激光-双丝MIG复合焊

激光-双丝MIG复合焊

原理及意义：

激光-双丝MIG复合焊是将两个电弧同时作用于一个熔池的焊接方法，这种焊接方法优势在于可以大幅度提高焊接速度，减少单位时间内焊缝的热输入，可以用于薄板的高效焊接。由于在一个熔池中有两个电弧，从而改变了电弧对熔池的热量分布、熔池形状和液态金属流动状态，提高了熔池边缘处的加热情况，改善了熔池的润湿能力，同时双丝也提供了充足的熔化金属，从而抑制了咬边的出现。原理如图1所示：

图1 激光双电弧复合焊接

双丝脉冲 MIG 焊中存在两个电弧等离子体，而在复合焊接中，激光的加入会产生光致等离子体．光致等离子体与两个电弧等离子体三者之间存在复杂的耦合机理和相互作用，光致等离子体的出现使工件表面的等离子体浓度增加，引弧电阻降低．同时由于激光作用产生的金属蒸气和小孔周围的高温等离子体为电弧提供了一个稳定的阴极斑点，能够引导电弧的弧柱，而导致电弧偏向激光作用区域的小孔处，使电弧能量更加集中，电弧的电流密度增加．

由于激光+双MIG/MAG 电弧复合焊接过程中，双电弧的同时燃烧保证了焊接过程足够大的熔敷率和焊接效率，激光的加入又会对双电弧起到一个吸引的稳定作用，同时保证焊缝的形成具有足够的熔深。这种焊接方法下，虽然同时有三种热源作用于工件上同一部位，但是由于焊接速度可以达到很大，所以整个焊接过

程的线能量较小，保证了焊接过程节能高效的进行。

综合国内外已有的激光+电弧复合焊接方法的研究成果可知，近几年来国内外对激光+MIG复合焊接方法的关注度在不断增长，但是这些研究主要集中在激光与单电弧复合焊接方法的工艺研究与焊接过程模拟上，而对激光+双丝 MIG复合焊接方法及技术的研究几乎没有。激光-双丝 MIG 复合焊接方法不是在激光-单丝 MIG 复合焊的基础之上再简单地加入一个电弧，除了激光与电弧之间的耦合作用外，两个电弧之间也有复杂的交互作用，电弧之间的距离大小、焊枪夹角大小、电源供电模式的不同、激光作用点的改变等均会使整个焊接过程热场、力场、流场、电场、磁场以及三个热源之间的耦合机制发生变化，进而影响熔滴过渡、焊缝成形和微观组织。作为焊接加热的直接热源，激光复合电弧的性质对于整个焊接过程具有决定的意义，了解激光与双丝 MIG 电弧的相互作用方式与作用机理，对进一步的研究激光+双丝 MIG复合焊接方法及工艺具有指导性意义。

激光-双丝MIG复合焊的试验系统

激光 + 双丝脉冲 MIG /MAG 复合焊系统由焊接系统及检测系统两部分组成．其中焊接系统由激光器、两台焊接电源、两台送丝机、两把焊枪及一个脉冲协调控制器组成，两根焊丝分别使用独立的导电嘴及气体喷嘴．检测部分由两个电流传感器、两个电压传感器、一套高速摄像系统及两台工业计算机组成．为检测激光 + 双丝脉冲 MIG /MAG的稳定性，需要将激光器与高速摄像系统、电流及电压传感器之类的多种仪器通过控制计算机将它们协调统一起来，具体试验连接如图2 所示．

图 2 激光+ 双丝脉冲MIG 复合焊系统

已经研究过的方向：

A.保护气体对激光+双丝 MAG 复合焊焊缝形貌和电弧特性的影响

１实验材料：

焊接试验选用母材为 Q235 低碳钢，焊丝为 H08Mn2Si A(直径 1．2 mm)进行平板堆焊焊接试验。研究了保护气体为φ (Ar)80％＋φ (CO2)20％(情况 A)和φ (Ar)40％＋φ (CO2)10％＋φ (He)50％(情况 B)时对激光＋双丝 MAG 复合焊焊缝表面成形和电弧特性的影响。利用 Lab VIEW 信号采集系统和高速摄像系统同步采集焊接电流、电弧电压波形和电弧形态。焊接过程中激光功率 1．8 k W，离焦量为 0，两焊丝和激光的空间摆放位置如图 1 所示，其中 R1＝5 mm，R2＝6 mm。

图 3 激光＋双丝 MAG 复合焊焊丝空间位置示意图

２实验结果分析：

图 4 两种不同保护气体对应的焊缝表面成形

结果表明，(1)在焊缝表面和焊道两侧边缘处，发现有斑点状、不连续的氧化物肉眼可见，保护气体为φ(Ar)80％＋φ (CO2)20％时对应氧化物含量高于保护气体为φ (Ar)40％＋φ (He)50％＋φ (CO2)10％；保护气体为φ (Ar)80％＋φ (CO2)20％时比保护气体为φ (Ar)40％＋φ (He)50％＋φ(CO2)10％时对应的焊缝熔宽要小。

(2)保护气体为φ (Ar)80％＋φ (CO2)20％比保护气体为φ (Ar)40％＋φ

(He)50％＋φ (CO2)10％含有的 CO2比例高，使 CO2气体对电弧冷却作用增强，减弱了激光对电弧的稳定作用，断弧次数多。

B.激光-MIG 双丝复合焊电弧特性与熔滴过渡研究

１试验材料：

试验用母材为 Q235 低碳钢，工件尺寸为200 mm×100 mm×8 mm。试验前将工件表面打磨干净，防止油污、铁锈等影响焊接过程及质量。试验用焊丝为H08Mn2Si A，直径为 1.2 mm。保护气体为纯氩(Ar)气体。试验过程中采用表面堆焊方式来研究激光- MIG 双丝复合焊接过程。

试验中所用的焊接参数如下表所示：

２结论

(1) 与 MIG 双丝焊接相比，加入激光后焊接过程更稳定，并且随着激光功率的增加，电弧稳定性先增加后减小，在 1 000 W 附近焊接过程最稳定。在送丝速度达到 4 m/min 后焊接过程稳定性较好。在光丝间距增加到 6 mm 时，激光对两个电弧的耦合作用减弱，焊接过程出现不稳定的情况。

(2) 随着激光功率的增加，电弧的偏转角度先减小后增加。在 1 000～1 400 W 时变化角度最小，约为12.7°及17°。随着送丝速度的增加，电弧偏转角度呈现先增加后减小的趋势，最大偏转角度出现在送丝速度 vf1=vf2=3 m/min 时，分别为16.4°及20.1°。随着光丝间距的增加，电弧偏转角度呈现先平稳后增加的趋势。最小偏转角度出现在光丝间距4 mm 时，分别为12.5°及17.6°。

(3) 在送丝速度为 4 m/min，引导丝熔滴过渡方式为粗滴过渡，跟随丝熔滴过渡方式为粗滴过渡+少量短路过渡。随着激光功率的增加，熔滴过渡频率呈现先