摘要

厚钢板经常用于造船、管道和其他相关的重工业，通常通过电弧焊连接。深穿透激光-电弧混合焊接可以提高生产率，但尚未彻底研究，因此通常仅限于中等厚度（5-15mm）截面的应用。主要关注的是工艺稳定性，尤其是在使用金属芯焊丝和先进焊接设备等现代焊接耗材时。高速成像允许直接观察过程，从而可以研究过程行为和现象。在本文中，使用光纤激光MAG混合工艺，在不预热的情况下使用金属芯焊丝焊接45 mm厚的高强度钢（双面对接）。在广泛的焊接参数范围内监测工艺稳定性。结果表明，通过优化工艺参数，该工艺可以成功地焊接出质量合适的厚截面。当比较传统的脉冲和更先进的冷金属转移脉冲（CMT+P）电弧模式时，发现两者都可以提供高质量的焊缝。CMT+P电弧模式可以在有限的行进速度范围内提供更稳定的液滴转移。在较高的行进速度下，观察到不稳定的金属转移机制。比较引弧和后弧布置，引弧配置可以在热源之间较长的间隔距离下提供更高质量的焊缝和更稳定的加工。

1 介绍

激光电弧混合焊接（LAHW）在重工业厚钢板的焊接中具有很高的潜力。正如Ono等人所解释的那样，这是由于与电弧焊相比，其熔深和生产率很高。Moore 等研究了与自体激光束焊接（LBW）相比，改善LAHW接头机械性能的可能性，重点是填充焊丝的组成。如今，根据Gook等人的说法，与实心焊丝相比，现代药芯或金属芯填充焊丝在低温下提供更好的焊接金属韧性。然而，该过程的实施仍然有限，部分原因是歧管参数和复杂的激光弧相互作用。

Steen使用CO₂激光束（10µm波长）和钨极惰性气体（TIG）电弧，首次使用相机对LAHW进行了观察。他确定了激光和电弧等离子体之间的相互作用，从而实现了TIG过程的稳定，从而提高了焊接速度。正如Kristensen等人所描述的，这种增强在20世纪90年代末引起了极大的兴趣，并在2000年代初广泛应用于欧洲造船重工业。现代光纤激光器具有更短的波长（1µm），可以通过光纤进行引导。这些激光器的另一个方面是，与CO₂激光器相比，在焊接区域中产生的电离等离子体的量几乎可以忽略不计。在光纤激光电弧焊接过程中，电弧等离子体与熔池中产生的蒸汽相互作用，熔池中含有金属颗粒（尤其是小孔附近），Katayama等人对此进行了研究[6]。如Hu等人所讨论的，这些颗粒的电离温度低于焊接保护气体。Cai等人和其他人解释说，这会导致电弧向锁孔方向扭曲，从而影响液滴分离和液滴轨迹。

许多实验研究都集中在混合激光电弧焊中的液滴行为上，结合了激光焊接的深度熔深优势和电弧焊的桥间隙。一致的结论是液滴行为受到激光诱导等离子体的影响。然而，关于激光的作用是阻碍还是促进液滴转移仍然存在争议。此外，液滴传输方式与焊接参数有关，例如激光功率，激光与电弧之间的距离，激光束的离焦长度和保护气体。

混合光纤激光器-MIG焊接实验系统示意图。

上图显示了混合光纤激光器-MIG焊接实验系统的示意图。该系统由焊接系统、有源高速图像采集系统、无源CCD图像采集系统和焊接电流波采集系统四部分组成。板上焊缝采用焊接系统进行，主要由固态镱光纤激光系统（YLS-5000;IPG光子公司），最大功率为 5kW，焊接电源（TPS-4000;伏能士），最大电弧电流为400A.表1显示了光纤激光器系统的主要参数。混合激光电弧焊是在激光引导电弧的情况下进行的。为了研究激光对混合激光-MIG焊接液滴行为的影响，利用我们之前工作获得的优化焊接参数来保证焊接工艺的稳定性。

