双光束激光-TIG复合焊电弧特性分析.pdf

mem生产用蜉蕊
双光束激光-TG复合焊电弧特性分析
机楲科学研究院哈尔滨焊接研究所(150028)杨海锋黄瑞生常云峰杨义成王保全
中车唐山机车车辆有限公司(063035)牛鑫成
摘要从TIG电弧波动特征方面分别研究了铝合金高功率单光東激光-TIG复合焊和双光東激光-TG复合
焊焊接过程的差别。试验结果表明,双光束-TIG复合焊的电弧电压分布更集中,即双光束-TG复合焊的电弧电
压相对稳定。在试验条件下,当焊接参数相同时,双光東-TC电弧电压的变异系数随激光功率的增加而减小,单
光束-TG的电弧电压变异系数随激光功率的增加而增加,并且在激光功率密度较小时,单光束-TIG的电压变异
系数小于双光束-TG及单TC。在激光功率密度较大时,电压变异系数为单光東-TG>TG>双光東-TIC;在
相同的焊接参数下,双光束激光-TG复合焊的焊缝表面成形较单光束激光-TG复合焊的均匀连续。
关键词;铝合金双光束激光复合焊电弧特征
中图分类号;TG456.7
0序言
司的 Trudisk6002连续输出型碟式激光器,TG电源
为奥地利 Fronius公司生产的MW4000交直流TC焊
铝合金高的比强度、优异的耐蚀性及易于加工等机,试验过程利用汉诺威AHXV型电弧分析仪仪对
一系列优异的特点,使其在结构轻量化设计方面具有TIC电弧的电压进行采集。试验采用平板堆焊方式,
较大的优势?。激光焊以其大穿透比、高焊速以及小试板尺寸300mmx100mmx12mm。焊接过程采用
变形等特点成为结构件实现优质高效焊接的一种重要氩气保护,双光束采用光学镜片分光获得,能量分配
的焊接方法。但是由于铝合金的低熔、沸点,液态下为1:1,零焦处光斑间距d=0.6m,该试验双光束激
低的黏度、低电离能以及高的热导率等特性,使得铝合光均采用串行排布的模式,试验工作原理如图1所
金的激光焊成形稳定性差,焊缝气孔严重。为了解示
决上述问题,有学者在优化工艺参数的基础上提出了
双光束激光焊
目前,国内外学者从焊缝成形、气孔率、激光匙孔
串行模式
及光致等离子体特征等方面验证了双光束激光焊较单
激光束
焊接方向
光束激光焊具有更高的稳定性。但是,对双光東激光
焊接方向
与电弧复合焊及该复合焊电弧稳定性的研究较少?。
TG焊炬
并行模式
文中利用汉诺威AHXV型电弧分析仪来采集电弧
电弧
电压的动态变化信息,从其统计规律去对比单光束激
焊繼
光-TIG复合焊与双光束激光-TG复合焊过程中电
弧的稳定性特征,并以焊缝的成形稳定性作为该结论
图1试验原理图
的辅助证明,为铝合金双光束激光-TG复合焊接技术
试验只改变激光功率P,研究其它参数不变时,激
的应用提供试验依据。
光功率对单光束激光-TG电弧复合焊及双光束激光
试验方法
TC电弧电压的影响,试验参数见表1,TC电弧的电
流为交流模式,电流采用矩形波形式,占空比为50%,
试验材料为5A06铝合金,激光器为德国Tump[公交流频率为60Hz,电流偏移为20%。
试验以焊缝成形的均匀性验证电弧稳定性,而焊
收稿日期:2016-10-26
缝成形的好坏可以用焊缝余高波动度δ表示,其定义
基金项目:国家重点研发计划项日(2016YFBI1O2100
为:在焊缝中心的纵剖面上用两条平行线去夹住焊缝
2016年第12期4
万方数据
蜉荔生产应用mtn,me
表1焊接参数
焊接模式
激光功率
焊接电流
焊接速度
光钨间距
保护气流量
P/KW
LA
/(m?min~)
Dla/mm
Q/(L
单光束-TG
120
3.0-6.0
双光東-'T1G
余高轮廓的最低点和最高点,此时两条平行线之间距复合焊,光束模式的不同导致焊接过程的稳定性不同,
离为焊缝余高波动度,如图2所示。
焊接稳定性的结果体现有焊缝成形的好坏熔深的波
由此可以得出,焊缝的成形越差,焊缝的表面鱼鳞动程度及焊缝的气孔率等,焊接稳定性的过程体现有
纹越不规则,焊缝余高波动度越大。
激光匙孔的稳定性、金属蒸汽/等离子体的稳定性、焊
平板堆焊缝缝表面轮窜悍缝最部轮
接过程飞溅的稳定性及电弧的稳定性。其中激光匙孔
的稳定性及电弧的稳定性是相互影响,互为约束的,只
有当激光匙孔及电弧两者在焊接过程中均保持相对稳
定,该复合焊的过程才是相对稳定的。已有的研究表
明,在相同的焊接参数及相同的嫆深条件下,双光束激
光及其复合焊的匙孔开口面积更大,匙孔的波动周期
图2焊缝余高波动度
更长,双光束激光及其复合焊匙孔的稳定性高于单光
2试验结果及分析
束激光及其复合焊?。
2.2电弧的稳定性
2.1激光匙孔的稳定性
电弧电压的变异系数(CW)为电弧电压的标准差与
对于单光束激光-TG复合焊及双光束激光-TC均值的比,如式(1)所示:
∑(x-Ex)
式中,o为电弧电压标准差;E、为电弧电压均值;n为
100
采集的样本点个数;x为第个采集点的电弧电压。变
异系数没有量纲,其数据大小不仅受变量值离散程度
的影响,而且还受变量值平均水平大小的影响,能更准
确地表达电弧电压的波动程度。
型阳
0.01
HD4 5
采集两种模式复合焊在相同工艺参数、相同熔深
0.0001
HSC4 5
条件下以及单TG的电压信号,如图3所示。其中,相
HSC5 0
同工艺参数时,取焊接参数为P单光東=P光東=4.5kW,
Arc-120 A
单、双光束与TG复合焊电压概率分布曲线分别为图3
电床Ui/V
中的HD4_5及HSC4_5;嫆深相同时,取熔深为4.9
mm,焊接参数为P单東=4.5kW,P東=5.0kW,单
图3复合焊在相同参数及相同嫆深下电弧电压概率分布图
双光束与TG复合焊电压概率分布曲线分别为图3中
从图3可以看出,在试验条件下,双光東激光
的HD4_5及HSC5_0;单TG电弧电压概率分布曲线为TIG的电压概率分布在更窄的范围,即电压分布更集
?3的Are-120A;未注明的焊接参数均与表1的相中,这说明电压的波动范围较小,即双光束-TG的电
弧相对稳定。
422016年第12期
万方数括