激光束振荡对加厚截面HSLA钢进行窄槽激光电弧复合焊接

　　长三角G60激光联盟导读
　　本文为大家展示采用激光束振荡对加厚截面HSLA钢进行窄槽激光电弧复合焊接的研究结果。
　　摘要：在这项研究中，使用正弦振荡激光器获得了高强度低合金（HSLA）钢的窄槽激光电弧混合焊接（NGHW）。然后分析了激光束振荡幅度和空间约束对电弧行为，液滴转移，焊缝几何形状和焊缝不完全融合的影响。由于最小电弧电压原理和固有的电弧自调节，当激光器不振荡时，观察到电弧阴极光斑通常附着在一个侧壁上。结果，熔池没有扩散到整个间隙的宽度，导致不完全融合。当激光束以正弦路径振荡时，振幅两侧的能量密度高于中心线，并且焊缝的长宽比降低。发现光束沿中心线的速度远高于振幅两侧的速度。熔池在振荡梁的作用下沿宽度方向振荡，形成凹面，这促进了凹槽侧壁的熔化，并抑制了侧壁中的不完全熔合缺陷。使用60毫米厚的焊缝验证了NGHW辅助激光束振荡的技术可行性，其特征是光滑的层过渡和不存在可见缺陷。
　　关键词：高强度低合金（HSLA）钢，窄槽焊接，混合激光电弧焊接，工艺稳定性，液滴转移，激光束振荡
　　引言
　　高强度低合金（HSLA）钢的厚截面广泛用于船舶制造和桥梁建造（参考文献1）。窄槽焊接是减小槽截面面积、提高焊接效率、减少厚焊接段热输入的首选技术之一。目前，用于窄槽焊接的典型焊接方法包括气体金属电弧焊（GMAW）、气体钨极电弧焊和埋弧焊，特别是用于制造厚度大于50毫米的部分（参考文献26）。但是，这些方法存在不可避免的缺点，例如变形大，热影响区宽，残余应力和不完全融合。
　　激光电弧混合焊接（HLAW）技术具有焊接厚高强度钢结构的最佳潜力（参考文献7）。厚度范围为15至32毫米的碳钢可以用高功率激光一次穿透（参考文献810）。但是，使用高功率激光器简单地增加能量输入似乎并不是获得厚结构的高质量焊缝的理想技术。
　　近年来，由于提高了激光质量并使用了长焦距会聚聚焦系统（参考文献1215），窄槽激光焊接（NGLW）得到了显着发展。确保凹槽中的足够穿透侧壁是应用NGLW的主要挑战之一。在一项相关研究中，Tsukamoto等人。（参考文献16）使用10kW光纤激光器使用多通NGLW将60毫米厚的SA516低碳钢连接在一起。尽管将板焊接了10次，但由于热量输入仍然很低，因此观察到不完全熔合。Wang（参考文献17）研究了35毫米厚的Q345低碳钢的NGLW，并观察到侧壁上有少量不完全熔合。研究还表明，凹槽准备和束线位置对于厚截面至关重要（参考文献。18，19）。
　　图1实验装置示意图
　　目前，用于抑制不完全融合的三种主要方法是光束振荡，热线填充和光束散焦。例如，Yosuke等。激光窄槽通过高频振荡激光束来焊接50毫米厚的碳钢（参考文献1618）。通过在过程中使用传感器来识别凹槽形状，可以适当地控制热输入面积，并有效地防止了不完全融合。Yosuke等人（参考文献20）在超窄槽中使用带有填充线的激光和超过42个通过导电模式的对接焊接100毫米厚的SUS304钢板，产生几乎无缺陷的焊缝。然而，不完全融合程度没有被完全抑制，并且由于小梁要求高精度，限制了NGLW的工程应用。
　　图2焊接接头设计
　　窄槽激光电弧混合焊接（NGHW）是最近开发的一种技术，具有通过结合激光和电弧焊接的优点来抑制缺陷的潜力（参考文献2125）。近年来，对激光诱导等离子体，电弧等离子体，液滴传输和空间约束进行了详细研究。例如，Zhang等人（参考文献26）使用NGHW接合40mm厚的低碳钢，并且使用具有宽度6毫米的窄槽的九个通路获得无缺陷的接头。Gong等人（参考文献27）量化了焊接参数对NGHW工艺稳定性的影响采用近似熵的方法，从而论证了窄槽引起的空间约束稳定现象。在另一项研究中，Meng等。（参考文献28）探索了NGHW中关于熔池的力和熔体流动的不完全融合的形成和抑制机制。这些报道的研究不仅展示了NGHW在制造厚板方面的巨大潜力，而且还揭示了缺陷，例如不完全融合和孔隙率，可以很容易地在接头中识别出来。
