水下激光辅助药芯焊丝电弧焊

使用药芯焊丝的水下焊接工艺在可靠的电弧点火和稳定性方面提出了重大挑战。因此，本文聚焦的研究项目关注的是一种水下焊接工艺，该工艺将激光与电弧相结合，通过在工艺区引入额外能量提高焊缝质量。

为了检查电弧的安全点火和焊接过程中的稳定性，通过分析电弧电流和电压特性，评估各种工艺参数。使用药芯焊丝对厚度为10mm的S235JR（1.0038）钢样品进行板上焊珠焊接。波长为1030nm、功率高达2kW的激光辐射具有支持作用，对电弧的影响是积极的，因为波动较小，确保了焊缝更加均匀。

激光辅助药芯焊接工艺改善了焊缝质量，减少了表面气孔，增加了焊透深度和宽度。电弧稳定所需的激光功率约占总能量平衡的20-30%。电弧电流和电压特性的波动也减少了70%。这项研究表明，激光辅助药芯焊接工艺为克服水下焊接挑战提供了一种很有前途的方法。

介绍

德国海运业拥有约40万名员工，年营业额约500亿欧元，是该国经济最重要的部门之一。关于沿海地区或公海的能源生产和原材料开采，未来的挑战来自日益提高的气候意识，同时水下技术的重要性也越来越大。水下领域的焊接技术成为关键因素，对港口和水利工程、海上风能、管道建设、桥梁和许多其他工程结构的维护至关重要。

水下焊接通常需要潜水员手动使用电极焊接来进行。在这个过程中，电弧在自耗电极和工件之间燃烧。当电极分解时，涂层会形成一种保护气体，排出水并保持电弧。这种方法的主要优点是潜水员可以轻松且廉价地使用它。但缺点也很明显，就是需要不断地中断焊接过程以更换电极并清除产生的熔渣。

除了焊条电弧焊外，研究团队还对水下气保焊（GMA）进行了研究，目的是提高沉积速率。这是一个连续的焊接过程，因此更有效，同时这项工艺技术还提供了自动化的潜力。这里的挑战在于电弧与水的直接接触以及由此产生的氢气和氧气的离解。因此，焊缝中的水会使得材料脆化，降低机械性能。随着环境压力的增加，电弧受到限制，并且由于水中的电阻较高，电弧电压降低发生在更深的地方。

因此，电弧的长度减小导致了更小的熔池和显著的焊缝增强。另一个挑战是水下的快速冷却速度，会导致焊缝硬化。目前还没有使用连续的水下湿焊，这种方法的发展正朝着使用自保护药芯焊丝进行焊接的方向发展。这种电极的内部填充有金属或矿物粉末，在类似于棒电极的自保护药芯电极的情况下，不需要对熔体进行外部气体保护。

药芯焊丝的主要优点是焊缝的氢污染低，熔渣易于清除。然而，由于有气体产生，该过程会形成孔隙。初步调查表明，电弧的安全点燃及其在焊接过程中的稳定性是主要挑战。为了克服这一任务，就需要开发一种用于水下激光辅助药芯焊丝电弧焊工艺。激光有针对性地向工件输入能量，有望提高电弧的点燃和稳定性，从而提高加工速度和焊接质量。

此前，团队已经对激光焊接在水下应用进行了各种研究，并总结了增压情况下的激光焊接。研究发现，渗透深度随着压力的增加而减少，而且在这种条件下可以用额外的焊丝进行焊接。此外，团队还研究了在水中焊接时使用Nd:YAG和CO2激光器的差异。结果表明，在通过增加压力模拟的500m水深下，Nd:YAG激光辐射完全散射，无法完成焊接。

对于CO₂激光器，研究人员在实验过程中观察到已经形成无水区域，从而让激光束能够不受阻碍地到达工件。由于水在红外（IR）范围内的强烈吸收，通常使用同轴气体喷嘴形成气体射流来置换水，从而形成局部干燥区域。

