激光-電弧復(fù)合焊接是將激光和電弧這兩種不同的熱源耦合共同作用于同一區(qū)域。相對(duì)單一熱源，激光-電弧復(fù)合焊接具有熔深大、速度快、穩(wěn)定性高、允許的坡口間隙大以及氣孔少等特點(diǎn)，在汽車(chē)、造船、橋梁、起重機(jī)械等領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。

　　作為激光焊接的重要補(bǔ)充和發(fā)展，激光-電弧復(fù)合焊接相對(duì)激光焊接的優(yōu)勢(shì)之一是通過(guò)焊接材料的添加，調(diào)整焊縫的合金元素成分，改善焊縫組織與性能。焊接材料添加的合金元素在焊縫中的均勻分布是體現(xiàn)激光-電弧復(fù)合焊接這一優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵。然而，對(duì)于窄而深的激光-電弧復(fù)合焊焊縫，尤其是大板厚焊接結(jié)構(gòu)條件下，實(shí)現(xiàn)合金元素的均勻分布是非常困難的。目前，激光-電弧復(fù)合焊接焊縫合金元素均勻化得到了越來(lái)越多的關(guān)注，但相關(guān)的研究結(jié)果較少。其中，利用CO2激光-MAG復(fù)合焊焊接了600MPa級(jí)高強(qiáng)鋼，對(duì)焊接接頭組織和性能進(jìn)行了研究。他們發(fā)現(xiàn)，焊縫上部Mo、Mn元素的含量遠(yuǎn)高于焊縫下部，合金元素的分布不均勻。而且，此研究中所采用的激光功率為2.4kW，焊縫熔深約為4mm，在這樣的情況下獲得均勻化的焊縫尚且較困難，可知對(duì)于中厚板激光-電弧復(fù)合焊接，熔深超過(guò)10mm，焊縫中合金元素的均勻化分布將更為困難。另外，采用附加磁場(chǎng)的方法“攪拌”熔池，促進(jìn)了激光焊接熔池流動(dòng)。盡管隨著勵(lì)磁電流的增大，激光焊縫中Si元素均勻化程度有所提高，但其仍存在明顯偏析現(xiàn)象，并沒(méi)有獲得合金元素的均勻分布。由上可知，實(shí)現(xiàn)激光-電弧復(fù)合焊焊縫合金元素的均勻化需要進(jìn)行深入的研究和分析。

　　因此，本文研究了焊接工藝參數(shù)對(duì)CO2激光-熔化極氣體保護(hù)(GMA)復(fù)合焊焊縫合金元素分布的影響規(guī)律，并討論了熔池流動(dòng)行為與合金元素分布的關(guān)系。

　　焊接試件為11mm厚的低碳鋼板，圖1所示的是CO2激光-GMA復(fù)合焊接試驗(yàn)示意圖。焊接試驗(yàn)采用平板熔透焊接方式，使用20kW的CO2激光器，聚焦透鏡焦距500mm，激光光軸垂直于試件表面，與GMA焊炬軸線呈35度。激光焦點(diǎn)位置位于試件表面，激光保護(hù)氣體為He氣，流量50L/min。利用脈沖GMA焊獲得一脈沖一滴的熔滴過(guò)渡方式，脈沖頻率、峰值電壓、基值電壓、峰值電流、基值電流和脈寬分別為200Hz、41V、36V、470~480A、90~100A和2.5ms，電弧保護(hù)氣體為He-38%、Ar-2%，流量為20L/min。焊接試驗(yàn)中，激光-電弧距離為5mm，焊接材料為低合金焊絲，調(diào)節(jié)焊接速度、焊接方向、接頭形式和坡口間隙等工藝參數(shù)：
        (1)焊接速度分別為0.7、1.0和2.0m/min，為了實(shí)現(xiàn)熔透焊接，以上焊接速度對(duì)應(yīng)的激光功率分別為7.5、8和12kW；
        (2)在激光功率為8kW、焊接速度為1.0m/min的條件下，焊接方向分別為激光在前(LL)和電弧在前(LA)，并采用平板堆焊(BOP)和I型坡口平板對(duì)接焊(I-butt)兩種接頭形式，I型坡口間隙分別為0、0.5、1.0mm。

     圖1  CO2激光-GMA 復(fù)合焊接試驗(yàn)裝置(焊接方向?yàn)殡娀≡谇?