生产率受焊接行进速度以及所需运行次数的影响。在足够高的行进速度下，LBW，特别是MAG工艺变得不稳定，产生质量较差的焊缝。

LAHW中的一个重要设置是激光弧间距离（DLA），Abe等人发现，对于10µm（CO₂）激光器，该距离具有稳定电弧的特定最佳值。在较高的DLA下，Hayashi等人发现热源变得更加分离，因此该过程变为串联过程，而不是与共享熔池混合。对于1µm激光器，Fellman等人报道，电弧-金属转移模式和工艺稳定性受DLA和焊枪布置（即电弧引导或尾随）的影响，其中发现用于最佳穿透的DLA距离引导焊枪的锁孔更远。原因在于，在非常短的距离处，由于熔融液滴与激光束的碰撞，存在强烈的负相互作用，激光束部分反射并降低进入锁孔开口的光束功率。向锁孔输送的波动功率会由于锁孔塌陷而导致孔隙。

示意图显示了液滴在（a）-（c）电弧焊和（d）-（f）混合焊接中的球状转移序列。

除材料混合和电弧稳定外，气隙的存在还有其他好处。如Piili等人所解释的，间隙还提供更深的穿透力并稳定锁眼。Hayashi等人在使用30kW CO₂激光器连接22-25mm厚的板时使用了1-4mm的气隙。他们认为，当电弧处于激光引导配置时，由于凹槽中存在熔融金属，在汽化反冲压力的作用下，小孔立即形成。使用该原理，可以成功地焊接具有超过激光束直径的气隙的接头。

LAHW工艺的生产率潜力对于厚截面焊接尤其高，并且在过去十年中已成为大量研究的主题，例如，对于使用1µm激光和多道焊的管道高强度低合金（HSLA）钢。由于多种非线性相关的工艺参数，LAHW中焊接参数的优化可能非常具有挑战性。对LAHW工艺稳定性的大多数研究仅限于某些情况，焊接参数集相对较窄，或涉及研究特定金属加工过程中的特定现象、设置、激光光学和条件。因此，对于使用1µm激光和CMT电弧模式的厚碳钢板中的LAHW，通常没有可用的信息。这项工作旨在解释各种条件下的过程行为，以解释可推广的过程机制，从而将研究结果用于未来的应用。这里讨论的各种参数包括：DLA、焊接行程速度、工艺设置、接头坡口准备和间隙宽度。

球状模式下的等离子体（a）电弧焊，（b）混合焊接。

2. 方法

使用金属芯焊丝将45 mm厚的板与双面LAHW连接，比较CMT + P和脉冲电弧模式在各种参数设置下的影响，以提高焊接质量和生产率。实验方法和分析如下。

2.1.设备和材料

用于实验的LAHW设置如图1（a）所示。在实验过程中，使用15 kW（IPG Laser GmbH YLR-15000）镱光纤激光器，具有：光纤芯直径为400μm，光束参数积为10.3 mm•mrad，波长为1070 nm，连续波模式，300 mm焦距光学器件，聚焦在表面以下。

图 1.实验设置：1 – 光纤激光设备;2 – MAG 设备;3 – 钢制工件;4 – 重型夹紧系统;5 – 照明脉冲二极管激光器;和 6 – 高速成像相机。

2.2变量和分析的 2.2.Design

焊接参数显示在图2的设计矩阵中。在所有实验中，激光输出通常设置为15 kW，通常为3.5-4.5 mmD洛杉矶.显著影响工艺稳定性的参数在实验之间发生了变化，包括：行进速度vt（0.5-1.2 米/分钟）、电弧模式（CMT+P，脉冲）、填充焊丝进给速率WFR（4-18 米/分钟）、割炬布置（前弧或尾弧）、板之间的气隙（0.2-1.0 毫米）和接头边缘准备（I 或 Y 槽）。接头边缘的斜面几何形状如图3所示。选择WFR来正确填充接头。根据电弧焊机的协同线设置电流、电压、脉冲持续时间和频率的电弧参数特性。

