的实验数据可以在文献[3，4]中找到。特别是，HIS中提出的条纹分析[17]研究的反应进行过程的稳定性。机和性能的统计分析，例如余高，咬边，横向变形是研究的一个重要组成部分，在以下部分中会更详细地描述。此外，焊接试样的横截面的宏观组织用来研究HAZ与焊缝焊缝。

3结果与讨论

指定的九个LAHW焊缝的恒指序列在表三中列出，后面是能量输入比较.基于表面的拓扑扫描（焊缝高度，横向位置和退刀槽），也提出了焊接表面的稳定性。最后，由条纹图像分析和现象理论说明电弧的模式的不同的行为。

3.1高速成像

熔池表面的典型的高速图像是图2a（后侧在记录中是不可见的）。在示出的