NdYAG激光+CMT复合热源电弧形态和熔池形貌
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2． 1 激光功率对电弧形态的影响 图 1 为焊接电流 I = 150 A，焊接速度 vH = 0． 6
m / min，光丝间距 DLA = 3 mm，离焦量△f = 3 mm，不 同激光功率 YAG + CMT 复合热源焊接的电弧形态． 高速摄 像 记 录 电 弧 图 像 均 在 焊 接 稳 定 时 段 内 完 成，以4 000 帧 / s 记 录 电 弧 图 像 ． 白 实 线 与2 卷
图 1 激光功率对电弧形态的影响 Fig. 1 Arc configurations versus different laser power
点处 为 激 光 入 射 点，在 试 验 中 激 光 作 用 点 不 变． 图 1a 为 CMT 热源焊接时，焊丝开始送进时的电弧 形态，图 1 中 时 间 均 以 开 始 记 录 时 间 为 起 点， 0． 124 000 s 表示距离高速摄像开始记录时间点． 如 图 1 所示，在 CMT 热源焊接中加入激光后，并没有 产生电弧作用区向激光作用点明显偏移的现象，且电 弧根部也没发现明显收缩现象，可见 YAG + CMT 复 合热源焊接中激光对电弧的吸引和压缩作用很弱． 2． 2 激光功率对熔池形貌的影响
激光对电弧形态和熔池形貌的影响主要体现在 激光功率、光丝间距两个焊接工艺参数的变化上，文 中主要通过自行建立的高速摄像系统采集了不同激 光功率和光丝间距下 Nd: YAG 激光 + CMT 电弧复 合热源焊接的电弧和熔池图像，分析了激光功率和 光丝间距分别对电弧形态和熔池形貌的影响．
2 试验结果与分析
第3 2卷 第3期
焊接学报
2 0 1 1 年 3 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol． 3 2 No． 3 March 2 0 1 1
Nd: YAG 激光 + CMT 复合热源电弧形态和熔池形貌
刘西洋1，2 ， 孙凤莲1 ， 王旭友2 ， 王 威2
( 1． 哈尔滨理工大学 材料学院，哈尔滨 150040; 2． 哈尔滨焊接研究所，哈尔滨 150080)
摘 要: 以 304 不锈钢为研究对象，借助高速摄像记录了 YAG 激光 + CMT 复合热源焊 接的电弧形态和熔池形貌，研究了不同激光功率和光丝间距下的 YAG 激光 + CMT 复合 热源焊接的电弧形态和熔池形貌，并与 CMT 焊接进行了比较，分析了 YAG 激光 + CMT 复合热源焊接的电弧形态和熔池形貌发生变化的机理． 结果表明，在 Nd: YAG 激光 + CMT 复合热源焊接中，激光改善了焊接熔池形貌，减少了飞溅的产生，但对电弧形态的 影响不大; 当激光功率和电弧功率一定时，YAG 激光和 CMT 电弧及 YAG 激光和 CMT 熔池的耦合程度与光丝间距有关，试验条件下，光丝间距 DLA = 3 mm 时，两者耦合程度 都达到最佳． 关键词: 激光焊接; 复合焊接; CMT 焊接; 电弧形态; 焊接熔池 中图分类号: TG456 文献标识码: A 文章编号: 0253 － 360X( 2011) 03 － 0081 － 04
图 2 为焊接电流 I = 150 A，焊接速度 vH = 0． 6 m / min，离焦量△f = 3 mm，光丝间距不同激光功率 YAG + CMT 复合热源焊接的熔池形貌． 虚线与工件 交点处为熔池前沿，以 CMT 熔池前沿为标准点，衡 量熔池前沿与焊丝作用点距离的 变 化． 图 2a 为 CMT 焊时，复合焊的熔池形态，0 mm 代表焊丝作用 点与熔池前沿的距离． 从图 2a，d 中可知，单独 CMT 和 YAG + CMT 焊接熔池形貌发生了明显变化，特别 是熔池前沿，加入激光后，激光作用熔池与 CMT 作 用熔池耦合在一起，加大了焊丝作用点与熔池前沿 的距离，减 少 了 飞 溅 的 产 生，与 光 丝 间 距 的 影 响 类 似． 从图 2b，c，d 可知，随激光功率的增加，焊丝作 用点与熔池前沿的距离增大( 最大值受光丝间距制 约) ，激光和 CMT 的熔池耦合越好． 这是因为随着 激光功率的增加，激光熔池以激光作用点为中心向 外扩大，减少了激光和 CMT 熔池表面积梯度，所以 激光和 CMT 的熔池耦合越好． 图 3 为焊接电流 I = 80 A，焊 接 速 度 vH = 0． 6 m / min，光 丝 间 距 DLA = 3 mm，离焦量△f = 3 mm 时不同激光功率下的熔池 形貌． 图 3a 为激光功率 P = 0． 6 kW 时，复合焊熔池 形态，图 3b 为激光功率 P = 2． 0 kW 时，复合焊熔池 形态．