图 2.焊接参数设计矩阵。

图 3.用于焊接的准备好的坡口的几何形状：a）面根宽度为 5 mm 的 I 型坡口坡口;b） Y 型槽倒角，面根部宽度为 5 mm（不按比例）。

对于图2中的每个参数组合，都制作了一个样品，但由于焊缝的长度（根据ISO 15614-14：2013标准为500 mm），它们被认为具有生产代表性。为了评估样品，对焊缝表面进行了目视检查，并制作了横截面宏观照片（抛光和蚀刻）。在焊接过程中将HSI应用于两侧以验证相同的行为。除其他现象外，还分析了液滴转移稳定性、电弧与激光束之间的相互作用、锁孔稳定性和工艺区域中的熔体流动，因为它们对工艺稳定性至关重要。HSI示例分别显示在图4（a，b）中，分别显示了尾随弧和前导弧。

图 4.激光-MAG 混合焊接的 HSI，用于 a）拖曳焊枪布置和 b）前导焊枪布置，其中：1 – 填充焊丝;2 – 弧等离子体;3 – 熔融液滴;4 – 液体熔池边缘;5 – 激光锁孔;和 6 – 板之间的气隙。

3.结果和讨论

3.1.1.焊缝外观

沉积焊缝外观和宏观截面如图5所示。由于使用了几乎相同的参数，I型和Y型槽样品的焊缝外观非常相似（只需要稍微多一点的WFR来填充Y型槽情况下的间隙）。因此，仅显示工字槽的曲面视图。由于焊接过程中的板变形，熔深可能会随着加工过程中的轻微间隙变化而变化（在某些情况下也会导致一点底部填充）。为了防止这些问题的发生，厚板焊接的工业实施通常涉及液压夹紧。与两种槽型的前导割炬布置相比，拖曳割炬的飞溅略少，焊缝外观质量更高。飞溅物的产生可能与电弧不稳定性有关，导致落差飞行轨迹发生变化，可能导致焊缝外观的变化。一个例外是I-C1T样本（见图5（a）），无意中略短D洛杉矶（2.5-3 毫米），导致偶尔沉积的液滴爆炸和金属丝被切碎，而不是在金属丝尖端形成电弧。脉冲电弧模式提供了更好的焊接表面质量，因为电弧和液滴分离不稳定性（如断丝和液滴爆炸）的发生率较低。

图 5.I 型和 Y 型槽样品的宏观剖面和沉积焊缝外观。

3.1.2.进程行为

图6包含HSI记录的集合（i）和集合（ii）中所有情况的工艺行为的图示，显示了电弧尺寸、熔池、电弧气刨形状、熔体流动和液滴行为。还观察到液滴撞击，并指示相应的区域（如蓝色圆圈）。在I型槽和Y型槽制备样品之间未观察到显著差异。由于功率水平较高，脉冲电弧提供了更大的电弧尺寸，从而产生更深的凿痕，尤其是在领先的割炬布置中。领先的割炬布置略微减少了成型和随后的分离过程中的线材斩波和液滴爆炸，提供了更稳定的工艺。抑制线材斩波的一个可能原因是在电弧下方形成更深的气凿，该气凿填充了较低水平的熔体，从而导致更长的电弧。

图6. a-h）基于I型槽试样HSI的LAHW工艺稳定性。i）液滴轨迹偏差，用于拖尾和j）引导电弧。

对于两种焊炬布置，MDPP也发生在更受控的CMT+P电弧模式中，图6（e，g，h）。在尾焰炬设置中，当WFR为7m/min时，初始脉冲后液滴分离有时会延迟。之后，在随后的脉冲周期中的夹点效应期间，可能会发生液滴微爆炸。然而，成形和分离过程中的微爆炸对整体工艺稳定性和表面质量没有显著影响。主导火炬布置具有更好的工艺稳定性，其特征在于更平滑和规则的液滴分离。关于液滴形状，观察到在较高WFR的情况下，由于所涉及的电流较高，它们不太呈球形。