　　图3样品力学性能测试的示意图
　　在这项研究中，作者提出了使用振荡激光束来抑制不完全融合现象并提高NGHW的工艺稳定性。使用正弦振荡激光束来改善熔池的能量分布并控制焊缝的宽度。此外，搅拌熔池以减轻焊接孔和未熔合的侧壁带来的挑战。本研究获得的结果可能对NGHW技术及其应用的发展具有重要意义。
　　材料和方法
　　除直径为1毫米的低碳高韧性填充钢丝外，本研究还使用20和60毫米厚的HSLA钢板作为基材。母材和填充线的化学组成列于表1中。一种含有混合活性保护气体的使用电弧喷嘴以30lmin的流速供应95氩气和5二氧化碳。
　　在这项工作中使用了长度为1070nm和光束参数乘积为13。8毫米mrad的混合活性保护气体，其中10kW了所用激光器的功率水平。实验装置的示意图如图1所示，激光束通过纤芯直径为200mm的光纤透射，随后由焦距为300mm的透镜聚焦。HighYAG制造的BIMO1D扫描仪用作激光焊接头。通过使用驱动电机控制头部内部扫描仪镜的角度，激光以限定的波振荡。通过使用驱动电机来控制头部内部扫描仪镜的角度，可以将激光束以限定的波振荡。本研究采用200Hz振荡频率。准直透镜和会聚透镜的焦距分别为150和300毫米。使用GMAW电源（TransPuls协同5000，Fronius）作为第二个电源，并设计了专用工具以同时将激光头和GMAW枪固定在操纵器上。结果，在焊接过程中，两个热源根据设定的参数耦合。
　　激光垂直照射在样品板上，其中填充线与激光中心轴之间的角度为30度，激光束中心轴与样品表面上的GMA电极尖端之间的距离为2毫米，并且17毫米了从GMAW喷嘴到工件的填充线的长度。在该实验中，焦点设置为在样品表面的右侧；因此，散焦距离为零。混合头是固定的在KUKAKR60机器人的轴上，以确保轨道焊接的最佳移动性。
　　使用高速成像系统记录焊接过程，该系统与数据采集系统同步。使用高速相机（V611，Photron）获得弧形和液滴转移图像。为了抑制弧光并获得液滴的阴影图，将光学带通滤光片（80810nm）和两个偏振器安装在相机镜头的前面。使用功率为40W，波长为808nm的二极管激光器作为光源，并将其放置在高速相机的同一侧。采样频率为5000帧秒。用汉诺威焊接质量分析仪以5000Hz的采集速率测量焊接电流、焊接电压和短路电流频率。
　　图4随温度变化时的热熔喝热导率
　　图2示出了样品尺寸和尺寸，其中样品的厚度为20毫米，长度为100毫米，宽度为40毫米。另外，槽的深度以4毫米的宽度10毫米。表2列出了焊接参数的变化，例如焊丝电流，焊丝进给位置，焊丝进给速度和激光照射角度。焊接后，从焊接开始40毫米的焊缝的横截面用2nital溶液（2毫升硝酸混合在100mL乙醇中）蚀刻10s。然后用光学金相显微镜观察横截面。随后，定义了窄槽激光电弧混合焊缝的焊缝宽度（H），融合区面积（A）和熔化高度，如图3所示。基于20mm厚样品的最佳工艺参数，在60毫米厚的板上进行了焊接，以验证NGHW抑制不完全熔合的可行性。
　　图5高斯表面热流和组合的锥形容积式热源
　　结论
　　在振荡的激光束下形成焊接形状
　　NGLW
