采用交變輔助磁場來提高激光-電弧復合焊接時的穿透深度，并解釋了相關機理。

成果簡介：采用交變磁場來提高激光-電弧復合焊焊接316L時的焊接穿透深度。交變磁場對提高激光-電弧復合焊時穿透深度的影響機理進行了揭示。結果表明在不同的磁場密度下的焊接深度是由于弧等離子體的特征、激光誘導的等離子體、液滴的過渡和匙孔的行為等綜合作用的結果，在低磁場密度下（分別為 20 m T 和 30 m T）壓縮的弧形狀會促進激光誘導的等離子體沿著激光束的通道進行移動，導致焊接深度降低。然而，激光誘導的等離子體在較高的磁場密度下（分別為60 m T 和 90 m T）的時候會沿著激光束的通道進行消散。這是復合焊接熱源能夠增加焊接穿透深度的主要原因。此外，液滴在匙孔后部的過渡而不是在匙孔前部的過渡是更加穩定的匙孔會在較高的磁場密度下獲得，這也是激光能量焊接穿透深度深的好處。而且，弧等離子體的帶電荷離子的運動行為和激光誘導的等離子體的和液滴過渡的力的狀況均在激光-電弧復合焊接中采用磁場進行輔助焊接的時候給予了討論。

▲圖1（a）交變磁場輔助的激光-電弧復合焊接的示意圖；（b）外部磁場的布局圖

1. 應用背景介紹

在最近，激光-電弧復合焊技術由于綜合了激光和弧焊的熱源的優勢，吸引了廣泛的注意，這是因為該技術具有獨特的優勢，正如文獻中所提到的一樣，同單純的激光焊接或電弧焊焊接相比較，激光-電弧復合焊接技術可以實現更好的間隙接通能力、更快的焊接速度和更高的焊接穿透深度，這主要得益于激光-電弧復合焊接的優異的協同效應的結果。然而，也有研究指出，激光束和電弧的耦合是比較復雜的，尤其是在考慮在激光-電弧復合焊接的過程中熱源和基體材料的相互作用的時候，是非常復雜的。液滴過渡、弧等離子體的特征和激光誘導的等離子體、溶體的流動和匙孔的行為均在激光-電弧復合焊接的過程中發生。與此同時，這些特征對激光-電弧復合焊的焊接接頭產生顯著的影響。

▲圖2 在交變磁場的條件下激光-電弧復合焊接的監控示意圖

焊接的深度，作為焊接質量表征的一個重要的特征參數，經常作為焊接過程中非常受人關注的一個參數。對于激光-電弧復合焊接來說，焊接深度主要受到激光熱源的影響，這是因為激光具有非常獨特的且強烈的穿透能力。關于單獨激光束焊接穿透深度的相關研究已經有很多，其激光誘導的等離子體已經被證實。

研究發現，在激光焊接的時候熱源的效率，在CO2激光焊接中碳鋼的時候會由于激光誘導的等離子體羽所壓縮。同時有研究指出激光誘導的等離體子會屏蔽激發的激光束，且有大約50%的激光束能量會被吸收，此時的前提條件是在高功率二氧化碳激光同材料相互作用的時候等離子體屏蔽效應產生的時候。也有研究指出等離子體羽在近紅外光束時的條件下衰減表明激光能量的衰減在激光焊接的過程中大約為3 %–13 %，這一數值是通過探測激光束測量的結果。相似的結果也被其他的研究學者所證實。

此外，有研究指出在激光焊接鋁合金的時候的激光誘導的等離子體羽的特征的時候發現，激光束的能量會在激光能量束的通道由于吸收、反射和散射而減弱。其屏蔽效應通過等離子體的一個逆韌致輻射效應所占據?；谝陨涎芯?，為了減少激光能量所造成的等離子體羽的屏蔽效應和提高焊接時的穿透深度，人們采用了各種不同的辦法來減少或消除激光焊接過程中等離子體羽的屏蔽效應。包括側吹輔助氣體和應用真空或采用低于大氣壓的辦法進行焊接。然而，這些辦法并不適合激光-電弧復合焊工藝來減少激光誘導的等離子體羽的負面效應，這是因為此時還存在弧等離子體。此外，有研究提出，匙孔的不穩定性也是一個影響激光束焊接深度的一個重要因數，這是因為激光能量為了保持匙孔的穩定性會發生損失。同單一激光束焊接相比，熔池的流動也更加復雜，而且匙孔在激光-電弧復合焊接的過程中變得波動更大，這是因為液滴過渡轉移的力的影響。基于擴大激光-電弧復合焊接的應用范圍的目的，非常有必要來尋找一個輔助的辦法來提高激光-電弧復合焊接過程中的焊接深度且同時保證焊接質量的可靠性。