圖2  X射線透射成像系統(tǒng)

　　由于焊接熔池流動(dòng)會(huì)影響焊縫合金元素的分布，因此對(duì)激光-電弧復(fù)合焊接過(guò)程中熔池流動(dòng)進(jìn)行了觀察。利用高速攝影技術(shù)對(duì)試件表面的熔池流動(dòng)進(jìn)行了觀察，采用Al2O3顆粒作為示蹤粒子，Al2O3顆粒的移動(dòng)代表了熔池表面的流動(dòng)行為。同時(shí)利用X射線透射成像系統(tǒng)觀測(cè)了試件內(nèi)部的熔池流動(dòng)，X射線透射成像系統(tǒng)如圖2所示。焊接過(guò)程中，在試件上表面和下表面的焊道上放置鉑絲，由于鉑對(duì)X射線的吸收率大于鋼，液態(tài)鉑的流動(dòng)表示了內(nèi)部熔池的流動(dòng)行為。

焊接速度對(duì)焊縫合金元素分布的影響

　　圖3所示的是焊接速度對(duì)焊縫Ni元素分布的影響(虛線所示為焊接試件下表面)。隨著焊接速度的減小，激光-GMA復(fù)合焊焊縫Ni元素的分布趨向于均勻分布。當(dāng)焊接速度為0.7m/min時(shí)，復(fù)合焊焊縫中Ni元素的分布基本均勻；當(dāng)焊接速度增加到1.0m/min時(shí)，距焊縫底部約3mm區(qū)域內(nèi)Ni元素含量降低；當(dāng)焊接速度上升到2.0m/min時(shí)，Ni明顯偏析在焊縫的中上部，距焊縫底部約5mm區(qū)域內(nèi)存在貧Ni區(qū)。圖4所示的是焊接速度對(duì)復(fù)合焊焊縫形狀的影響。隨著焊接速度的增加，復(fù)合焊電弧焊影響區(qū)域大幅度縮小，致使熔池體積減小，凝固速度增加，將不利于合金元素向熔池底部流動(dòng)，這可能導(dǎo)致了焊縫合金元素分布的不均勻。

圖3  不同焊接速度下復(fù)合焊焊縫縱剖面Ni元素分布

圖3  不同焊接速度下復(fù)合焊焊縫縱剖面Ni元素分布

焊接方向、坡口間隙對(duì)焊縫合金元素分布的影響

　　圖5所示的是焊接方向?qū)缚pNi元素分布的影響。采用平板堆焊方式，焊接方向?yàn)殡娀≡谇皶r(shí)，Ni元素偏聚在焊縫的中上部，距焊縫底部5mm區(qū)域內(nèi)富Ni區(qū)和貧Ni區(qū)交錯(cuò)分布，而焊接方向?yàn)榧す庠谇皶r(shí)，Ni元素分布略比電弧在前時(shí)均勻，焊縫底部向上約3mm區(qū)域內(nèi)存在富Ni區(qū)和貧Ni區(qū)的交替。采用I型坡口平板對(duì)接焊方式，焊接方向?yàn)榧す庠谇皶r(shí)復(fù)合焊縫Ni元素分布較為均勻，其均勻程度明顯高于電弧在前時(shí)。由上可知，焊接方向?yàn)榧す庠谇皶r(shí)能夠促進(jìn)焊縫合金元素的均勻分布。

圖5  不同焊接方向條件下復(fù)合焊焊縫縱剖面Ni元素分布

　　此外，與平板堆焊方式相比，采用I型坡口平板對(duì)接焊方式焊縫Ni元素分布更均勻。為了定量評(píng)價(jià)焊縫合金元素分布的均勻程度，測(cè)量焊縫縱剖面距上表面3mm區(qū)域的平均Ni含量和距下表面3mm區(qū)域的平均Ni含量，利用IU/IL表征焊縫合金元素分布的均勻程度，IU/IL值越接近1表明合金元素的分布越均勻。圖6所示的是焊接方向和接頭形式對(duì)含量之比的影響，在平板堆焊和I型坡口平板對(duì)接焊兩種方式下，激光在前的均小于電弧在前的值，這驗(yàn)證了激光在前的焊接方向有利于焊縫合金元素的均勻分布。而且，當(dāng)焊接方向?yàn)殡娀≡谇皶r(shí)，坡口間隙對(duì)焊縫均勻性具有明顯的作用。隨著坡口間隙的增大，焊縫均勻程度越高。另一方面，當(dāng)焊接方向?yàn)榧す庠谇皶r(shí)，采用I型坡口平板對(duì)接焊方式均能獲得較均勻的合金元素分布。

