小功率激光填絲焊接技術(shù)研究

　　與傳統(tǒng)焊接方法相比，激光焊接具有輸入能量密度高，工件熱影響區(qū)小，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)生產(chǎn)中有著廣泛的應(yīng)用。談到激光焊接時(shí)，人們往往會(huì)想到不用添加填料的具有數(shù)千瓦甚至數(shù)十千瓦輸出功率的二氧化碳激光焊接，或者是具有數(shù)千瓦輸出功率的YAG激光焊接。毫無(wú)疑問(wèn)，不加填料的大功率激光焊接給制造業(yè)的發(fā)展帶來(lái)了飛躍性的進(jìn)步，解決了加工較高的結(jié)構(gòu)零件的焊接難題。但是，對(duì)于一些加工稍低、要求焊透深度較厚、不允許受高熱的結(jié)構(gòu)零件和可焊性較差的材料，不加填料的激光焊接已不能適用，它會(huì)產(chǎn)生焊接質(zhì)量缺陷（如出現(xiàn)氣孔、凹陷、結(jié)構(gòu)變形或者不能焊上等），造成整個(gè)零件或部件報(bào)廢，這就使激光焊接制造技術(shù)的應(yīng)用受到了很多限制。

　　一直以來(lái)，國(guó)內(nèi)大功率激光焊接機(jī)并不十分成熟，需要大功率激光焊接機(jī)的單位需花費(fèi)數(shù)十萬(wàn)到近百萬(wàn)美元從國(guó)外進(jìn)口。

　　激光填絲焊接的研究為解決無(wú)填絲激光焊接在應(yīng)用中受到的限制提供了有效的解決途徑。然而，通常所說(shuō)的激光填絲焊接多指大功率或超大功率的激光填絲焊接，這類焊接主要針對(duì)較大或較厚的零部件，且已有大量研究成果和文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)。

　　而針對(duì)不允許受高熱、易變形等薄壁結(jié)構(gòu)，微型結(jié)構(gòu)及各種復(fù)雜異形結(jié)構(gòu)的填絲焊接研究則較少，這類零部件由于焊縫對(duì)接間隙寬度不確定，間隙形狀隨零件對(duì)接處的加工狀況和裝配質(zhì)量隨機(jī)變化，因而無(wú)法自動(dòng)控制被焊工件的運(yùn)行，也無(wú)法控制填絲的填充方向和速度。本課題主要研究利用較小功率脈沖YAG激光做較小零件填絲焊接的工藝參數(shù)對(duì)焊接熱影響區(qū)及焊縫成形的影響。

　　激光填料焊接原理

　　激光填料焊接是指在焊縫中預(yù)先填入特定焊接材料后，用激光照射熔化或在激光照射的同時(shí)填入焊接材料以形成焊接接頭的方法。

　　與非填絲焊接相比，激光填絲焊接具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）避免了對(duì)工件加工、裝配要求過(guò)于嚴(yán)格的問(wèn)題；（2）可實(shí)現(xiàn)用較小功率焊接較厚、較大的零件；（3）可以通過(guò)改變填絲成分控制焊縫區(qū)域組織性能。

　　試驗(yàn)條件和內(nèi)容

　　1 試驗(yàn)條件

　　試驗(yàn)采用平均功率為200W的YAG脈沖激光器，激光輸出模式為低階模，聚焦透鏡焦距f=100mm，氮?dú)獗Ｗo(hù)。

　　2 試驗(yàn)內(nèi)容

　　試件是由直徑Φ=1mm的不銹鋼絲經(jīng)特殊方法彎制成形的，圖1（a）所示是其中的一種。激光填料焊接需要做的就是在開口一翼缺料處填料并焊接，使被切開的一翼閉合形成一縫隙，另一翼可以在此縫隙內(nèi)移動(dòng)?？p隙長(zhǎng)約4mm，待焊接處焊接后兩翼可以方便地開合。

　　試件總長(zhǎng)度約為4cm，填絲為同牌號(hào)不銹鋼絲，直徑為Φ=0.4mm。采用氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣體，通過(guò)旁軸噴嘴對(duì)焊接試件進(jìn)行保護(hù)。焊接示意如圖2所示。

　　焊接時(shí)，使用專用夾具將焊接試件固定在氣體保護(hù)區(qū)域內(nèi)，采用手動(dòng)觸發(fā)激光及手動(dòng)送絲的方式進(jìn)行焊接。因試件較小，經(jīng)激光填絲焊接加工后的試件，被焊接處常常會(huì)有較多填料熔融堆積，所以，被焊接位置還需打磨修整，使焊接部位與周圍組織形成光滑過(guò)渡，如圖1（b）所示。