有时在短路阶段，当使用CMT+P电弧模式和增加的vt时，图7（g），填充线和熔池之间的预期接触没有发生。这会导致金属丝尖端的熔体在随后的几个脉冲中保持附着，可能会导致液滴爆炸（多个小飞溅物）或金属丝断裂。

图7 通过条纹图像（d）技术分析LAHW（Y-C1T样品）的沉积焊缝外观（a，b）和HSI（表面55°倾斜摄像机），显示了不稳定处理（e）和稳定处理（h）。

3.1.3电线切割

图8说明了电线切断机制。由于金属丝未充分缩回到与熔池的适当距离，在异常短路阶段之后发生金属丝断裂。在这样的事件之后，弧很短。在切断电线之前，似乎每个脉冲都会在电线中积聚热量，见图8（a）。电弧长度随着每个脉冲逐渐变长，但未达到其正常长度。加热的金属丝的电阻随着其温度接近熔点而增加。在3-5个脉冲后的某一点，导线过早熔化至一定距离。图8（b）。在该距离处，由于该区域电阻增加而熔化，导线在随后的脉冲（峰值电流）期间被夹持力切断，图8（c）。短切金属丝的沉积轨迹是不可预测的，这取决于重力和电弧力的总和。

图 8 断线机构。

3.2.更改进程设置时的进程行为

3.2.1.增加接头气隙

增加气隙会增加对填充材料的需求，因为沉积速率不足会产生轻微的底部填充，例如图9（a）（样品I-P3T）。与设置（i）实验相比，工字槽制备的WFR增加了1 m/min，略微提高了过程的稳定性。由于减少了电线斩波，飞溅现象显著减少。

图 9 WFR、行进速度和气隙对脉冲尾弧焊缝质量的影响.

3.2.2.行进速度、送丝速率和气隙进一步提高后的工艺稳定性

采用CMT+P，工字槽接头制备和增vt从 0.8 到 0.95 m/min（样品 I-C7T），该过程变得非常不稳定，频繁的线材切割（不同长度）、大量飞溅和一些孔隙。对于 I 型和 Y 型槽制备，使用脉冲电弧模式并将WFR增加到 13 m/min（样品 I-P8T 和 Y-P4T），可产生 MDPP 到喷雾液滴的转移，并且通过一些底部填充显著减少线材切碎，如图9（b）所示（样品 I-P8T）。也产生了非常少量的飞溅物（图9）。将WFR增加到 17 米/分钟和vt在 Y 型槽设置（Y-P5T 样品）中达到1.0 m/min，消除了电线切碎，同时还减少了孔隙率和飞溅。由于在1 mm间隙处增加vt，有一个明显的底部填充，大面积过早凝固，如图10（a-c）HSI序列所示。发现该过程相对稳定，电弧仅显示出非常轻微的变化（图10（c））。然而，由于间隙宽度，激光锁孔开口垂直低于图10（a）片材的顶面。因此，熔池偶尔会溢出到锁孔中（由于电弧压力），这可能会导致孔隙。

图 10 a-c）用于尾随脉冲电弧模式（18 m/minWFR）和 d） 焊缝外观的高行程速度 （1.2 m/min） 的 HSI 框架。MF是熔体流动，PS是过早凝固。

3.2.3.降低行驶速度和WFR

将WFR降低到 4 米/分钟，并且vt在存在0.3 mm窄间隙（I-C4T和Y-C4T样品）的情况下，为0.5 m/min，导致CMT + P短路之间没有间歇脉冲和随后的自由飞行模式的液滴分离，如图11（a-c）（样品I-C4T）所示。提供恒定短路（与熔池直接接触）而不会斩波，较弱的电弧脉冲可确保锁孔周围平静稳定的熔体流动。从HSI中发现，与具有较高WFR和行进速度的实验相比，熔体流动速度明显较慢，这表明电弧熔池流动影响并降低了激光锁孔的穿透能力。