▲圖3 在不同的磁場密度的條件下進行激光-電弧復合焊接316不銹鋼時得到的外觀形貌圖和橫截面圖：磁場密度分別為 (a) B = 0 m T; (b) B = 20 m T; (c) B = 30 m T; (d) B = 40 m T; (c) B = 60 m T; (d) B = 90 m T

在過去的幾十年內，磁場輔助焊接技術被開發出來并應用于傳統的弧焊或激光焊接過程中。磁場對弧行為、液滴過程、激光誘導的等離子體和溶體流動的影響均給予了研究。研究表明外部磁場可以控制弧等離子體的形狀和運動，其控制是通過調節磁場的方向和參數來實現的。Bachmann等人應用一個穩態磁場施加到激光焊接過程中，發現施加的外部磁場可以產生Hartmann效應，這一效應會影響到熔池中的溶體的流動的動力學。正如Tse等人所觀察到的一樣，激光誘導的等離子體可以 通過外部磁場來進行控制，在采用二氧化碳激光進行焊接的時候可以增加7%的焊接深度。Li等人聲稱匙孔的穩定可以通過在激光穿透焊接時施加的外部磁場來實現。而且，üstünda? 等人研究了振蕩磁場對匙孔穩定性的影響。以上提到的研究表明應用外部磁場對弧焊接和激光焊接具有非常顯著的影響。然而，對于外部施加的磁場對激光-電弧復合焊接的影響還沒有人實施。其中磁場和激光-電弧復合焊接工藝之間的復雜的作用機理需要被證實。

▲圖4 在不同磁場密度下的焊接深度和寬度

因此，在本研究中，來自哈爾濱工業大學和合肥工業大學的研究人員，為了探索外部施加的磁場對激光-電弧復合焊接時復合熱源的穿透能力的影響，開展了不同交變磁場強度條件下激光-復合焊接的相關影響。復合等離體子的特征，包括 弧等離子體和激光誘導的等離子體在不同磁場密度下的特征進行了監控和對液滴過渡和匙孔的動力學行為通過三明治的測試辦法進行了觀察。而且，復合熱源的穿透機理在不同的交變磁場強度下的情況均進行了詳細的研究。

▲圖5 當磁場強度分別為：B = 0 m T, B = 20 m T 和 30 m T的條件下在一個周期內金屬等離子體羽和弧的形貌

2. 實驗方法

實驗采用316不銹鋼板，其尺寸為150 mm × 100 mm × 6 mm ，采用ER316 L填充焊絲，焊絲直徑為1.2mm，作為焊接的填充材料。采用純Ar作為保護氣體。

▲圖6 當磁場強度分別為：B = 40 m T, B = 60 m T and B = 90 m T的條件下，在激光-電弧復合焊接時弧的形貌和金屬等離子體羽的形貌

采用功率最高為6000 W的光纖激光器，耦合一個弧焊系統以及KuKa焊接機器人作為實驗的設備。激光波長、激光焦距和激光束的BPP分別為1.06 μm, 300 mm和6 mm·mrad。弧電流的范圍為50 A到280 A。此外，交變磁場為正弦波形，是通過一個特別設計的磁場系統來實現的，最大的磁場強度為200 mT .