在一个工艺区内将激光和电弧焊接相结合称为混合激光电弧焊接，通常在激光功率超过1kW的情况下使用。良好的间隙桥接能力、可以实现的高焊接速度和深熔焊接的可能性等优点，被激光源的高投资和操作成本的缺点所抵消。

当使用激光功率小于500W时，该过程被称为激光辅助电弧焊接。这种方法的目的是降低上述成本，同时保留工艺组合的优势。与混合激光电弧焊接相反，激光既不应熔化材料，也不应形成蒸汽毛细管，而是应稳定电弧。过去，业界已经对激光辅助电弧过程及其相互作用进行了多项研究。总的来说，激光对电弧的稳定和引导已经得到了证明。只需要用到激光器总功率的10%到20%，就可以实现电弧稳定性的积极效果。

由于水的冷却作用，本来在空气环境中研究的激光稳定电弧过程，不容易转移到水下环境。在这项研究中，研究人员使用药芯焊条是为了保护熔融金属和焊缝。激光辐射应稳定电弧，以便产生均匀的焊缝。

实验设置

水下激光辅助药芯焊丝电弧焊工艺的设置如图1所示。稳定电弧的激光器是具有1030nm波长和8mm*mrad光束质量的固态盘激光器（Trumpf SE+Co.KG的Trudisk 16002）。该光学系统由一根光纤（200μm）、一个准直器（200mm）和一个聚焦透镜（200mm）组成。

光学器件可以调整其相对于工件的位置和角度。直径3.5mm的气体喷嘴连接到处理光学器件上，其中激光束可以通过置换水而同轴引导。基于对激光在大气中稳定的研究，激光束在工件上方+20mm处散焦。这在电弧和激光束之间产生了更大的重叠。此外，这增加了从气体喷嘴到工件的距离，使得气体压力不会使熔体移位。

气保焊焊接工艺提供了主要的工艺能量。使用来自AMT GmbH的Hybird 4000M作为动力源。送丝机的位置和角度可以作调整。电极是直径为1.2mm的自屏蔽药芯焊丝（来自voestalpine Böhler Welding Group GmbH的diamondspark 31NG）。材料成分（wt%）包括0.25C、0.40Si、1.00Mn和1.50Al。使用药芯焊丝作为电极，接地连接到送丝机，正极连接到工件。通过测试将突出设置为恒定的10mm，并与激光束的入射点对齐，从而使工作距离为0mm。

在实验中，焊接速度从3mm/s到6mm/s、激光功率从1kW到2kW，焊丝进给速率从5.5m/min到6.5m/min不等。对于电流引导过程，电弧电流设置为200 A。图2显示了一个示例性焊接以及随时间变化的相关电弧电压和电流测量值。

在平均电弧电压为20V的情况下，为接缝设定190A的电弧电流。焊接进行到一半时，加入功率为2kW、离焦在工件上方20mm的激光辐射，焊接速度为4mm/s。可以清楚地看到，焊接过程开始时电弧不稳定，焊缝有许多气孔。只要在加工过程中打开激光器，焊缝就会更加均匀。

值得注意的是，飞溅形成的频率随着组合工艺的增加而增加，这是由于药芯焊丝的沉积速率以及由此产生的气体在熔体中引起的更高的动力学。焊缝的宽度基本上与电弧电压有关，波动直达焊缝中间，并随着激光辐射而改善。随着时间的推移，这些波动和随后的稳定反映在电弧电压和电流测量中。

电弧的不稳定性一方面可以通过接缝表面的孔隙来识别，另一方面可以由持续熄灭和重燃引起的电弧电流和电压峰值来识别。平均电弧电流减少了约20A，同时激光辐射的标准偏差减少了约83%。另一方面，电弧电压平均增加2V，标准偏差减少约70%。这种影响可能是由于激光辐射引起的电弧导电性的变化。