　　在焊接時(shí)，選用不同的焊接工藝條件（激光功率、激光作用時(shí)間、焦點(diǎn)位置、填絲角度、填絲速度等）對(duì)樣件進(jìn)行試驗(yàn)。

　　試驗(yàn)結(jié)果與討論

　　在焊接試驗(yàn)中，只有在激光輸出功率小于40W，且作用時(shí)間較短時(shí)，填絲及試件基體較為均勻地受熱，從而避免產(chǎn)生過(guò)高溫度使樣件變形，也避免了填絲的汽化和蒸發(fā)。經(jīng)破壞性試驗(yàn)證明，其焊縫強(qiáng)度達(dá)到要求。

　　1 　激光輸出功率的影響

　　由于試件較小，激光輸出功率稍微發(fā)生改變，焊接熱影響區(qū)尺寸就會(huì)發(fā)生較大變化，當(dāng)功率升高幾瓦時(shí)，樣件會(huì)因溫度過(guò)高而被蒸發(fā)，甚至熔斷；當(dāng)功率太低時(shí)，試件則會(huì)因能量密度不足而不能熔融，即使延長(zhǎng)作用時(shí)間，也只能使試件發(fā)紅而變形，仍舊不能實(shí)現(xiàn)熔融焊接。

　　2 　填絲速度的影響

　　填絲填充速度不能過(guò)快，過(guò)快會(huì)造成填絲因來(lái)不及熔化而堆積，很容易因外力導(dǎo)致填絲脫落使焊縫開焊；如果填充速度過(guò)慢又不能達(dá)到效果，母材會(huì)因長(zhǎng)時(shí)間被激光作用而熔斷。所以，需要掌握較為合適的速度才能獲得滿意的焊縫。

　　3 　填絲角度的影響

　　填絲角度是試件與填充焊絲之間的夾角，這是影響焊接效果的關(guān)鍵因素之一。如果角度太大，激光不能有效地到達(dá)焊接位置，母材與填絲之間不能均勻地受熱熔融，就會(huì)影響焊縫成型。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)較小的填絲角度更有利于焊接。

　　4　焊接速度的影響

　　對(duì)于手動(dòng)激光焊接來(lái)說(shuō)，光斑的重疊量也是影響焊接的重要因素之一。由于樣件移動(dòng)是手動(dòng)的，移動(dòng)量太大會(huì)使光斑重疊量太小，不能充分熔化填絲及母材，導(dǎo)致焊縫焊接不牢；如果移動(dòng)量太小，光斑重疊量則會(huì)太大，填絲及母材因承受較高能量密度而受高熱，導(dǎo)致焊接位置的材料被蒸發(fā)甚至熔斷。因此，只有選擇合適的焊接速度，才能獲得令人滿意的效果。

　　5　保護(hù)氣體的影響

　　保護(hù)氣體的流速和方向?qū)缚p表面質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用，它可以保護(hù)熔池不被氧化，帶走熔池表面的汽霧以保護(hù)聚焦透鏡不被蒸發(fā)的汽霧污染。氣體流量過(guò)大或過(guò)小均不能得到滿意的焊縫。流量過(guò)大時(shí)，熔池?cái)嚢杓ち遥桩a(chǎn)生氣孔等缺陷，并帶走大量熱量，影響焊接熔融；流量過(guò)小則不能起到對(duì)工件的保護(hù)作用。

　　6　焊點(diǎn)中心位置的影響

　　由于所用激光輸出功率較小，因此對(duì)激光光斑中心位置的設(shè)定也是非常重要的。開始的幾個(gè)光斑必須對(duì)準(zhǔn)填絲，先將其熔化攤開后，再考慮與母材的連接。

　　7　被焊零件表面潔凈情況的影響

　　被焊工件的表面是否清潔，對(duì)焊縫質(zhì)量起到?jīng)Q定性的作用。清潔不徹底時(shí)，焊縫會(huì)出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，這會(huì)使焊縫強(qiáng)度大大降低。

　　8　坡口間隙的影響

　　在實(shí)際焊接過(guò)程中，由于坡口間隙不確定、坡口形狀具有很大的隨機(jī)性，因此，在焊接試驗(yàn)時(shí)，需要隨時(shí)調(diào)整焊接速度、送絲速度等參數(shù)，否則焊縫就會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題。