图 11 HSI在低行驶速度（0.5米/分钟）和拖弧下使用CMT模式以4米/分钟的WFR。

3.2.4改变激光弧间距的稳定性影响

在大多数焊缝中，DLA为3.5-4.5mm，在此间隔内无法隔离或观察到明显的稳定性趋势。为了更好地观察不同DLA对工艺稳定性的影响，前弧的距离增加到8mm，后弧的距离减少到2mm。

当使用领先的脉冲电弧并将DLA从4mm增加到8mm（Y-P8L和Y-P9L样品）时，vt在0.8m/min和0.6mm气隙时，对于9和13m/min WFR，该过程变得更稳定。电弧长度变化非常小，飞溅较少，金属丝上的液滴不再撞击锁孔开口区域，见图12（a）。此外，没有观察到孔隙形成（这种孔隙可能与锁孔塌陷有关，在这种情况下没有观察到）。观察结果表明，电弧和激光相互作用程度较低，液滴转移模式仍处于MDPP到喷雾转移模式，见图12（ai，ii），可能也与WFR增加有关。结果，在这种配置中，允许利用更高的WFR，过程不稳定的概率很低。在极少数情况下，由于熔体上的电弧压力，观察到锁孔周围的熔体高度增加（熔体池中有波浪），但这似乎不会干扰该过程。

图12 不同工艺距离的HSI对不同焊炬布置（0.8 m/min vt，0.6 mm间隙）的工艺稳定性的影响，其中：A–MDPP传输模式；B——锁孔边界；C——液滴撞击面积；D——飞行轨迹偏差。

4.一般结果

从该分析中可以得出结论，高电压会导致熔融金属熔滴转移方面的焊接工艺不稳定，特别是对于CMT+P电弧模式。在高电压下，填充金属丝沉积的不稳定性，尤其是金属丝切割，与无法为电弧建立所谓的生根效应有关，也与电弧长度太短有关。这使得金属芯焊丝的应用比实心焊丝更加困难。图13是Karlsson等人首次采用的矩阵流程图（MFC）。它显示了普遍的实验趋势。注意，仅显示某些变量值的已识别趋势。只有少数几个实验获得了合适的ODPP，因为电弧会受到来自激光锁孔的凿形和金属蒸汽的干扰。槽制备类型对加工仅有轻微影响，因此可以得出结论，LAHW对不同槽类型的间隙变化和应用具有相当的耐受性。

图13 基于对不同坡口制备和激光电弧布置设置进行的实验的工艺稳定性MFC。

5.结论

使用金属芯填充焊丝的厚钢板LAHW是一种非常有效且有前途的熔接工艺，在一定的优化参数范围内提供可接受质量的焊缝。从观察到的工艺行为和产生的焊缝，可以得出以下结论：

•在LAHW期间，热源和熔体流之间的相互作用会影响电弧过程，根据工艺设置，为ODPP到MDPP甚至喷雾转移模式创造条件。

•对于引弧，不建议使用短激光弧间距，因为由于液滴撞击锁孔开口，锁孔塌陷导致气孔的风险增加。

•由于熔体上的电弧压力会导致液滴飞离凿槽前部，因此可以在不引起小孔塌陷的情况下，为尾随电弧留出短的间距。

•由于（金属芯焊丝）发生了可能对焊接质量有害的断丝，因此不建议在行进速度高于0.8m/min的情况下使用CMT+P电弧模式。

•观察到凹槽制备的类型对工艺稳定性几乎没有影响。

•当间隙大于0.6mm时，板之间的气隙仅对工艺稳定性有显著影响。

来源：Process stability during fiber laser-arc hybrid welding of thick steel plates, Optics and Lasers in Engineering, doi.org/10.1016/j.optlaseng.2017.10.020

参考文献：Development of laser-arc hybrid welding, NKK Tech Rev (No. 86) (2002), pp. 8-12; Microstructures and properties of laser/arc hybrid welds and autogenous laser welds in pipeline steels; Sci Technol Weld Join, 9 (4) (2004), pp. 314-322