中 国 激 光
CHINESEJOURNALOFLASERS
Vol36,No.12December,2009
文章编号:025827025(2009)1223167207
低功率YAG激光-熔化极气体弧焊复合焊接电弧等离子体行为研究
刘黎明 黄瑞生 曹运明
(大连理工大学材料科学与工程学院,辽宁大连116024)
摘要 采用高速摄像机、电流电压采集仪及光谱分析仪分别研究低功率YAG激光-熔化极气体弧焊(GMAW)复合焊接过程中的电弧形态、电压特点及局部电子温度、密度变化。在此基础上,运用等离子体热力学平衡理论分析复合焊接电弧等离子体的行为特征。试验表明,低功率YAG激光吸引、压缩GMAW电弧,提高电弧局部区域的电子温度至(15400±900)K,电子密度至(1.265±0.101)×1017cm-3,降低了GMAW热源输出电压,促进了焊接电弧等离子体局部热力学平衡(LTE)的建立。关键词 激光技术;激光复合焊接;电弧等离子体;发射光谱;电子温度与电子密度;局部热力学平衡中图分类号 TG456.9 文献标识码 A doi:10.3788/CJL20093612.3167
BehaviorAnalysisofLowPowerYAGLaser-GasMetalArcWelding
HybridWeldingArcPlasma
LiuLiming HuangRuisheng CaoYunming
(SchoolofMaterialsScienceandEngineering,DalianUniversityofTechnology,Dalian,
Liaoning116024,China)
Abstract Behaviorofweldingarcplasma,characteristicofweldingvoltage,localchangesofelectrontemperatureandelectrondensitywereinvestigatedrespectivelywithhighspeedcamera,inductancegaugeofcurrentandvoltage,spectrometerinlowpowerYAGlaser-gasmetalarcwelding(GMAW)hybridweldingprocesscomparingwithsimpleGMAWweldingcase.Basedontheexperimentalresults,behaviorsofhybridweldingarcplasmawereexplainedbyplasmatheoryofthermodynamicequilibrium.Theresultsindicatedthat,duetotheinputofYAGlaser,theGMAWarcwasattractedandconstricted,electrontemperatureandelectrondensityoflocalarcwereincreasedto(15400±900)Kand(1.265±0.101)×1017cm-3,thevoltageoutputofGMAWsourcewasdecreased,andtheformationoflocalthermodynamicequilibrium(LTE)ofhybridweldingarcplasmawasaccelerated.
Keywords lasertechnique;laserhybridwelding;arcplasma;emissionspectrum;electrontemperatureandelectrondensity;localthermodynamicequilibrium
1 引 言
激光电弧复合焊接技术首先由W.M.Steen等[1]于1979年提出。与单一激光、电弧焊相比,复合焊接不仅能发挥各自优势,同时具有提高速度、增加熔深、稳定焊接过程、降低装配条件等焊接效果[2～4]。随着工业生产的发展,激光电弧复合焊接技术逐步得到各国焊接界的广泛重视。多年的激
收稿日期:2008212218;收到修改稿日期:2009203212
基金项目:国家自然科学基金(50675028)资助项目。
光电弧复合热源焊接基础研究证明了复合焊接热源的优势和工业生产应用的可行性。最近几年,该
新兴焊接技术已在德国等发达国家的造船、汽车制造行业先后进入了工业化应用阶段[5,6]。