▲圖7 通過光譜診斷分析收集到的識別的位置和光譜譜線：(a)識別的位置；(b) 光譜譜線

實驗采用平板堆焊的方式進行。圖1（a）所示為激光-電弧復合焊接在不同交變磁場作用下進行焊接的實驗過程。磁場線圈直接放置在激光束和基體金屬之下。激光頭、弧槍和磁場線圈均固定，而工件則在驅動下進行運動。如圖1（b）所示，一個特殊的磁場系統，包括功率模塊、波形模塊生成器、功率放大器和磁場線圈等。功率模塊是用來作為提供波形生成器的動力電源，電流為正弦線的波形傳輸給功率放大器。交變磁場在正弦線波形下將會在放大的電流為正弦波形且通過焊接的磁場線圈的時候產生。經過初步的實驗，固定工藝參數如下，激光功率3500 W，焊接電流為80 A，焊接電壓為21 V，焊接速度為1.0 m/min、送絲速度為7.5 m/min、激光和弧之間的距離為 3 mm，激光束的離焦量為0 mm，保護氣體的流速為20 L/min。此外，磁場密度通過一個精密的高斯計來精確的計量，其測量位置位于基材的下面和磁場線圈的上面。磁場強度為1 mT到 90 mT，其頻率設置為1000 Hz。

▲圖8 在激光-電弧復合 焊接時，在交變的磁場強度分別為：(a) B = 0 m T; (b) B = 20 m T; (c) B = 30 m T; (d) B = 40 m T; (e) B = 60 m T; (f) B = 90 m T的時候所得到的電子密度的實時圖像

▲圖9 在存在和不存在交變磁場的時候，進行激光-電弧復合焊接時弧等離子體和激光誘導的等離子體的離子化的顆粒的運動機理：(a) 在沒有交變磁場的時候弧等離子體中離化的粒子；(b) 在存在交變磁場的時候弧等離子體中的離化的顆粒；(c)沒有交變磁場的時候激光誘導的等離子體的離化的顆粒；(d) 在較高磁場強度的時候激光誘導的等離子體的離化的顆粒；(e)磁場的消散效應對激光誘導的等離子體的影響

▲圖10 在激光-電弧復合焊接時匙孔的動力學行為和液滴的過渡行為，此時的磁場強度分別為：B = 0 m T, B = 20 m T 和 B = 90 m T

▲圖11 在存在磁場和不存在磁場的時候力分析對液滴的作用的示意圖：（a）無磁場；（b）有磁場

▲圖12 激光焊接平板的時候對焊接穿透深度的影響：a) 因素 #1: 焊接等離子體; (b) 因素2 #2: 熔滴; (c) 因素 #3: 匙孔的壁.

▲圖13 在不同磁場強度和頻率的條件下得到的弧的形狀

▲圖14 在頻率固定為30 Hz的前提條件下，改變磁場強度得到的弧的形狀（其中，D表示弧的直徑，L表示弧的長度）

3. 研究結果

(1)在不同的磁場密度下進行激光-電弧復合焊接的時候其焊接深度是明顯不同的。在磁場強度為20 m T的條件下，焊接深度為 (3.14 ± 0.08 mm)、焊接深度同快遞的比值為0.503 ± 0.008，比沒有磁場施加的時候的數值要小，沒有磁場施加的時候，焊接深度為4.08 ± 0.06 mm，焊接深度同寬度的比值為 0.709 ± 0.005，而在磁場強度為 90 mT的時候，焊接深度則為4.35 ± 0.09 mm，焊接深度同寬度的比值為0.70 ± 0.006，顯著的大于B=0 mT的時候的結果

(2)弧的等離子體的形狀在交變磁場施加的時候會得到抑制，這是因為外部施加的磁場的洛倫茲力的作用的結果，從而導致激光誘導的等離子體在低磁場強度（B = 20 m T and B = 30 m T）的時候在激光束的通道出體積更多。然而，激光誘導的等離子體在強磁場的時候（B = 60 m T and B = 90 m T），激光束的通道方向上，激光誘導的等離子體會消散，導致激光能量的屏蔽效應會減弱。

(3)交變磁場對液滴的過渡轉移路徑和力的影響是非常顯著的。液滴在外部磁場施加的前提下 會在匙孔的后部轉移到熔池中，而 不是直接進入匙孔，這樣就降低了激光能量的衰減。

(4)匙孔壁的駝背在磁場強度為90 mT的時候降低的非常明顯，并且變得更加穩定的匙孔，這是因為在匙孔上液滴的沖擊力降低的緣故。這同時有助于激光束在基材上穿透更深的深度。