　　在不同振荡幅度的激光束下，窄槽激光焊缝的焊缝截面如图4以及表3和表4所示。在没有振荡激光束的情况下出现特征性的指甲头部形状穿透和毛孔（D0毫米）。随着D从0增加到4毫米，焊缝的高度逐渐减小，并且焊缝的宽度逐渐增加，从而超过间隙宽度（D0毫米）。焊缝的长宽比从1。56降低到0。46。此外，图4C所示的焊接截面呈现了热传导焊接的典型特征。
　　图6（a）SLAHW和（b）CWLAHW的宏观形貌
　　NGHW
　　没有激光功率的GMAW的焊接外观和横截面如图5A所示，其中观察到与窄槽焊接相关的缺陷的特征形成。没有振荡激光束（D0mm）的NGHW焊缝外观和横截面为如图5B所示，其中观察到特征性的指甲头部形状穿透。与GMAW相比，在没有振荡激光束（D0毫米）的情况下通过NGHW获得的焊缝显示出更多的成形缺陷。在图5C和图5d中示出了作为振荡激光束的振幅的函数的焊接形状形成，示出了焊缝形成良好，没有任何前述缺陷。还注意到焊接接头和凹槽侧壁之间的过渡是平滑的。
　　然而，当振荡幅度等于槽宽度时，如图5E所示，焊接轨迹偏离槽的中心线。结果，激光被凹槽边缘部分阻挡，并观察到底切和不完全融合等缺陷。可以通过升级激光传输系统或合并联合跟踪器来克服这些挑战。振荡激光束振幅对焊接截面尺寸的影响如图6所示，其示出随着D从0增加到3毫米，H值线性减小，W增加。但是，激光被凹槽边缘部分阻挡；因此，一部分激光功率无法到达凹槽底部。
　　图7（ac）SLAHW和（df）CWLAHW的显微组织变化。
　　在振荡激光束下的焊接稳定性
　　通常，可以使用焊接电流和焊接电压的标准偏差来表征焊接过程的稳定性。对应于图5的动态焊接电流和电压曲线呈现在图7中，其中对于所有参数，观察到典型的短路传递曲线。由于每个金属过渡之间的电流和电压变化幅度减小加入振荡激光束（D2，3毫米），这导致焊接过程的更好的稳定性。
　　图8SLAHW和CWLAHW焊接街头在焊缝中心线整个深度的硬度变化
　　焊接电流和电压的平均值和标准偏差的比较在图8（对应于图7）中示出，其中平均电压和标准偏差分别为18。4和5。3V至5。8V。对于窄槽GMAW（NGGMAW），平均电流及其标准偏差分别为181。6和18。9。对于NGHW，平均电流范围为184。8至186。2A，标准偏差为26。4至28。8A。比较NGGMAW和NGHW，激光功率增加了焊接电流；但是，焊接电压及其标准偏差没有显着差异。对于具有不同d值的NGHW，焊接电流和电压的平均值没有显示任何显著变化；然而，标准偏差随着d值从0增加到3毫米而减小。因此，我们推断，当振荡幅度D在0至3毫米的范围内时，由于振荡激光束，焊接稳定性得到改善。
　　图9（a）实验的SLAHW和模拟的结果对比；（b）模拟LAHW焊缝熔池形状的等轴测视图；（c）聪顶部观察焊接熔池的证明结果
　　振荡激光束下的电弧行为
　　在没有激光功率的情况下NGGMAW的电弧行为如图9所示，其中液滴传输频率约为13ms，电弧燃烧持续时间约为9ms。在图9和10中呈现了不同d值随时间的电弧行为的典型高速图像，这表明使用激光不会改变液滴传输模式和频率；但是，电弧燃烧持续时间趋于增加。在NGGMAW（图9）和NGHW没有振荡激光束（图10）的条件下，池的表面被注意到为凸形。此外，熔池的宽度小于凹槽间隙。对于振荡激光束，指出熔池的表面是凹形的，并且熔池的宽度等于凹槽间隙。
　　图10LAHW深熔焊的冷却速度
　　60毫米厚HSLA钢截面的NGHW
　　在本节中，我们将介绍带有振荡激光束的NGHW在实际工程中的示例应用。使用表2中给出的工艺参数进行60mm厚板的NGHW。图12A示出了在此过程中使用的凹槽几何形状和尺寸。对于背焊，采用以下参数的自生激光焊接工艺：v1mmin，P4kW和0毫米正散焦。根据表2中给出的参数，使用NGHW工艺来进给焊缝。另外，D等于焊接位置处的槽隙宽度减去1毫米。值得注意的是，为了避免凹槽侧壁对振荡激光束的影响，在焊接60毫米厚的板时使用了2毫米的正散焦。根据实际实验结果，该微调不影响焊接过程，可能是因为在将散焦从0调整到2毫米的过程中，激光光斑的实际尺寸没有明显变化。
