图20在不同放大倍数的CTOD的SEM断裂图: (ac) S-LAHW的韧性断裂; (bd)2道 LBW-CW 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34-36)用于解释金属在NG-GMAW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NG-GMAW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NG-GMAW经常出现不完全融合缺陷 。
对于NGHW (D = 3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D = 0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 ， NG-GMAW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 。
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