Study on droplet characteristics of laser-CMT hybrid welding of aluminum alloy
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摘要: 搭建了铝合金激光−冷金属过渡（Cold Metal Transfer, CMT）复合焊接试验平台和高速摄像采集平台，研究铝合金激光−CMT焊接过程中的熔滴特性. 改变激光功率，获得不同焊接参数下CMT熔滴过渡的高速摄像图. 通过对比分析可知，在激光功率较小时，激光主要起到引导电弧作用，对CMT电弧影响较小，焊接过程较为稳定，能够获得良好焊缝成形. 当激光功率较大时，会影响CMT原有的短路过渡，造成熔滴飞溅等情况，导致焊缝成形较差. 结果表明： 保持焊丝和激光间距的有效距离和控制激光功率，是保证激光−CMT复合焊接过程稳定的关键.Abstract: An aluminum alloy laser-cold metal transfer (CMT) hybrid welding experiment platform and a high-speed camera acquisition platform were established to study the droplet characteristics of aluminum alloy laser-CMT welding process. By changing the laser power, the high speed images of CMT droplet transition under different welding parameters were obtained. Comparative analysis shows that when the laser power is small, the laser mainly plays the role of guiding arc, and has little influence on CMT arc. The welding process is stable and good weld formation can be obtained. When the laser power is large, it will affect the original short circuit transition of CMT, resulting in droplet splashing and other conditions, and lead to poor weld formation. The result shows that keeping the effective distance between the welding wire and the laser and controlling the laser power are the key to ensure the stability of the laser-CMT composite welding process.
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Key words:
- laser /
- cold metal transfer (CMT) /
- hybrid welding /
- aluminum alloy
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冷金属过渡（Cold Metal Transfer，CMT）焊接技术是Fronius公司在2002年开发的一种焊接方法[1-2]. 其主要是在传统熔化极惰性气体保护电弧焊( Metal Inert Gas Arc Welding, MIG）/熔化极活性气体保护电弧焊( Metal Active Gas Arc Welding, MAG )的基础上进行改进，利用特殊的送丝电动机来实现焊丝稳定的机械回抽，辅助熔滴过渡，实现稳定的短路过渡方式. 在短路过渡过程中，通过控制焊接电流在较低的范围内，可保证整个焊接过程的热输入较小，焊接过程稳定无飞溅，能够得到良好的焊缝成形，因此适用于铝合金等轻质金属连接[3-4]. 但CMT焊接较小的热输入优点也易导致焊缝熔深较浅，只适用于薄板焊接，限制了其在中厚板工程领域的应用[5].
激光及其复合焊接技术是近年新兴的焊接方法，具有工件装配精度要求低、机械化程度高、易实现自动化、能量密度集中、焊接效率高等特点，广泛应用于航天航空、军工、交通运输等国防武器装备与社会工业经济领域，是先进的制造手段之一[6-7]. 在激光−电弧复合制造工艺中，激光与电弧两种热源产生耦合作用，既兼具激光与电弧的各自优势，又弥补两种热源各自不足，发挥了1+1>2的效果. 目前相关主要集中在激光−TIG、激光−MIG /MAG复合焊工艺[8-9]等方面. 激光−MIG/MAG复合焊接效率高，在高铁、汽车等领域有较多成熟应用[10]. 相对于MIG，CMT焊接过程更加稳定，因此激光−CMT更具发展潜力.
CMT的电弧焊接频率约70 Hz，电弧会经历频繁的经历起弧−熄弧，因此电弧稳定性极易受周围环境的干扰. 而激光在焊接过程中产生匙孔、金属蒸气或光致等离子体，会对CMT电弧的稳定性起到一定的影响作用. 有研究表明激光的加入可以有效稳定CMT电弧状态[11-12]. 目前有关激光−CMT复合焊的研究主要集中在如何提高电弧稳定性、工艺条件适应性、焊接参数优化、材料组织力学性能等方面分析[13]，针对激光−CMT熔滴过渡方式的机理研究还比较少[14-15].
本研究提出激光−CMT复合焊接方法，利用 CMT 电弧与激光在局部空间的相互作用，使工件获得相对更大的焊缝熔深，提高焊接效率，并分析如何在焊接过程中保持CMT焊接无飞溅的熔滴短路过渡优势以及激光稳定的引导作用.
1. 试验方法
本研究采用 IPG YLS−5000光纤激光加工系统进行试验，激光功率最大为5 kw. 光纤直径 200 μm，激光光源波长为 1025 ~ 1080 nm，光斑直径为 0.6 mm，采用99.99 % 氩气作为保护气，离焦量为0. 焊机为奥地利Fronius公司生产的CMT Advanced 7000R，焊接模式采用直流CMT，保护气体流量为20 L/min. 在试验过程中为得到CMT清晰的熔滴过渡过程，将CMT焊枪和激光均保持垂直于工件的位置，无倾斜角度，激光和焊丝之间的距离为10 mm. 为保持焊接过程的稳定性，将激光头和CMT焊枪固定在专用夹具上，母材固定在焊接直线行走机构的工装夹具上，随之运动，如图1所示. 焊接速度及方向由焊接工作台调节，试验中焊接速度均为5 mm/s.
本试验采用工业高速摄像机观察和拍摄焊接过程中熔滴的过渡形式，通过外连计算机进行信息存储. 使用MotionPro系列高速摄像机，拍摄频率为30 ~ 10000 Hz. 考虑试验的准确性以及计算机的储存大小，试验中选择拍摄频率为1000 Hz，采集时间为1 s. 在拍摄过程中，通过外部信号对摄像机进行触发，使其按照设定好的拍摄频率和时间连续采集图像.
