激光填丝焊焊丝熔入行为研究

（兰州理工大学省部共建有色金属先进加工与再利用国家重点实验室，甘肃兰州730050）

0 前言

金属材料激光增材制造技术因其高柔性化、设计制造一体化、高度自动化和材料使用广泛等特点，大大缩短零件的制造周期，可直接低成本一体化制造和优化复杂构件，为传统的零件加工开辟出一条崭新的道路，在航空航天、国防军工等领域具有广阔的应用前景[1-2]。过去20年，国内外学者主要研究以激光为热源的粉基金属增材制造技术并取得一定的成果，但粉基金属原材料制备成本较高、易受污染、利用率低等特点增加了原料成本[3]。激光填丝增材制造技术以金属丝材作为填充材料，材料利用率高、无粉尘污染，更具有经济性，为复杂结构件的一体化成型和高精尖受损零部件的增材修复提供了便利[4]。目前，开展最多的是基于工艺试验和焊缝沉积层组织性能方面的探索研究。Sui Him Mok[5－6]和Waheed Ul Haq Syed[7]等人采用激光填丝堆焊工艺制备TC4钛合金，研究激光功率、扫描速度、送丝速度和送丝角度等参数对单道焊缝成形的影响；德国的Erhard Brandl和比利时的Bernd Baufel[8]等人采用Nd－YAG激光器制备TC4钛合金，并从组织和性能方面与TIG电弧熔丝增材制造成形件进行对比，结果表明激光填丝增材制造成形件的强度和塑性均略低于电弧成形件。

控制沉积层成形精度是金属丝材增材制造的技术关键，由于激光填丝焊接要添加焊丝，焊丝的送进条件以及光丝耦合行为的复杂性使得焊接过程稳定性的控制更加困难，而针对工艺研究摸索出的工艺窗口受限于诸多工艺参数的影响无法进行工艺移植，难以揭示影响焊接过程稳定性的本质因素，理论指导作用有限。

基于以上背景，本研究结合理论分析采用高速摄像采集技术进行大量工艺试验，对焊丝的加热机制、液态金属过渡行为和焊缝成形机理等基础问题进行系统研究，为激光填丝焊接技术在增材制造和增材修复领域的应用提供一定的理论指导。

1 试验方法

试验材料为4.0 mm厚的Q235碳钢板材，焊丝为直径1.2 mm的E501T－1低合金钢药芯焊丝，其化学成分如表1所示。

表1 E501T-1低合金钢药芯焊丝化学成分%

试验系统示意如图1所示。焊接热源由西安炬光科技公司设计的Dlight3半导体激光器提供，其最大功率 1.5 kW、波长976 nm、光斑尺寸3 mm×1 mm、工作距离275 mm、工作模式CW，为了减弱反射的激光能量损坏激光器和其他元器件，焊接过程中激光头的中轴线逆着焊接方向进行一小角度偏转（15°）；送丝系统采用经过改装的华意隆SB－10送丝机，送丝速度0～5 m/min且稳定可调；为了保护高温熔池和焊缝金属，避免焊缝金属氧化和形成气孔等缺陷，设计专门的送气装置侧吹氩气保护熔池和焊缝，送气管位于焊接方向的后端与激光束以及送进焊丝共面；配合自行设计的四轴联动机器人进行试验；利用高速摄像系统实时采集焊接过程，高速摄像分辨率为350×250，每秒帧数为1 000，为了提高高速摄像采集区域的清晰度，采用NBT公司生产的HSX－F300氙灯作为辅助光源。

试验前首先将板材加工成尺寸100 mm×70 mm的试件，采用化学清理和机械加工去除试件表面的油污和氧化膜。利用高速摄像采集技术和平板堆焊相结合的手段，对激光填丝焊焊丝的加热熔化机制、液态金属动态过渡行为和焊缝成形机理进行研究。

图1 试验系统示意

2 结果与讨论

通过前期大量工艺试验发现，焊丝送进位置（即光丝间距）和送丝速度是影响焊丝加热熔化机制、熔滴过渡行为和焊缝成形质量的关键因素。

2.1 焊丝送进位置的标定

光丝间距OO'是指焊丝端部与工件接触点相对于激光束与工件接触点之间的距离[9]，光丝间距OO'可分解为平行于焊接方向上的距离Dx和垂直于焊接方向上的距离Dy，如图2所示。