目前,激光电弧复合焊接的研究主要集中在激光-惰性气体钨极弧焊(GTAW)、激光-熔化极气体弧焊(GMAW)复合焊接工艺参数的影响及将复
),男,教授,博士生导师。主要从事轻合金先进连接技术及其机理以及焊接自动化等方面的研作者简介:刘黎明(1967—
究。E-mail:liulm@dlut.edu.cn
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中 国 激 光36卷
合焊接应用于不同材料的焊接中[7,8]。激光电弧
复合焊接过程是一个高度复杂的物理化学过程。由于激光与电弧相互作用的复杂性及测试手段的有限性,多年来激光与电弧相互耦合及影响的物理机制研究领域人们较少问津,但仍取得了一定的结果。激光的加入,在激光作用点处形成的等离子体为电弧提供导电通道,使电弧电导率增大、电阻下降,电流密度集中,电弧吸附、压缩于激光与材料作用点,稳定了电弧斑点,这不仅增加了熔深,而且有利于稳定电弧[1,2,9～14]。电弧对金属的预热作用,降低了金属对激光的反射,提高了金属对激光能量的吸收率,随着金属温度的升高,金属对激光的吸收率提高,电弧的预热作用降低了激光增强电弧的阈值能量[15～17];同时,电弧稀释了激光在激光与材料作用点处形成的高温高密度激光等离子体,降低了等离子体对激光能量的吸收、反射和散射,从而提高了激光能量的利用率[18～22]。
每一种复合焊接方法都是一个非常复杂的非线性系统,要想彻底了解激光与电弧的相互作用情况仍很困难,因此应针对不同的复合焊接方法进行更深入细致的研究。本文针对低碳钢深入开展了低功率脉冲YAG激光直流脉冲GMAW复合焊接研究,实时监测复合焊接过程电流电压、电弧行为及发射光谱的变化规律,同时利用谱线斯塔克(Stark)效应及玻尔兹曼(Boltzmann)分布图法分别估算了电弧局部电子密度及温度;在此基础上,结合复合焊接过程电弧等离子体行为特征,运用等离子体理论分析了低功率激光电弧复合焊接等离子体的行为特征。
图1复合焊接过程及分析仪器分布示意图
Fig.1Schematicdrawingofhybridweldingand
analyticalinstruments表1焊接参数Table1Weldingparameters
WeldingparametersAveragelaserpowerP/WLensfocusf/mm
DefocusingamountΔz/mmLaserpulsewidth/msLaserpulsefrequency/HzLaserbeamdiameter/mmGMAWpeakcurrent/AGMAWbasecurrent/AGMAWcurrentpulsewidth/msGMAWcurrentfrequency/HzGMAWaveragevoltageU/VWeldingwirespeed/(m/min)Flowrateofshieldinggas/(L/min)Weldingspeedv/(m/min)Laser-arcdistanceDLA/mm)Angleofweldingtorchα/(°
Values20012003310.5425403186318150.8040
2 试验设置及估算原理
2.1 试验设备与设置
使用电流、电压采集仪实时传感焊接电流、电
压;使用TDS1002型数字存储示波器显示、存储波形信号。使用垂直放置于焊接方向的采样频率为1072frame/s的CPL250KCMOS型高速摄像机
焊接试验过程及分析仪器分布如图1所示。试验使用LWS-500型YAG脉冲激光器旁轴复合YD-350AG1型GMAW焊机(直流反接),在尺寸为300mm×120mm×8mm的Q235B钢板上进行平板堆焊。试验约定,在同一焊道上,前半部分为YAG激光-GMAW复合焊接,后半部分为单独GMAW焊接。焊前用丙酮清洗去除钢板表面油脂,干燥后分别用砂布和钢刷去除其表面氧化膜,使表面状态一致。ER50-6焊丝直径为1.2mm。焊接保护气体为体积分数80%的Ar和体积分数20%的CO2,从焊枪喷嘴流出。试验过程中,除特定参数外,如未有特殊说明,则采用统一焊接参数,如表1所示。