在拍摄复合焊熔滴过渡时，由于焊接过程中电弧亮度较高，会影响熔滴的拍摄效果. 因此为得到清晰的图像，需要在试验中采用背光技术，并通过加入滤光片来削弱电弧弧光的影响作用. 在拍摄试验平台搭建时将高速摄像镜头、焊丝和背光光源布置成三点一线，如图2所示. 背光光源采用1000 W高压短弧球形氙灯，由于氙灯亮度较高，背光能够充分照亮拍摄区域，弱化电弧亮度，能够把焊丝和熔滴状态通过滤光片清晰的投射在高速摄像机镜头中.
本研究使用的母材为6 mm厚Al 6061铝板，铝板尺寸为200 mm × 100 mm，焊丝采用ER4043，焊丝直径为1.2 mm，试验中母材及焊丝主要成分（质量分数，%）见表1. 焊接工艺参数见表2.
表 1 母材Al6061和焊丝ER4043主要化学成分Table 1. Chemical composition of Al6061 base metal and ER4043 filler material% 材料 硅 铁 铜 猛 镁 铬 锌 钛 铝 Al6061 0.40−0.80 < 0.7 0.15~0.40 < 0.15 0.80~1.20 0.04~0.35 0.25 < 0.15 其余 ER4043 5.60 0.80 0.30 0.05 0.05 — 0.10 0.02 其余 表 2 激光−CMT焊接工艺参数Table 2. Welding parameters of laser-CMT hybrid welding编号 CMT焊接电流/A 激光功率/W 1 78 800 2 78 1200 3 78 1500 2. 结果与分析
2.1 激光功率对熔滴过渡形式的影响
焊接过程中的熔滴过渡是指在焊丝在电弧热的作用下，焊丝端部熔化形成金属液滴，在多种力的复杂作用下熔滴脱离焊丝端部，过渡到熔池的过程. 熔滴过渡有多种方式，直接影响焊接过程的稳定性、焊缝成形、飞溅大小等，并最终影响焊接质量和生产效率. 因此，监测熔滴过渡方式是有效控制分析焊接过程稳定性的重要手段. 在激光−CMT复合焊试验中，通过改变激光功率，可以得到不同的熔滴过渡状态，如 图3至图5所示. 由图可见，激光功率为800 W时，由于焊丝和激光间距较大，两者并未产生有效的相互作用，CMT仍保持自身稳定短路过渡状态，这里是典型的抽拉式送丝方式，整个焊接过程稳定. 激光功率为1200 W时，激光功率增大对CMT焊接过程有较为显著的影响，激光在前部的热效应对CMT焊丝熔化起到加速作用，CMT焊丝在进入熔池之前就已经在底端形成较大熔滴，并以滴状过渡的形式过渡到熔池. 随后新的熔滴继续在焊丝端部形成，改变了CMT原有的短路过渡状态，抽拉式的送丝方式已不明显，整个过程较为稳定，在某些时刻，由于不规则的滴状过渡会造成电弧不稳定的状态. 随着激光功率进一步增大，激光功率为1500 W时，CMT熔滴在焊丝送丝早期就已经受热熔化形成熔滴，开始脱落，并且在激光等离子体和金属蒸气的影响下熔滴受力发生偏移，未能进入到熔池. 在一个周期内，熔滴过渡过程为不规则滴状过渡和不规则短路过渡形式.
2.2 激光功率对焊缝成形的影响
图6为在不同激光功率下焊缝成形图. 由图可见，当激光功率为800 W时，由于CMT能够保持自身的稳定短路过渡状态，激光的热效应与等离子体没有对其电弧和熔滴造成很大干扰，因此焊接过程稳定，焊缝外观呈光亮的银白色，无氧化现象，无飞溅，成形好. 在此种状态下，激光在前半段主要起到预热和引导作用. 当激光功率为1200 W时，焊缝成形在前半段较好，在中间部分氧化较为严重，偶有飞溅，但整体铺展性较800 W时有所提高. 这是由于激光功率增大，改变了CMT的短路过渡状态，在滴状过渡状态下，很容易造成飞溅和空气的卷入，因此在此焊接参数下，焊缝成形较差. 当激光功率为1500 W时，焊缝飞溅氧化非常严重，不能有效成形，这是由于激光的热效应和等离子体严重影响了CMT电弧和熔滴过渡状态，使得熔滴过早形成，发生脱落，受力后无法顺利进入熔池，形成大量飞溅，导致焊丝损耗. 焊接过程的不稳定，也造成了大量空气的进入，以致无法成形.
3. 结 语
1）在较小的激光功率参数下，激光主要起预热和引导作用，CMT熔滴能够保持原有的短路过渡状态，与激光的交互作用较小，焊接过程稳定，焊缝成形良好.
2）随着激光功率增大，激光的热效应、等离子体和金属蒸气会对CMT电弧和熔滴造成影响，使得CMT熔滴过渡状态变为不规则滴状过渡并发生飞溅，焊缝氧化严重. 在较大激光功率下，会导致焊缝无法成形.
3）保持焊丝和激光间距的有效距离，控制激光功率，是保证激光−CMT复合焊接过程稳定的关键.
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表 1 母材Al6061和焊丝ER4043主要化学成分
Table 1. Chemical composition of Al6061 base metal and ER4043 filler material
% 材料 硅 铁 铜 猛 镁 铬 锌 钛 铝 Al6061 0.40−0.80 < 0.7 0.15~0.40 < 0.15 0.80~1.20 0.04~0.35 0.25 < 0.15 其余 ER4043 5.60 0.80 0.30 0.05 0.05 — 0.10 0.02 其余 
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表 2 激光−CMT焊接工艺参数
Table 2. Welding parameters of laser-CMT hybrid welding
编号 CMT焊接电流/A 激光功率/W 1 78 800 2 78 1200 3 78 1500
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