图2 光丝间距分解示意

大量工艺试验研究发现，垂直于焊接方向上的距离偏差Dy不为0时，在优化的工艺参数下仍然难以得到稳定的焊接过程和质量良好的焊缝。因此，本研究预设Dy为0，研究平行于焊接方向上的距离偏差Dx对焊丝熔入行为和焊缝成形特征的影响机理。

根据激光离焦量（0 mm）、激光光斑尺寸（3 mm×1mm）、焊丝直径（1.2mm）、激光束偏转角度（15°）和送丝角度（45°），结合几何关系和三角函数的计算，可将激光束和焊丝的相对位置关系分为3种典型情况，如图3所示。

图3 激光束和焊丝典型位置关系

2.2 焊丝的加热熔化机制

激光填丝焊中激光束与焊丝相互作用的机理比较复杂，由于采用的Dlight3半导体激光器的功率密度有限，通过高速摄像实时观察焊丝动态熔入过程可知，焊接过程中可忽略等离子体的作用；在优化的工艺参数下，焊丝主要被激光热量PL、金属蒸汽和熔池辐射热量PP及熔池液态金属热传导热量PM熔化。焊丝的加热熔化机制可分为两种类型：（1）PL+PP，如图4a所示，送进的焊丝在激光热量PL、金属蒸汽和熔池辐射热量PP的共同作用下熔化后过渡到熔池中；（2）PL+PP+PM，如图4b所示，当激光热量PL、金属蒸汽和熔池辐射热量PP不足以使焊丝完全熔化时，随着焊丝的送进，未熔化的固态焊丝插入熔池通过熔池液态金属传导热量PM完全熔化后在熔池中铺展形成焊缝。焊丝在不同熔化机制下的动态熔入过程如图5所示。

图4 焊丝熔化机制示意

2.3 液态金属过渡行为

研究液态金属的过渡行为和形成机理，可进一步揭示焊丝熔入行为和焊缝成形质量之间的内部联系。分析焊丝动态熔入过程可知，在相同工艺参数下，根据焊丝送进位置和送丝速度的变化，液态金属的过渡方式可分为液桥过渡、大滴过渡和铺展过渡3种。

2.3.1 铺展过渡行为的形成条件及机理

当光丝间距Dx＞0.29 mm且送丝速度较小时，液态金属以铺展过渡的形式过渡到熔池中。

图5 焊丝熔入动态过程

当光丝间距Dx＞0.29 mm时，焊丝与激光束完全分离，激光热量全部作用于母材上，焊缝熔深较大，焊丝端部送到熔池边缘熔化困难。铺展过渡焊丝熔入动态过程如图6所示。当送丝速度较小（vf=0.5 m/min）且焊丝端部能够到达熔池边缘时，焊丝端部在熔池液态金属蒸汽的作用下预热至半熔化状态；随着焊丝的继续送进，预热至半熔化状态的焊丝端部与熔池边缘相接触，由PP+PM熔化后在重力和表面张力的作用下于熔池中充分铺展形成焊缝，由于进入熔池中的金属体积较小，铺展过渡形成的焊缝类似自熔焊，焊缝宽度和熔深较大，余高较小，如图7所示。随着送丝速度的增大（vf=0.75 m/min），焊丝无法完全熔化，从而以固态形式与母材表面接触发生顶丝弯曲，焊接过程中通过检测送丝轮的转动速度可知，实际送丝速度远小于设定值且送丝轮的转动呈现断断续续的周期性不稳定现象，焊接过程无法连续进行。

图6 铺展过渡焊丝熔入动态过程（Vf=0.5 m/min）

2.3.2 大滴过渡行为的形成条件及机理

图7 铺展过渡焊缝形貌及熔深

当光丝间距Dx＜-0.75 mm时，液态金属以大滴状滴落到熔池中，焊接过程稳定性差，焊缝由不连续的颗粒状焊疤构成。

光丝间距Dx＜-0.75 mm时，焊丝几乎完全遮挡激光束，大部分激光热量被焊丝吸收，照射到母材表面的激光热量很少。大滴过渡焊丝熔入动态过程如图 8所示，送丝速度较小时（vf≤0.5 m/min），焊丝快速熔化成尺寸很小的熔滴并在表面张力作用下附着在焊丝端部，随着焊丝的继续送进，激光束与熔滴二次耦合，熔滴在激光束照射下造成大量飞溅的同时蒸发汽化严重。金属蒸汽的扰动导致焊接过程很不稳定，焊接过程中的飞溅和金属蒸发汽化造成液态金属大量烧损，焊缝表面形貌及横截面如图9所示。