　　图11（a）SLAHW和（b）CWLAHW的硬度值
　　焊接过程完成后，测试一下件进行x射线探伤和金相解剖。图12B示出了使用多层和单通道NGHW创建的焊接接头的横截面轮廓。用20道次产生了可接受的焊缝，并且焊缝没有显示任何可见的缺陷，并且在道次之间具有平滑的过渡。焊缝的x射线检查结果如图12c所示，该结果也显示焊缝中没有缺陷。因此，通过使用激光束振荡，NGHW可以产生最佳的焊缝，而不会产生不完全熔合和孔隙率。
　　图12基材显微组织（a）和HAZ的显微组织；（b）SLAHW的CGHAZ；和（c）ofCWLAHW的CGHAZ。
　　讨论
　　振荡激光束下的激光能量分布
　　图13示出了NGHW的示意图，示出了激光束沿间隙的中心线振荡。
　　图13多道连续焊接时焊缝的显微组织（a，b）LAHWCW3道；（c，d）LBWCW2道；and（e，f）LBWCWpass（1道）德根部。
　　图14显示了振荡激光束的路径和速度曲线（D3毫米，v12。5毫米s，F300Hz），当激光在振荡路径的两端时，仅观察到X方向速度（v，12。5毫米s），当激光器位于振荡路径的中心时，X方向速度（v）为12。5毫米s，而Y方向速度（v）为2825毫米s，为v的228倍。
　　图14（a）多道时焊接接头德宏观组织；Macrosectionofthemultipassjoint；（b）沿深度的性质；（c）模拟的焊接街头
　　交互时间定义了持续时间，在该持续时间期间，当光束以正弦路径移动时，特定点暴露于激光束，如图15所示。考虑到沿着焊接中心线的点，可以通过公式2获得直径d以线速度vxy行进的圆形光束的相互作用时间i，而取决于距焊接中心线的距离，可以通过公式5获得多次暴露于激光的特定点Ni。
　　图15（a，b）焊接的根部的尺寸和NMI的频率；（c，d）2ndpassLBW；and（e，f）LAHW3道。
　　有和没有振荡激光束的激光能量分布图如图16所示。我们观察到激光能量沿中心线分布，而没有振荡激光束。当激光束振荡（D3毫米）时，激光能量分布在3。4毫米的宽度内，其中焊接线用作对称轴，这取决于激光束振荡。如图17所示，峰值能量输入呈几何减小；然而，相互作用宽度显着增加。因此，增加振荡激光束有利于提高焊接质量，这主要是由于能量输入分布的变化。激光能量分布的宽度增加，导致焊缝较宽较浅，而不是穿透手指。这有利于在凝固过程中逸出气体，从而减少了焊缝孔隙率。然而，两侧的高能量密度有利于确保凹槽侧壁的充分熔化，这抑制了由于凹槽侧壁的快速散热而形成的不完全熔合缺陷。
　　图16NMIs在2道LBWCW时的NMIs
　　图18显示了Vf10mmin时NGGMAW中的动态圆弧形状和圆弧附着点（AAP）。电弧最初是在金属丝尖端和熔池之间点燃的，并且然后爬上右侧侧壁。在线尖端和右侧侧壁之间的电弧在tt00。5ms处燃烧。当线被连续地进给时，从线尖端到间隙底部的距离减小了从线尖端到右侧侧壁的类似距离。在此阶段，产生了新的AAP（tt00。5ms），并且电弧同时在线头，右侧侧壁和间隙的底部之间燃烧。在tt011ms时，电弧同时在线头，侧壁和间隙的底部之间燃烧，导致形成三个AAPs。
　　图17夹杂物的EDS：（a，b）3道LAHWCW；（c，d）LBWCW的根部。