　　應(yīng)用展望

　　由于航空機(jī)載設(shè)備上的各零部件結(jié)構(gòu)尺寸通常都較小，對(duì)各元、器件的性能及有很高的要求。比如其中的各種型號(hào)壓力繼電器及鋰電池外殼的密封焊接，這是此類器件加工的一道工序，如果采用普通的激光密封焊接，對(duì)殼體零件的加工、配合要求很高。如果用大功率激光填料焊接，焊接時(shí)產(chǎn)生的高熱必然要影響內(nèi)部元件的性能。而中、小功率激光填料焊接降低了對(duì)于殼體零件加工的要求，同時(shí)也避免了產(chǎn)生高熱的問(wèn)題。對(duì)于各型熱、磁傳感器探針的對(duì)接焊接，各種型號(hào)航空液壓電磁閥線圈骨架的焊接，新型戰(zhàn)斗機(jī)彈射座椅上的火箭包外殼、特種螺栓、真空膜盒等的焊接，如果使用大功率激光焊接必然會(huì)使部件因受高熱而變形。再如各種微電機(jī)齒輪軸、油箱、各種陀螺軸承組合件的焊接，葉輪、葉盤、葉環(huán)的焊接，轉(zhuǎn)子的焊接，鈦合金承力機(jī)匣的焊接，燃燒室襯套的焊接等，中、小功率激光填料焊接技術(shù)具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。

　　中、小功率的激光填料焊接技術(shù)也可用于其他軍品。例如長(zhǎng)征系列火箭、東方系列火箭中的各種高壓氣瓶的焊接，以及各種液體燃料箱體的焊接等等?？傊?，用中、小功率激光填絲焊接技術(shù)可以確保型號(hào)的設(shè)計(jì)質(zhì)量。

　　結(jié)束語(yǔ)

　　在無(wú)填充焊料的激光焊接中，焊縫的成分僅取決于母材的成分，很難按照實(shí)際需要進(jìn)行調(diào)整。若采用填充焊料激光焊接，既應(yīng)用了激光焊接這一先進(jìn)制造技術(shù)的加工優(yōu)點(diǎn)，又可以通過(guò)調(diào)整填充焊料的成分來(lái)改善焊縫的組織性能、防止缺陷的產(chǎn)生，滿足設(shè)計(jì)及工藝要求。

　　另外，激光作深熔焊時(shí)，一般使用大功率激光器，對(duì)設(shè)備的要求較高。當(dāng)被焊接工件較小時(shí)，因熱輸入高、熱影響區(qū)大、變形嚴(yán)重，不易得到理想的焊接接頭，嚴(yán)重的還會(huì)影響產(chǎn)品的性能參數(shù)，使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形，甚至使整個(gè)結(jié)構(gòu)零件報(bào)廢。

　　利用中、小功率激光做微型結(jié)構(gòu)件的填絲激光焊接，是確保焊接接頭質(zhì)量、接頭性能、幾何形狀及尺寸的焊接方案。該技術(shù)在提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本、改進(jìn)結(jié)構(gòu)的氣、油密封性能以及保證結(jié)構(gòu)承力等方面較其他焊接更具優(yōu)越性。由此，可以得出以下結(jié)論：

　?。?）利用較小功率脈沖YAG激光進(jìn)行填絲焊接，能夠形成較好的焊接接頭。

　?。?）在熱導(dǎo)焊模式下，手動(dòng)控制焊接可以獲得較為均勻的焊接接頭。 這對(duì)于加工尺寸一致性較差的微型結(jié)構(gòu)件的填絲焊接是一個(gè)更可行、更具操控性的方法。

　?。?）利用較小功率的激光器，采用激光填絲焊接技術(shù)，配合激光深熔焊接工藝可實(shí)現(xiàn)厚板的焊接，焊縫逐層形成每次無(wú)須達(dá)到很大的熔深。這對(duì)于激光焊接技術(shù)的推廣具有較大的現(xiàn)實(shí)意義。

　　國(guó)外激光焊接技術(shù)的研究路線為：無(wú)填料中、小功率激光焊接技術(shù)研究→無(wú)填料大功率激光焊接技術(shù)研究→填料大功率激光焊接技術(shù)研究→填料中、小功率激光焊接技術(shù)研究。由此可見(jiàn)，西方發(fā)達(dá)國(guó)家曾經(jīng)想摒棄中、小功率激光焊接技術(shù)，但隨著研究的發(fā)展，他們發(fā)現(xiàn)中、小功率激光焊接技術(shù)是無(wú)法摒棄的，才再次對(duì)其進(jìn)行研究。我們應(yīng)該借鑒西方國(guó)家的經(jīng)驗(yàn)，加強(qiáng)對(duì)中小功率激光填料焊接技術(shù)的研究。