图3显示了随着焊接速度、激光功率和焊丝进给速率的变化而产生的电弧功率PGMA。当单个参数发生变化时，另一个参数保持不变，以便能够描述设定参数变化带来的影响。在a）中，焊丝进给速度为5.5m/min，激光功率为1500W。在b）中，焊丝进给速度保持恒定在5.5m/min，焊接速度保持恒定在3mm/s。在c）中，焊丝进给速度为6mm/s，激光功率为2000W。

结果表明，电弧在整个测试中都是稳定的，这从标准偏差的减少中可以明显看出。可以看到电弧功率随着焊缝长度的增加而增加。在a）中，显示了焊接速度的变化。在3mm/s的焊接速度下，在每种情况下变化都减少了55%，在更高的速度下减少了70%。

从b）中可以看到激光功率变化带来的影响。在1500W的激光功率下开始稳定55%。另一方面，与稳定的1500W激光功率相比，增加到2000W没有显著变化。在c）中，显示了不同的送丝速度。增加焊丝进给速率导致电弧缩短，从而导致较低的电弧电压。这种影响可以在高送丝速度下产生的电弧功率中看到。另一方面，当焊丝进给速度改变时，不能看到稳定性相对于标准偏差的显著变化。

图4显示了具有相应光谱过程发射测量的示例性焊接结果。由于默认情况下激光辐射会提高水平，因此调整信号以使用相对标准偏差。在这种情况下，相对于平均值的标准偏差被归一化，在计算中包括500毫秒。较高的相对标准偏差表示过程光谱的闪烁，并可归因于电弧的不稳定性。

使用4600W的电弧功率和1500W的激光功率从接缝的一半穿过。在测量开始时，可以在图表上看到一个高峰，这表示电弧已点燃。然后，偏差稳定在100%的水平，这表明过程光谱的强烈闪烁。当激光器打开时，水平下降到约50%，这表明激光辐射更平滑，电弧也相应稳定。

横截面是基于焊缝制作的，在保持相同参数的同时，在有助于激光辐射的情况下和在没有辅助激光辐射的条件下制作一次焊缝。根据横截面，所有试样上都可以看到孔隙，这可能与药芯焊丝和由此产生的气体形成有关。关于电弧的稳定性，可以使用单个横截面的差异。特别是对于焊缝熔深和焊缝宽度，附加激光辐射沿焊缝的变化明显低于GMA工艺。

结论与展望

各种研究已经证明了低能量激光辐射在大气中对电弧的稳定作用。向水下技术的转移带来了进一步的挑战。一方面，周围的水会吸收激光能量。根据水的深度，能量和水会导致电弧分解氢，并且由于快速冷却，会增加电弧的不稳定性。通过将自保护药芯焊丝与加工光学器件的气体喷嘴结合使用，可以形成一个局部空腔，电弧可以在其中点燃和燃烧。同轴气体喷嘴使水移位，使激光辐射畅通无阻地到达工件。

表面图像显示，环境条件会使电弧不稳定，激光辐射导致表面孔隙更加均匀和显著减少。此外，通过测量电弧电压特性和光谱发射来评估稳定性。图3中参数的变化表明，随着工艺速度的增加，电弧的不稳定性增加，激光辐射保持其稳定影响。

此外实验已经表明，在1000W时仍然没有激光功率的影响，并且这只能从1500W以后的激光功率中看出。横截面显示，由于额外的激光辐射，焊缝熔深和焊缝宽度增加。在整个焊缝中，焊缝几何形状的变化减少了，表明过程更加稳定。稳定电弧所需的激光功率约为总能量平衡的20-30%。

为了进一步研究，通过实验设计对影响因素进行统计评估，从而检验相互作用和二次效应。
通过使用实验设计，可以使该过程更加稳健。此外，通过大量的显微照片测试，研究了对孔隙形成和焊缝熔深的影响。试验扩展到对接焊缝和角焊缝，并研究了在受限位置使用的电弧稳定性。

作者：Marcel Rieck、Benjamin Emde、Jörg Hermsdorf（德国汉诺威激光中心）

来源：荣格-《国际工业激光商情》

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