　　基于最小电弧电压原理（参考29），燃烧电弧会自动识别出合适的电流路径，以确保在焊接参数和其他条件保持恒定的情况下，电弧柱内电场强度的最小值。由于电弧的电场强度表现出导电路径的百分比，因此焊接电弧通常遵循最短的导电路径。因此，从线头到侧壁的水平距离比线头到窄槽底部的熔池的垂直距离短，并且AAP爬上了最近的侧壁，从而减小了导电路径并保持了最小电弧电压。从金属丝尖端到侧壁的水平距离与从金属丝尖端到熔池的垂直距离相似，并且在最近的侧壁上生成了新的AAP。在进一步进给导线之后，从导线尖端到侧壁的水平距离变得比从导线尖端到间隙底部的垂直距离更长。结果，最近侧壁上的aap消失了，从而减少了导电路径并保持了最小电弧电压。
　　图18CVN的测试结果
　　NGHW
　　图19示出了用于振荡激光束（D4毫米）的NGHW中的AAP。对于相同的GMAW参数（图10），电弧最初在金属丝尖端和熔池之间点燃（t00。2ms）。随后，电弧在焊丝尖端和两个侧壁之间同时燃烧，直到液滴在NGHW期间接触熔池（D3毫米）。从金属丝尖端到熔池的距离类似于从金属丝尖端到两个侧壁的距离。
　　图19WM性能的CTOD值
　　激光诱导的金属蒸气羽流的电离状态图17激光能量分布与D的函数关系。192s焊接轴颈在使用波长为1m的激光辐射的焊接过程中非常弱（参考文献3032）。根据Saha方程（参考文献444）对激光诱导的金属蒸气羽流进行铁和氩的电离度计算，结果表明它是弱离子化的，并且在锁孔上方的激光诱导的金属蒸气羽流主要由铁原子组成。当铁原子的电离电压为7。9V（约为用作保护气体的氩原子的电离电压的一半（15。8V））时，铁原子比氩更容易电离。结果，激光诱导的金属蒸气羽流成为电弧柱的主要电子来源。因此，它通过在间隙的底部提供稳定的阴极光斑，在NGHW期间感应并稳定了电弧。因此，这项研究的作者推断，钥匙孔上方的激光诱导的金属蒸气羽流是GMAW电弧的集中电子源。
　　图20在不同放大倍数的CTOD的SEM断裂图：（a，c）SLAHW的韧性断裂；（b，d）2道LBWCW道次的脆性断裂。
　　不完全熔合的金属转移和抑制机制
　　金属转移机构
　　传统的静力平衡理论（参考文献3436）用于解释金属在NGGMAW流程。图20显示了作用在液滴上的力包括重力Fg，表面张力f，阳极点压力Fv，等离子体射流力f和电磁力Fe。由于AAP的变化，Fe对液滴转移的影响似乎很复杂。当在液滴底部形成小的电弧根部区域时，作用在液滴上的Fe指向上方，从而防止了液滴从金属丝尖端脱离。结果，Fe逐渐成为加速力，随着电弧根部区域由于力方向的变化而增加，从而促进了液滴的脱离。
　　如图9和图10所示，如图21所示，电弧的根部区域主要作用在液滴的下半部分上，沿着Fey1和Fe2的向上方向，从而防止液滴从线头脱离。因此，液滴在接触熔池时脱落，并且液滴转移模式呈现短电流转移。
　　如图19所示，观察到对称分布的弧。与NGGMAW中的侧向弧相比，作用在液滴上的Fe分布发生了变化。该方法的示意图如图21所示。Fe的水平投影Fex1和Fex2由于它们的反作用而加速了颈缩的开始。Fey1和Fey2的两个垂直投影增强了轴向电磁力的结合，并加速了液滴的分离。在导线尖端和侧壁之间产生的两个电弧导电路径进一步增加了轴向方向上的力突出的组合；因此，液滴的重力和尺寸都变得更小。通过喷雾传输模式，这促进了液滴从金属丝尖端的脱离。
　　不完全熔合的抑制机制分析
　　没有激光束，并且当电弧是唯一的热源时，阴极斑点随机移动，氧化物漂浮在熔池表面。当凹槽宽度较窄时，电弧由于其非常接近而经常攀爬侧壁，如图22A所示，此时，在凹槽根部输入的能量减少。此外，如在金属转移机构部分中所述，不对称的电弧通常导致液滴偏转到另一侧。这进一步阻碍了凹槽根部的热熔化。以上两个方面的结合解释了为什么NGGMAW经常出现不完全融合缺陷。