圖6  焊接方向和接頭形式的影響

焊接方向?qū)θ鄢亓鲃?dòng)行為的影響

　　激光-電弧復(fù)合焊焊縫合金元素的分布主要受熔池流動(dòng)行為的影響，因此針對(duì)I型坡口平板對(duì)接焊(坡口間隙為0mm)研究了焊接方向?qū)θ鄢亓鲃?dòng)行為的影響。

　　圖7所示的是不同焊接方向下CO2激光-GMA復(fù)合焊接熔池表面的熔池流動(dòng)行為。當(dāng)焊接方向?yàn)殡娀≡谇皶r(shí)，示蹤粒子Al2O3繞過(guò)激光小孔流向熔池表面的后部[如圖7(a)所示]，這表明熔池表面流動(dòng)方向是從小孔指向熔池后部；當(dāng)焊接方向?yàn)榧す庠谇皶r(shí)，Al2O3顆粒從熔池前沿繞過(guò)小孔，再?gòu)男】缀笱氐娜鄢亓飨蛐】?，并停留在小孔后沿附近[如圖7(b)所示]，這表明熔池表面流動(dòng)方向是從熔池后部指向小孔。

圖7  不同焊接方向條件下復(fù)合焊熔池表面的熔池流動(dòng)

　　圖8和圖9所示的是X射線透射成像系統(tǒng)采集的CO2激光-GMA復(fù)合焊接內(nèi)部熔池流動(dòng)行為。在試件上表面和下表面的焊道上放置鉑絲，利用液態(tài)鉑流動(dòng)表征熔池內(nèi)部流動(dòng)行為。當(dāng)焊接方向?yàn)殡娀≡谇皶r(shí)，液態(tài)鉑沿著小孔后沿從熔池底部流向熔池上表面[如圖8(a)所示]，在熔池表面液態(tài)鉑先流向熔池后部，然后流向熔池底部[如圖9(a)所示]；當(dāng)焊接方向?yàn)榧す庠谇皶r(shí)，在熔池下表面液態(tài)鉑沿著凝固前沿向熔池后部流動(dòng)[如圖8(b)所示]，并且液態(tài)鉑沿著小孔后沿從熔池上表面流向熔池底部[如圖9(b)所示]。

圖8  不同焊接方向條件下復(fù)合焊內(nèi)部熔池流動(dòng)（下表面）

圖9  不同焊接方向條件下復(fù)合焊內(nèi)部熔池流動(dòng)（上表面）

　　根據(jù)以上結(jié)果，焊接方向?qū)θ鄢亓鲃?dòng)行為的影響如圖10所示。焊接方向?yàn)殡娀≡谇皶r(shí)，在小孔后方熔池流動(dòng)從熔池底部到熔池上表面，在熔池上表面流動(dòng)方向?yàn)樾】椎饺鄢睾蟛縖如圖10(a)所示]，形成了“外向流動(dòng)”；相反的是，焊接方向?yàn)榧す庠谇皶r(shí)，在熔池表面從熔池后部向小孔流動(dòng)，并且小孔后沿液體向下流動(dòng)[如圖10(b)所示]，形成了“內(nèi)向流動(dòng)”。CO2激光-GMA復(fù)合焊接過(guò)程中，焊絲從熔池上方添加。當(dāng)熔池流動(dòng)為內(nèi)向流動(dòng)時(shí)，通過(guò)焊絲所添加的合金元素易達(dá)到熔池的底部，從而獲得較均勻的合金元素分布。