对电弧形态变化进行实时拍摄。使用垂直放置于焊接方向的固定在三维运动瞄准仪上的光纤探头,采集透过焦距为500.0mm的GLA4782型石英平凸透镜的电弧发射光谱。使用经LHM254型汞灯光源定标的可观测范围为200～1000nm的SP-2556型光谱仪分析、记录电弧光谱。其相关设置为:谱线记录范围232.0～272.0nm,光栅1200g/mm,分辨率0.0318nm,CCD图像分辨率1340pixel×400pixel。通过直流脉冲电压上升沿触发控制脉冲信号,该脉冲信号触发激光器输出的Q开关而输出激光,并同步触发高速摄像机而记录电弧行为变化,同时该脉冲信号延时0.5ms触发SP-2556型光
12期刘黎明等: 低功率YAG激光-熔化极气体弧焊复合焊接电弧等离子体行为研究
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波长范围为232.0～272.0nm的等离子体光谱,如图2
所示。2.2 电弧等离子体电子温度、密度估算
当焊接电弧等离子体某局部区域的电子密度足够大,满足式(1)的条件时,则该区域处于局部热力学平衡状态(LTE)[23,24]
(1)・Te2・(ΔE)3,
式中Ne为电子密度,Te为电子温度,ΔE=Em-En为上能级m能量Em与下能级n能量En之间差值的最大值。
当测量的发射谱线光学厚度满足(2)式的条件
Ne≥1.6×10
12
1图2232.0～272.0nm范围的YAG激光-复合
焊接电弧等离子体光谱
Fig.2Arcplasmaspectrumbetween232nmand272nmcapturedinYAGlaser-GMAWhybridweldingprocess
谱仪而记录电弧发射光谱。焊接试验条件下所采集的
ef
ε20mec
2
时,则发射谱线是光学薄的[25,26]。
Nmgn1・・Lν1,λNngmΔ1/2
Ne=10
16
S
Δλ・2w,1/2/
τL=mnλ=Kmnλ・mnNn1-(2)
式中τmnλ为谱线光学厚度,Kmnλ为光学吸收系
数,L为等离子体厚度,λ为由上能级m向下能级n跃迁产生的波长,e为电子电荷,me为电子能量,ε0为真空介电常数,c为光速,fmn为振子强度,Nm与
Nn分别为同种原子或离子处于能级m与能级n的
(4)
Sλω为式中Δ1/2为Stark效应引起的谱线半峰全宽,电子碰撞半宽度。由于谱线Stark加宽主要谱线线形为洛伦兹(Lorentzian)型,为分析谱线半峰全宽,
本文运用Lorentizian函数拟合观察到的谱线。
粒子密度,gm与gn分别为能级m与能级n的统计权
λ重,Δ当不考虑受激1/2为谱线半峰全宽(FWHM)。
发射对电弧等离子体吸收的影响时,有Nmgn/Nngmν1。
当焊接电弧满足局部热力学平衡及光学薄假设时,可以通过Boltzmann分布图法估算电子温度[27]
lnImn(i)λgm(i)Amn(i)=mn(i)/
(3)-Em(i)/kTe+C,
式中Imn及Amn分别为上能级向下能级跃迁的谱线强度及跃迁几率,k为Boltzmann常数,C为常数。根据(3)式,以lnImn(i)λgm(i)Amn(i)为变量,以Em(i)mn(i)/
为自变量,对同一元素相同离化态的多条谱线就可以拟合得到一个直线关系,其斜率为-1/kTe,如此便可计算得到电子温度。
对焊接电弧等离子体而言,电弧中的辐射粒子处于电子及离子包围中,则由带电粒子的长程库仑力作用所决定的斯塔克谱线展宽效应占优势(多普勒效应可以忽略)。同时,根据斯塔克谱线展宽理论,对中性原子和其一次电离的离子的孤立谱线而言,其谱线加宽主要是由电子碰撞引起的,而粒子准静态库仑场对谱线的展宽效应的贡献很小。因此焊接电弧等离子体的电子密度估算可通过简化式得出[24,27]
3 试验结果及分析
3.1 焊接电弧行为
前期试验研究了激光功率、离焦量、光丝间距等参数对电弧形态、焊缝熔深的影响[28],试验结果如图3所示。结果表明,在上述焊接参数条件下,低功率YAG激光-GMAW复合焊接熔深(3.2mm)大于单GMAW焊接熔深(2mm),复合焊接熔深增加60%,复合焊缝根部呈现钉尖状,说明该激光功率下的焊接试验能实现深熔焊,形成了匙孔,而匙孔的深度受到低激光功率的限制而较浅。
图3堆焊焊缝横截面对比。(a)复合焊接;
(b)GMAW焊接
Fig.3Crosssectioncomparisonofthebead-on-plateweld.(a)Hybridwelding;(b)GMAWwelding