溶滴背向生长过程及受力示意如图10所示。随着送丝速度的增大（0.5 m/min＜vf＜1 m/min），附着在焊丝端部的熔滴在重力和表面张力的共同作用下沿背向快速生长，最终在重力、表面张力和金属蒸汽压力的作用下，熔滴上下振荡瞬间滴落到熔池中。由于送丝速度增大，激光热量短时间内不足以使焊丝熔化升温至沸点，焊接过程中由于飞溅和蒸发烧损液态金属体积减少，但熔滴的滴落对熔池造成严重冲击，使得焊接过程不稳定。结合大滴过渡的焊缝形貌，分析高速摄像采集的大滴过渡动态过程可知，大滴过渡具有明显的周期性，通过记录相邻两次大滴过渡的间隔时间T=T4-T2=1.958 s，并结合焊接速度v=2 mm/s，可计算出焊缝成形后相邻焊疤中心之间的距离S为3.9 mm（S=vT=1.958×2=3.916 mm），与实际测量值相符，如图11、图12所示。理论上可通过调节焊接速度和熔滴过渡频率来减小相邻焊疤的中心间距，从而得到表面成形较好的焊缝，但在实际焊接过程中因工艺窗口太窄其可行性不强。

图8 大滴过渡焊丝熔入动态过程

图9 大滴过渡典型焊缝形貌及横截面

图10 熔滴背向生长过程及受力示意

图11 相邻熔滴过渡动态过程

图12 大滴过渡典型焊缝形貌及横截面

2.3.3 液桥过渡行为的形成条件及机理

当-0.75 mm＜Dx＜0.29 mm 时，在很大的工艺参数范围内可以形成液桥过渡，焊接过程稳定且焊缝成形质量好。

在-0.75 mm＜Dx＜0.29 mm 时，激光束与焊丝部分重叠，部分激光热量熔化焊丝，部分激光热量熔化母材形成熔池。液桥过渡动态过程如图13所示，送丝速度较小时焊丝能够在PL+PP作用下完全熔化，随着焊丝送进熔滴体积增大且瞬间与熔池液态金属接触形成液桥，在表面张力和重力作用下液态金属通过液桥源源不断地过渡到熔池中。当PL+PP不足以使焊丝完全熔化时，根据激光束和焊丝端部的位相关系，随着焊丝送进，焊丝未熔化部分插入熔池在熔池液态金属热传导作用下充分熔化后，以液桥过渡方式过渡到熔池中铺展形成焊缝，如图14所示。

分析可知，焊丝与激光束部分重叠时只要严格控制焊丝端部到母材表面距离，在很宽的工艺参数范内焊丝均能充分熔化并形成稳定的液桥过渡。光丝间距为0时，激光功率的可调性和对焊接过程波动适应性最强，是形成液桥过渡的最佳焊丝送进位置；液桥过渡时熔滴对熔池的冲击作用微弱，焊接过程稳定，焊缝表面光滑细密、鱼鳞纹均匀，如图15所示，液桥过渡是最理想的液态金属过渡行为。

图13 液桥过渡动态过程

图14 液桥过渡动态过程

图15 液桥过渡焊缝形貌及横截面

3 结论

（1）激光束和焊丝的相对位置是影响焊丝熔入行为的最主要因素，可分为激光束和焊丝部分重合、完全分离、激光束在焊接方向上被焊丝完全遮挡3种典型的位置关系，每种位置关系对应的光丝间距可根据光斑尺寸、焊丝直径和送丝角度等进行数学计算和标定。

（2）熔化焊丝的热源主要有激光热量、熔池和金属蒸汽热辐射热量以及熔池液态金属热传导热量，焊丝的加热熔化机制可分为PL+PP和PL+PP+PM两类典型情况。

（3）根据光丝间距和送丝速度的变化，液态金属过渡方式可分为液桥过渡、大滴过渡和铺展过渡3种，其中液桥过渡方式对焊接参数的波动性适应性强，可在较宽工艺区间内实现焊接过程稳定和良好的焊缝成形，是最理想的液态金属过渡方式。

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