圖10  不同焊接方向條件下復(fù)合焊熔池流動(dòng)示意圖

　　因此，激光在前的焊接方向促進(jìn)了熔池的內(nèi)向流動(dòng)，從而獲得了較均勻的合金元素分布。

焊接方向?qū)θ鄢亓鲃?dòng)驅(qū)動(dòng)力的影響

　　在CO2激光-GMA復(fù)合焊接過(guò)程中，熔池流動(dòng)行為主要是電弧拖拽力、熔滴對(duì)熔池的沖擊力、浮力、電磁力、Marangoni對(duì)流和激光小孔蒸汽沖擊力等綜合影響決定的。浮力和激光小孔蒸汽沖擊力一般促進(jìn)熔池外向流動(dòng)，電磁力促進(jìn)內(nèi)向流動(dòng)，Marangoni對(duì)流受表面張力溫度系數(shù)的影響，而電弧拖拽力和熔滴對(duì)熔池的沖擊力均取決于焊接方向。由本研究的結(jié)果，影響復(fù)合焊熔池流動(dòng)行為變化的主要驅(qū)動(dòng)力為電弧拖拽力和熔滴對(duì)熔池的沖擊力。不同焊接方向下熔池驅(qū)動(dòng)力情況如圖11所示。焊接方向?yàn)殡娀≡谇皶r(shí)，電弧拖拽力和熔滴對(duì)熔池的沖擊力均指向熔池后部，促進(jìn)了外向流動(dòng)，導(dǎo)致了合金元素聚集在焊縫中上部(如圖5所示)，焊縫合金元素分布不均勻；而焊接方向?yàn)榧す庠谇皶r(shí)，電弧拖拽力和熔滴對(duì)熔池的沖擊力均指向小孔，促進(jìn)了內(nèi)向流動(dòng)，合金元素易快速到達(dá)熔池的底部，從而獲得了較均勻的合金元素分布(如圖5所示)。

圖11  不同焊接方向條件下復(fù)合焊熔池流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力

　　另外，通過(guò)數(shù)值計(jì)算模擬了CO2激光-GMA復(fù)合焊接熔池流動(dòng)，研究表明焊接方向僅為激光在前時(shí)，電磁力能夠促進(jìn)整個(gè)熔池內(nèi)向流動(dòng)。焊接方向?yàn)榧す庠谇皶r(shí)，電弧下方存在較大體積的熔池，電磁力能夠促進(jìn)這個(gè)區(qū)域內(nèi)的熔池內(nèi)向流動(dòng)，從而帶動(dòng)了整個(gè)熔池的內(nèi)向流動(dòng)，如圖12(a)所示；而焊接方向?yàn)殡娀≡谇皶r(shí)，電磁力僅能促進(jìn)小孔前方較小體積的熔池流動(dòng)，但無(wú)法帶動(dòng)整個(gè)熔池的內(nèi)向流動(dòng)，如圖12所示。當(dāng)然，電磁力對(duì)不同焊接方向下復(fù)合焊接熔池流動(dòng)行為的影響需要進(jìn)一步的研究。

圖11  不同焊接方向條件下復(fù)合焊熔池流動(dòng)驅(qū)動(dòng)力

結(jié)論

　　1)隨著焊接速度的減小，CO2激光-GMA復(fù)合焊焊縫合金元素的分布趨向于均勻分布。

　　2)坡口間隙對(duì)復(fù)合焊焊縫均勻性具有明顯的影響。隨著坡口間隙的增大，焊縫合金元素均勻程度越高。

　　3)焊接方向?yàn)榧す庠谇皶r(shí)，激光-電弧復(fù)合焊接熔池流動(dòng)為內(nèi)向流動(dòng)時(shí)(即熔池表面從熔池后部向小孔流動(dòng)，并且小孔后沿液體向下流動(dòng))，焊縫合金元素分布較均勻，其均勻性高于焊接方向?yàn)殡娀≡谇皶r(shí)的情況。焊接方向?qū)缚p合金元素分布的影響規(guī)律主要取決于電弧拖拽力和熔滴對(duì)熔池沖擊力的方向。當(dāng)焊接方向?yàn)榧す庠谇皶r(shí)，電弧拖拽力和熔滴對(duì)熔池沖擊力指向小孔方向，促進(jìn)了熔池內(nèi)向流動(dòng)。