小功率激光填絲焊接技術研究

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，易于實現(xiàn)自動控制等優(yōu)點，在工業(yè)生產中有著廣泛的應用。談到激光焊接時，人們往往會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。毫無疑問，不加填料的大功率激光焊接給制造業(yè)的發(fā)展帶來了飛躍性的進步，解決了加工精度較高的結構零件的焊接難題。但是，對于一些加工精度稍低、要求焊透深度較厚、不允許受高熱的結構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，它會產生焊接質量缺陷（如出現(xiàn)氣孔、凹陷、結構變形或者不能焊上等），造成整個零件或部件報廢，這就使激光焊接制造技術的應用受到了很多限制。

一直以來，國內大功率激光焊接機并不十分成熟，需要大功率激光焊接機的單位需花費數(shù)十萬到近百萬美元從國外進口。

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

而針對不允許受高熱、易變形等薄壁結構，微型結構及各種復雜異形結構的填絲焊接研究則較少，這類零部件由于焊縫對接間隙寬度不確定，間隙形狀隨零件對接處的加工狀況和裝配質量隨機變化，因而無法自動控制被焊工件的運行，也無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：(1)避免了對工件加工、裝配要求過于嚴格的問題；(2)可實現(xiàn)用較小功率焊接較厚、較大的零件；(3)可以通過改變填絲成分控制焊縫區(qū)域組織性能。

試驗條件和內容

1 試驗條件

試驗采用平均功率為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，氮氣保護。

2 試驗內容

試件是由直徑Φ=1mm的不銹鋼絲經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移動?？p隙長約4mm，待焊接處焊接后兩翼可以方便地開合。

試件總長度約為4cm，填絲為同牌號不銹鋼絲，直徑為Φ=0.4mm。采用氮氣作為保護氣體，通過旁軸噴嘴對焊接試件進行保護。焊接示意如圖2所示。

焊接時，使用專用夾具將焊接試件固定在氣體保護區(qū)域內，采用手動觸發(fā)激光及手動送絲的方式進行焊接。因試件較小，經激光填絲焊接加工后的試件，被焊接處常常會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渡，如圖1（b）所示。

在焊接時，選用不同的焊接工藝條件(激光功率、激光作用時間、焦點位置、填絲角度、填絲速度等)對樣件進行試驗。

試驗結果與討論

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

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)尺寸就會發(fā)生較大變化，當功率升高幾瓦時，樣件會因溫度過高而被蒸發(fā)，甚至熔斷；當功率太低時，試件則會因能量密度不足而不能熔融，即使延長作用時間，也只能使試件發(fā)紅而變形，仍舊不能實現(xiàn)熔融焊接。

2填絲速度的影響

填絲填充速度不能過快，過快會造成填絲因來不及熔化而堆積，很容易因外力導致填絲脫落使焊縫開焊；如果填充速度過慢又不能達到效果，母材會因長時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鍵因素之一。如果角度太大，激光不能有效地到達焊接位置，母材與填絲之間不能均勻地受熱熔融，就會影響焊縫成型。試驗發(fā)現(xiàn)較小的填絲角度更有利于焊接。

4　焊接速度的影響

對于手動激光焊接來說，光斑的重疊量也是影響焊接的重要因素之一。由于樣件移動是手動的，移動量太大會使光斑重疊量太小，不能充分熔化填絲及母材，導致焊縫焊接不牢；如果移動量太小，光斑重疊量則會太大，填絲及母材因承受較高能量密度而受高熱，導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　保護氣體的影響

保護氣體的流速和方向對焊縫表面質量起著至關重要的作用，它可以保護熔池不被氧化，帶走熔池表面的汽霧以保護聚焦透鏡不被蒸發(fā)的汽霧污染。氣體流量過大或過小均不能得到滿意的焊縫。流量過大時，熔池攪拌激烈，易產生氣孔等缺陷，并帶走大量熱量，影響焊接熔融；流量過小則不能起到對工件的保護作用。

6　焊點中心位置的影響

由于所用激光輸出功率較小，因此對激光光斑中心位置的設定也是非常重要的。開始的幾個光斑必須對準填絲，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，對焊縫質量起到決定性的作用。清潔不徹底時，焊縫會出現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷，這會使焊縫強度大大降低。

8　坡口間隙的影響

在實際焊接過程中，由于坡口間隙不確定、坡口形狀具有很大的隨機性，因此，在焊接試驗時，需要隨時調整焊接速度、送絲速度等參數(shù)，否則焊縫就會出現(xiàn)問題。

應用展望

由于航空機載設備上的各零部件結構尺寸通常都較小，對各元、器件的性能及精度有很高的要求。比如其中的各種型號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最后一道工序，如果采用普通的激光密封焊接，對殼體零件的加工、配合精度要求很高。如果用大功率激光填料焊接，焊接時產生的高熱必然要影響內部元件的性能。而中、小功率激光填料焊接降低了對于殼體零件加工精度的要求，同時也避免了產生高熱的問題。對于各型熱、磁傳感器探針的對接焊接，各種型號航空液壓電磁閥線圈骨架的焊接，新型戰(zhàn)斗機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使部件因受高熱而變形。再如各種微電機齒輪軸、油箱、各種陀螺軸承組合件的焊接，葉輪、葉盤、葉環(huán)的焊接，轉子的焊接，鈦合金承力機匣的焊接，燃燒室襯套的焊接等，中、小功率激光填料焊接技術具有得天獨厚的優(yōu)勢。

中、小功率的激光填料焊接技術也可用于其他軍品。例如長征系列火箭、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弥?、小功率激光填絲焊接技術可以確保型號的設計質量。

結束語

在無填充焊料的激光焊接中，焊縫的成分僅取決于母材的成分，很難按照實際需要進行調整。若采用填充焊料激光焊接，既應用了激光焊接這一先進制造技術的加工優(yōu)點，又可以通過調整填充焊料的成分來改善焊縫的組織性能、防止缺陷的產生，滿足設計及工藝要求。

另外，激光作深熔焊時，一般使用大功率激光器，對設備的要求較高。當被焊接工件較小時，因熱輸入高、熱影響區(qū)大、變形嚴重，不易得到理想的焊接接頭，嚴重的還會影響產品的性能參數(shù)，使產品結構嚴重變形，甚至使整個結構零件報廢。

利用中、小功率激光做微型結構件的填絲激光焊接，是確保焊接接頭質量、接頭性能、幾何形狀及尺寸精度的最佳焊接方案。該技術在提高生產效率、降低生產成本、改進結構的氣、油密封性能以及保證結構承力等方面較其他焊接更具優(yōu)越性。由此，可以得出以下結論：

(1)利用較小功率脈沖YAG激光進行填絲焊接，能夠形成較好的焊接接頭。

(2)在熱導焊模式下，手動控制焊接可以獲得較為均勻的焊接接頭。 這對于加工尺寸一致性較差的微型結構件的填絲焊接是一個更可行、更具操控性的方法。

(3)利用較小功率的激光器，采用激光填絲焊接技術，配合激光深熔焊接工藝可實現(xiàn)厚板的焊接，焊縫逐層形成每次無須達到很大的熔深。這對于激光焊接技術的推廣具有較大的現(xiàn)實意義。

國外激光焊接技術的研究路線為：無填料中、小功率激光焊接技術研究→無填料大功率激光焊接技術研究→填料大功率激光焊接技術研究→填料中、小功率激光焊接技術研究。由此可見，西方發(fā)達國家曾經想摒棄中、小功率激光焊接技術，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是無法摒棄的，才再次對其進行研究。我們應該借鑒西方國家的經驗，加強對中小功率激光填料焊接技術的研究。