目前，在国内外 CMT 复合其它热源相关报道极 少，尤其是激光 + CMT 复合热源的电弧形态和熔池 形貌方面的研究还没有相关报道． 文中自行建立了 一套高速摄像系统，通过试验研究了不同激光功率 和光丝间距下 YAG 激光 + CMT 复合热源焊接的电 弧形态和熔池形貌，分析了 YAG 激光 + CMT 复合 热源焊接的电弧形态和熔池形貌发生变化的机理．
刘西洋
0序 言
1 试验方法
激光—电弧复合焊接作为一种新兴的特种激光 加工 技 术，一 直 为 国 际 焊 接 界 的 研 究 热 点 之 一． CMT( cold metal transfer) 冷金属过渡技术［1］由 Fronius 公司 2002 年研究成功，CMT 技术的出现，赋予 了 MIG / MAG 一种新的熔滴过渡的形式，这种熔滴 过渡形式实现了送丝过程与焊接过程( 熔滴过渡过 程) 的统一，即熔滴的过渡过程是由送丝运动变化 来控 制 的，焊 丝 的“前 送—回 抽”频 率 高 达 到 70 次 / s，使 CMT 焊接具有焊接热输入低，变形小，焊接 速度快，电弧稳定，飞溅小，焊缝质量重复精度高等 优点，但因其热输入低，熔深浅，限制了其应用范围， 为此文中在 CMT 焊接过程中加入激光，解决了 CMT 焊接熔深浅的问题．
收稿日期: 2010 － 03 － 17 基金项目: 国家“十一五”科技支撑计划资助项目( 2006BAF04B10) ;
机械科学研究总院技术发展基金资助项目( 20080601)
激光器为德国 HAAS 公司生产的 HL2006D 型 大功率连续输出 Nd: YAG 固体激光器，激光器额定 功率为 2 kW，MIG 焊机为奥地利 Fronius 公司生产 的 TPS4000 CMT 数字化电源，对于一定材料和直径 的焊丝，焊接电流、电弧电压、送丝速度等焊接参数 一体化调节． 自行研制的高精度直线行走机构，行 程 1． 6 m，最大焊接速度 10 m / min，高速摄像采用的 是 Photron 公司 FastCam Ultima 512 型高速摄像采集 系统．
m / min，光丝间距 DLA = 3 mm，离焦量△f = 3 mm，不 同激光功率 YAG + CMT 复合热源焊接的电弧形态． 高速摄 像 记 录 电 弧 图 像 均 在 焊 接 稳 定 时 段 内 完 成，以4 000 帧 / s 记 录 电 弧 图 像 ． 白 实 线 与2 卷
图 1 激光功率对电弧形态的影响 Fig. 1 Arc configurations versus different laser power
点处 为 激 光 入 射 点，在 试 验 中 激 光 作 用 点 不 变． 图 1a 为 CMT 热源焊接时，焊丝开始送进时的电弧 形态，图 1 中 时 间 均 以 开 始 记 录 时 间 为 起 点， 0． 124 000 s 表示距离高速摄像开始记录时间点． 如 图 1 所示，在 CMT 热源焊接中加入激光后，并没有 产生电弧作用区向激光作用点明显偏移的现象，且电 弧根部也没发现明显收缩现象，可见 YAG + CMT 复 合热源焊接中激光对电弧的吸引和压缩作用很弱． 2． 2 激光功率对熔池形貌的影响
激光对电弧形态和熔池形貌的影响主要体现在 激光功率、光丝间距两个焊接工艺参数的变化上，文 中主要通过自行建立的高速摄像系统采集了不同激 光功率和光丝间距下 Nd: YAG 激光 + CMT 电弧复 合热源焊接的电弧和熔池图像，分析了激光功率和 光丝间距分别对电弧形态和熔池形貌的影响．
2 试验结果与分析
第3 2卷 第3期
焊接学报
2 0 1 1 年 3 月 TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUTION
Vol． 3 2 No． 3 March 2 0 1 1
Nd: YAG 激光 + CMT 复合热源电弧形态和熔池形貌
刘西洋1，2 ， 孙凤莲1 ， 王旭友2 ， 王 威2
( 1． 哈尔滨理工大学 材料学院，哈尔滨 150040; 2． 哈尔滨焊接研究所，哈尔滨 150080)