同时,试验研究发现激光吸引、压缩电弧。高速摄像机拍摄的、电弧稳定燃烧状态下(脉冲GMAW
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中 国 激 光36卷
电弧电压处于峰值区域)的YAG激光-GMAW复
合焊接电弧及单独GMAW焊接电弧,其形态如图4所示。对比电弧外观轮廓可以知道,复合焊接电弧被吸引到激光与材料的作用点上(匙孔上方),电弧根部及临近区域(如A点附近区域)被强烈压缩导致横截面明显减小,如图4(a)所示;远离激光作用点处的复合电弧(如中部B点附近及中上区域)的横截面变化不大,表现出GMAW焊接电弧的特点,如图4(b)所示。
电弧体积减小。以上因素最终导致了复合焊接电弧在弧根及临近区域被强烈吸引及压缩。而对远离激光作用点的复合焊接电弧而言,如B点附近及近焊丝部分的电弧区域,其受激光的影响很小,电弧特性改变不大,表现出单独GMAW焊接电弧的特点,故其横截面变化不大。3.2 焊接电弧电子温度、电子密度
焊接试验中,光纤探头对准激光作用点上方的A点区域(距离试板表面1mm)及远离激光作用点的B点区域(距离试板表面3mm),如图4(a)所示,分别采集这2个局部区域的电弧光谱。对比采集的波长范围为232.0～272.0nm的YAG激光-GMAW复合焊接电弧光谱及单独GMAW焊接电弧光谱,发现其线状谱是一致的,如图2所示。在前期复合焊接电弧光谱测量、电子温度及密度估算研究的基础上[31],选取Fe元
图4电弧稳定燃烧状态下的复合焊接电弧(a)及
GMAW电弧(b)形态对比
Fig.4Arcbehaviorcontrastbetweenhybrid(a)and
GMAW(b)weldingwhenarcburns
在单独GMAW焊接过程中,熔池表面阴极区
电弧温度受到钢铁蒸气温度(约3000K)的限制,其温度略高于钢铁蒸气温度,如4000K;而在低功率YAG激光脉冲焊接过程中,匙孔中喷射出来的等离
素相同离化态的多条发射谱线:FeII233.8008nm,FeII234.8303nm,FeII238.863nm,FeII239.9242nm,FeII259.8370nm及FeII260.7088nm。根据(3)式,运用Boltzmann分布图法估算电弧电子温度,相关参数可参考NIST数据库[32],对谱线FeII238.863nm进行Lorentizian拟合并测量其半峰全宽,根据(4)式估算电
ω统一取0.0044nm[33]。弧电子密度,
图5(a)为根据上述方法得到的A点区域典型Boltzmann图,图5(b)为根据Boltzmann图法计算
子体羽辉温度可达8000K[29]。虽然匙孔上方(约1.5mm)羽辉温度迅速降低(5000K)[30],但是,匙
孔内部温度必将高于其喷射出来的羽辉温度。因此,在YAG激光-GMAW复合焊接过程中,由于匙孔强烈吸收激光能量,形成的高温等离子体羽辉从匙孔中不断溢出。高温等离子体羽辉的存在改变了电弧阴极特性,使该区域的电弧温度急剧升高。通过Spitzer[15]给出的等离子体电阻率公式
/2
πe2m1eη=23/2lnΛ,(4πε0)(kTe)
所得的焊接电弧A,B点区域的电子温度变化趋势。
结果表明,如图5(b)所示,低功率YAG激光-GMAW复合焊接电弧弧根压缩区域(A点区域)的电子温度高于单GMAW焊接电弧相同区域的电子温度,即Te-Hybrid=(15400±900)K>Te-GMAW=(11200±700)K;而远离激光作用点的复合电弧区域(B点区域)的电子温度变化与单GMAW焊接电弧相同区域的电子温度相差不大,均约为(17500±1000)K。
由于复合焊接电弧在弧根及临近区域被强烈吸引及压缩,同时该区域的电子温度高于单GMAW焊接电弧相同区域的电子温度,因此,只针对焊接电弧A点区域的电子密度进行分析。图6(a)为谱线FeII238.863nm的Lorentizian拟合图,图6(b)为计算所得的焊接电弧A点区域的电子密度变化趋势。结果表明,如图6(b)所示,低功率YAG激光-GMAW复合焊接电弧弧根压缩区域(A点区域)的电子密度高于单GMAW焊接电弧相同区域的电子密度,即Ne-Hybrid=(1.265±0.101)×1017cm-3>Ne-GMAW=(1.043±0.083)×1017cm-3。
(5)
式中lnΛ为库仑对数。在匙孔上方激光作用点区域,复合电弧与GMAW电弧的电阻率之比为:
η4000/80003/2Hybrid/ηGMAW=Te-GMAW/Te-Hybrid=
=0.353。因此,激光的加入,降低了激光作用点区
域的电阻,从而增加了电弧经过该路径时的电导率。根据电弧最小电压原理,电弧被吸引到匙孔处。同时,匙孔附近的高温等离子体羽辉为电弧提供了一个非常稳定的阴极斑点,同样促使电弧偏向匙孔。匙孔上方形成的高温等离子体羽辉通道为电弧提供了具有更高电导率的导电通路,但是,由于该导电通道狭窄,所以近熔池表面的电弧被压缩到匙孔附近,
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图5焊接电弧区域电子温度估算。(a)A区典型Boltzmann图;(b)焊接过程中A,B区电子温度的变化
Fig.5Electrontemperaturemeasurementofweldingarc.(a)TypicalBoltzmannplotforselectedFeIIemissionlines
attheAregion;(b)variationofelectrontemperatureduringweldingprocessattheregionsofAandB
图6焊接电弧A区电子密度估算。(a)谱线FeII238.863nm的Lorentizian拟合图;(b)焊接过程A区电子密度变化
Fig.6ElectrondensitymeasurementofweldingarcattheAregion.(a)LorentzianfittingoftheStarkbroadenedprofilefor
FeII238.863nm;(b)variationofelectrondensityduringweldingprocessattheAregion
因此,在低功率YAG激光-GMAW复合焊接过程中,激光作用点上方的电弧弧根及临近的压缩区域的电子温度、密度高于单GMAW焊接电弧相同区域的电子温度、密度。从匙孔中喷射出来的高温等离子体羽辉,其内部包含的大量自由电子改变了电弧阴极电子发射方式,从而改变电弧弧根特性,使电弧弧根及临近的区域被吸引并压缩。该宏观压缩作用提高了电弧的电子密度。由于电子质量远小于离子及中性原子的质量,处在激光辐照区的从匙孔中不断溢出的自由电子及电弧本身包含的自由电子,由于吸收激光能量而被快速加速,电子热运动速度获得很大的提高,获得足够能量的自由电子通过碰撞将能量传递出去,同时使金属蒸气和周围气体电离,提高了激光辐照区及其附近区域的电离度,则电子温度、电子密度获得提高。从匙孔中不断溢出的等离子体羽辉不仅包含大量的自由电子,同时包含大量的具有较低电离能的金属原子,金属原子在激光照射作用下及电弧热作用下由于温度迅速升高而大量电离,使电子密度获得提高。上述因素导致了激光作用点上复合焊接电弧等离子体电子温度、电子密度局部升高现象的产生。
由上述电弧局部区域电子温度估算结果知道,
其电子温度均低于30000K,同时估算所采用的FeII233.8008nm谱线的上、下能级能量差值ΔE=5.301359eV[32],则根据公式(1)估算所得的焊接电
弧等离子体处于局部热力学平衡状态的最低电子密度阈值为4.1289×1016cm-3。电弧局部区域电子密度估算结果表明,电弧局部电子密度均高于9×1016cm-3。因此实验条件下的复合焊接电弧及GMAW焊接电弧较好地满足局部热力学平衡状态
条件。根据公式(2)计算选取的6条发射谱线的光学厚度,均发现τ<0.04(FeII233.8008nm为mnλ0.0293,FeII234.8303nm为0.0262,FeII238.8630nm
为0.0232,FeII239.9242nm为0.0255,FeII259.8370nm为0.0379,FeII260.7088nm为0.0306),因此谱线的自吸收可忽略,复合焊接及GMAW焊接电弧等离子体可认为是光学薄的。
3.3 焊接电弧电压
焊接过程中实时采集的低功率YAG激光-GMAW复合焊接电流、电压及GMAW焊接电流、
电压如图7所示。结果表明,当GMAW焊机设定的输出基值、峰值电流一定时,复合焊接基值、峰值
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中 国 激 光36卷
电压均分别小于GMAW焊接电压基值、峰值。
