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21-25) 。 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30 l/min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1070 nm和光束参数乘积为13.8毫米·mrad的混合活性保护气体 ， 其中10 kW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200 m m的光纤透射 ， 随后由焦距为300mm的透镜聚焦 。 HighYAG制造的BIMO 1D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KUKA KR 60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(808 ± 10 nm)和两个偏振器安装在相机镜头的前面 。 使用功率为40 W ， 波长为808 nm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2% nital溶液(2毫升硝酸混合在100 mL乙醇中)蚀刻10 s 。 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 。
【激光束振荡对加厚截面HSLA钢进行窄槽激光-电弧复合焊接】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(D = 0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(D = 0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 。
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