摘 要: 以 304 不锈钢为研究对象，借助高速摄像记录了 YAG 激光 + CMT 复合热源焊 接的电弧形态和熔池形貌，研究了不同激光功率和光丝间距下的 YAG 激光 + CMT 复合 热源焊接的电弧形态和熔池形貌，并与 CMT 焊接进行了比较，分析了 YAG 激光 + CMT 复合热源焊接的电弧形态和熔池形貌发生变化的机理． 结果表明，在 Nd: YAG 激光 + CMT 复合热源焊接中，激光改善了焊接熔池形貌，减少了飞溅的产生，但对电弧形态的 影响不大; 当激光功率和电弧功率一定时，YAG 激光和 CMT 电弧及 YAG 激光和 CMT 熔池的耦合程度与光丝间距有关，试验条件下，光丝间距 DLA = 3 mm 时，两者耦合程度 都达到最佳． 关键词: 激光焊接; 复合焊接; CMT 焊接; 电弧形态; 焊接熔池 中图分类号: TG456 文献标识码: A 文章编号: 0253 － 360X( 2011) 03 － 0081 － 04
图 2 为焊接电流 I = 150 A，焊接速度 vH = 0． 6 m / min，离焦量△f = 3 mm，光丝间距不同激光功率 YAG + CMT 复合热源焊接的熔池形貌． 虚线与工件 交点处为熔池前沿，以 CMT 熔池前沿为标准点，衡 量熔池前沿与焊丝作用点距离的 变 化． 图 2a 为 CMT 焊时，复合焊的熔池形态，0 mm 代表焊丝作用 点与熔池前沿的距离． 从图 2a，d 中可知，单独 CMT 和 YAG + CMT 焊接熔池形貌发生了明显变化，特别 是熔池前沿，加入激光后，激光作用熔池与 CMT 作 用熔池耦合在一起，加大了焊丝作用点与熔池前沿 的距离，减 少 了 飞 溅 的 产 生，与 光 丝 间 距 的 影 响 类 似． 从图 2b，c，d 可知，随激光功率的增加，焊丝作 用点与熔池前沿的距离增大( 最大值受光丝间距制 约) ，激光和 CMT 的熔池耦合越好． 这是因为随着 激光功率的增加，激光熔池以激光作用点为中心向 外扩大，减少了激光和 CMT 熔池表面积梯度，所以 激光和 CMT 的熔池耦合越好． 图 3 为焊接电流 I = 80 A，焊 接 速 度 vH = 0． 6 m / min，光 丝 间 距 DLA = 3 mm，离焦量△f = 3 mm 时不同激光功率下的熔池 形貌． 图 3a 为激光功率 P = 0． 6 kW 时，复合焊熔池 形态，图 3b 为激光功率 P = 2． 0 kW 时，复合焊熔池 形态．
目前，在国内外 CMT 复合其它热源相关报道极 少，尤其是激光 + CMT 复合热源的电弧形态和熔池 形貌方面的研究还没有相关报道． 文中自行建立了 一套高速摄像系统，通过试验研究了不同激光功率 和光丝间距下 YAG 激光 + CMT 复合热源焊接的电 弧形态和熔池形貌，分析了 YAG 激光 + CMT 复合 热源焊接的电弧形态和熔池形貌发生变化的机理．
刘西洋
0序 言
1 试验方法
激光—电弧复合焊接作为一种新兴的特种激光 加工 技 术，一 直 为 国 际 焊 接 界 的 研 究 热 点 之 一． CMT( cold metal transfer) 冷金属过渡技术［1］由 Fronius 公司 2002 年研究成功，CMT 技术的出现，赋予 了 MIG / MAG 一种新的熔滴过渡的形式，这种熔滴 过渡形式实现了送丝过程与焊接过程( 熔滴过渡过 程) 的统一，即熔滴的过渡过程是由送丝运动变化 来控 制 的，焊 丝 的“前 送—回 抽”频 率 高 达 到 70 次 / s，使 CMT 焊接具有焊接热输入低，变形小，焊接 速度快，电弧稳定，飞溅小，焊缝质量重复精度高等 优点，但因其热输入低，熔深浅，限制了其应用范围， 为此文中在 CMT 焊接过程中加入激光，解决了 CMT 焊接熔深浅的问题．
收稿日期: 2010 － 03 － 17 基金项目: 国家“十一五”科技支撑计划资助项目( 2006BAF04B10) ;
机械科学研究总院技术发展基金资助项目( 20080601)
激光器为德国 HAAS 公司生产的 HL2006D 型 大功率连续输出 Nd: YAG 固体激光器，激光器额定 功率为 2 kW，MIG 焊机为奥地利 Fronius 公司生产 的 TPS4000 CMT 数字化电源，对于一定材料和直径 的焊丝，焊接电流、电弧电压、送丝速度等焊接参数 一体化调节． 自行研制的高精度直线行走机构，行 程 1． 6 m，最大焊接速度 10 m / min，高速摄像采用的 是 Photron 公司 FastCam Ultima 512 型高速摄像采集 系统．