　　对于NGHW（D3毫米），横向振荡激光器的能量分布导致鞍形（图17），其直接加热槽底的两侧，如图16B所示，通过激光熔化的贱金属在电弧前面产生了一个领先的熔池。由于保护气体中的CO2，在领先的熔池表面产生了氧化物，这些氧化物充当了吸引随后电弧的阴极点。如图23所示，在振荡激光束的搅拌作用下，将领先熔池上的氧化物推到两侧靠近凹槽根部的位置。随后的电弧在氧化物吸引下再次加热了两个凹槽根。在两种加热过程的叠加下，沟槽根部完全熔化，这在很大程度上抑制了不完全熔化的产生。此外，由激光能量分布宽度增加引起的宽而浅的熔池充满了整个凹槽底部。因此，如图22B所示，在表面张力的作用下最终形成凹面。
　　如果激光束始终保持在焊道的中心，在D0的NGHW之后，电弧仍将被氧化物吸引并跟随前熔池。与激光束一样，电弧仍保持在焊缝的中心。在这种情况下，电弧通过领先的熔池的存在而稳定，该熔池类似于振荡激光束。但是，集中在焊缝中心的能量输入会产生一个深而窄的焊缝。结果，熔池的表面是凸起的（图22C），侧壁的根部不能充分熔化，并且不完全熔合形成的风险增加。
　　结论
　　在这项研究中，在HSLA钢板上进行了带有振荡激光束的NGHW。随后研究了激光束的振荡幅度以及空间限制对行为，焊接稳定性，液滴转移，焊接几何形状和焊缝不完全融合的影响。得出以下结论：
　　1）在窄槽焊接过程中，电弧被侧壁明显收缩。基于最小电弧电压原理和固有的电弧自调节，在没有振荡激光束的情况下，NGGMAW和NGHW的电弧形状稳定性较差。电弧连接点在狭窄的凹槽和侧壁的底部往复运动，导致能量不足以熔化间隙的根部。熔池无法覆盖间隙的整个宽度，导致出现不完全的熔合缺陷。锁孔上方的激光诱导金属蒸气羽流充当GMAW电弧的电子集中源，从而促使焊丝熔化和焊接稳定性。
　　2）在实验条件下，激光束在正弦路径上振荡，并且光束的能量密度范围取决于振荡幅度。振幅两侧的能量密度均高于中心线。随着振荡幅度的增加，激光能量密度在幅度方向上的差异减小。此外，焊缝的长宽比下降，导致焊缝宽而浅。
　　3）横向振荡激光器将通过改变其能量分布直接加热凹槽底部的两侧。激光熔化的贱金属在电弧前形成一个领先的熔池。在领先的熔池表面产生的氧化物将充当阴极点，以吸引随后的电弧。在振荡激光束的搅拌作用下，前导熔池上的氧化物会被推到靠近两侧凹槽根部的位置。随后的电弧在氧化物的吸引下再次加热两个凹槽根。在两种加热过程的叠加下，凹槽的根部会完全融化，这在很大程度上抑制了不完全融合的产生。
　　4）在这项工作中，采用了略小于凹槽宽度的振荡幅度，以避免激光束受到干扰。在振荡激光束的情况下，中心线上的光束速度远高于振幅两侧的速度。熔池在振荡梁的作用下沿宽度方向振荡，形成凹面，促进了沟槽侧壁的熔化，抑制了侧壁的不完全熔合缺陷。
　　5）通过控制激光束的振荡幅度，可以有效地抑制NGHW期间厚板中的不完全融合缺陷。通过60毫米厚的焊缝验证了带有激光束振荡的NGHW的技术可行性，该焊缝表现出光滑的层过渡且没有任何可见的缺陷。
　　文章来源：LaserarchybridweldingofthickHSLAsteel，JournalofMaterialsProcessingTechnology，Volume259，September2018，Pages7587，https：doi。org10。1016j。jmatprotec。2018。04。019
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