图7焊接电流、电压。(a)复合焊接;(b)GMAW焊接
Fig.7Voltageandcurrentofwelding.(a)Hybridwelding;(b)GMAWwelding 与GMAW焊接过程对比,在低功率YAG激光-GMAW复合焊接过程中,匙孔为焊接电弧提供了大量的自由电子,不仅改变了电弧阴极电子产生方式,同时提高了电导率。因此降低了电弧阴极电场强度。匙孔中不断溢出的进入弧柱中的大量具有较低电离能的金属蒸气,由于更容易电离的原因而提高了弧柱的电导率,同样降低了激光作用点上方电弧弧柱区域的电场强度Ek;而电弧中、上部区域及阳极区域,受到激光作用影响较小,其电场强度
Ed及Ea改变不大。当电弧阴极(k)、弧柱、阳极(a)长度不变时,焊接电压可计算为
U=Ekrk+Euru+Edrd+Eara,
(6)
撞)全部传给重粒子时[35]
σE2=3kTe-TgδνegNe/2,
(7)
式中σ=e2λmeVe为等离子体电导率,λeNe/e=
∑
x
NxQex
-1
为电子在气体中的自由程,Nx为等
离子体各组分浓度,Qex为碰撞截面,Ve为电子热运动速度,E为电场强度,Tg为重粒子温度,δ=2me/mg为电子弹性碰撞传出的那部分能量,mg为
重粒子质量,νeg=Ve/λe为电子与重粒子的碰撞频
率。由(7)式推导可得
λπmgTe-TgeeE3=・・3kTe/2Te32me
2
,(8)
式中U为电压,E为电场强度,r为弧长。则在复合焊接过程中,由于激光的加入而引起的阴极、近阴极弧柱压缩区的电场强度减小,均降低了GMAW热源输出的基值、峰值电压。
3.4 激光与电弧作用
式中括号内式子意义为电子获得的电场能量与其热运动动能之比。可以看出,降低电子获得的电场能量和提高电子热运动动能均有利于电弧等离子体局部热力学平衡的建立。
根据上述对低功率YAG激光-GMAW复合焊接过程中的电弧形态特征、电压特点及局部电子温度、密度变化的研究结果,可以知道,激光吸引电弧、强烈压缩电弧根部及临近区域,减少了该区域电弧等离子体和周围介质之间的接触换热,同时提高了等离子体粒子间的弹性和非弹性碰撞次数;匙孔的形成及从中不断溢出的进入弧柱中的大量具有较低电离能的金属蒸气,降低了由电弧热源供给能量
的电场强度(特别是阴极、电弧根部与临近压缩区域),从而降低了电子所获得的电场能量;激光辐照区的等离子体吸收激光能量,提高了相近区域的电子温度及电子密度(特别是电弧根部与临近压缩区域),从而不仅提高了电子的热运动动能,而且提高了使电弧等离子体体积内部温度和粒子浓度趋于平衡的输运系数(热导系数、扩散系数、电导率)。因此,低功率YAG激光的加入,有利于促进焊接电弧等离子体局部热力学平衡态的更快建立。
在电弧等离子体理论计算模型中,当焊接电弧等离子体某局部区域电子密度足够大时,该局部区域处于热力学平衡状态[23,24]。而对实际焊接电弧等离子体而言,由于电弧等离子体与周围环境存在能量、动量、质量迁移过程,系统整体就已处于不平衡状态,同时电场能量主要传递给电子,然后通过碰
撞再传递给重粒子(离子及中性粒子),因此电弧等离子体各区域达不到绝对的局部热力学平衡。只有电弧等离子体弛豫长度、弛豫时间足够小,在等离子体粒子碰撞之间的自由程上偏离平衡态不大时,可以认为电弧等离子体中(特别是弧柱区)每一局部区域的电子温度与重粒子温度彼此相近,也就是说,电弧等离子体中的条件接近于局部热力学平衡条件(等离子体是准等温的)。如此,可以估量促进电弧等离子体局部热力学平衡建立的条件[34,35]。当电子获得的电场能量通过弹性碰撞(不考虑非弹性碰
12期刘黎明等: 低功率YAG激光-熔化极气体弧焊复合焊接电弧等离子体行为研究
3173
4 结 论
1) 低功率YAG激光的加入,会吸引熔化极气体
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弧焊电弧、强烈压缩电弧根部及临近区域,提高压缩区域的电子温度至(15400±900)K,电子密度至(1.265±0.101)×1017cm-3,同时降低熔化极气体弧焊热源输出电压。2) 低功率YAG激光的加入促使电弧等离子体中的热力学条件更接近于局部热力学平衡条件,促进焊接电弧等离子体局部热力学平衡态的更快的建立。
参考
文
献
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