小功率激光填丝焊接技术研究

文章摘要：与传统焊接方法相比，激光焊接具有输入能量密度高，工件热影响区小，易于实现自动控制等优点，在工业生产中有着广泛的应用。谈到激光焊接时，人们往往会想到不用添加填料的具有数千瓦甚至数十千瓦输出功率的二氧化碳激光焊接，或者是具有数千瓦输出功率的YAG激光焊接。毫无疑问，不加填料的大功率激光焊接给制造业的发展带来了飞跃性的进步，解决了加工精度较高的结构零件的焊接难题。但是，对于一些加工精度稍低、要求焊透深度较厚、不允许受高热的结构零件和可焊性较差的材料，不加填料的激光焊接已不能适用，它会产生焊接质量缺陷（如出现气孔、凹陷、结构变形或者不能焊上等），造成整个零件或部件报废，这就使激光焊接制造技术的应用受到

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　　与传统焊接方法相比，激光焊接具有输入能量密度高，工件热影响区小，易于实现自动控制等优点，在工业生产中有着广泛的应用。谈到激光焊接时，人们往往会想到不用添加填料的具有数千瓦甚至数十千瓦输出功率的二氧化碳激光焊接，或者是具有数千瓦输出功率的YAG激光焊接。毫无疑问，不加填料的大功率激光焊接给制造业的发展带来了飞跃性的进步，解决了加工精度较高的结构零件的焊接难题。但是，对于一些加工精度稍低、要求焊透深度较厚、不允许受高热的结构零件和可焊性较差的材料，不加填料的激光焊接已不能适用，它会产生焊接质量缺陷（如出现气孔、凹陷、结构变形或者不能焊上等），造成整个零件或部件报废，这就使激光焊接制造技术的应用受到了很多限制。

　　一直以来，国内大功率激光焊接机并不十分成熟，需要大功率激光焊接机的单位需花费数十万到近百万美元从国外进口。

　　激光填丝焊接的研究为解决无填丝激光焊接在应用中受到的限制提供了有效的解决途径。然而，通常所说的激光填丝焊接多指大功率或超大功率的激光填丝焊接，这类焊接主要针对较大或较厚的零部件，且已有大量研究成果和文献报导。

　　而针对不允许受高热、易变形等薄壁结构，微型结构及各种复杂异形结构的填丝焊接研究则较少，这类零部件由于焊缝对接间隙宽度不确定，间隙形状随零件对接处的加工状况和装配质量随机变化，因而无法自动控制被焊工件的运行，也无法控制填丝的填充方向和速度。本课题主要研究利用较小功率脉冲YAG激光做较小零件填丝焊接的工艺参数对焊接热影响区及焊缝成形的影响。

　　激光填料焊接原理

　　激光填料焊接是指在焊缝中预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时填入焊接材料以形成焊接接头的方法。

　　与非填丝焊接相比，激光填丝焊接具有以下优点：(1)避免了对工件加工、装配要求过于严格的问题；(2)可实现用较小功率焊接较厚、较大的零件；(3)可以通过改变填丝成分控制焊缝区域组织性能。

　　试验条件和内容

　　1 试验条件

　　试验采用平均功率为200W的YAG脉冲激光器，激光输出模式为低阶模，聚焦透镜焦距f=100mm，氮气保护。

　　2 试验内容

　　试件是由直径Φ=1mm的不锈钢丝经特殊方法弯制成形的，图1(a)所示是其中的一种。激光填料焊接需要做的就是在开口一翼缺料处填料并焊接，使被切开的一翼闭合形成一缝隙，另一翼可以在此缝隙内移动。缝隙长约4mm，待焊接处焊接后两翼可以方便地开合。

　　试件总长度约为4cm，填丝为同牌号不锈钢丝，直径为Φ=0.4mm。采用氮气作为保护气体，通过旁轴喷嘴对焊接试件进行保护。焊接示意如图2所示。

　　焊接时，使用专用夹具将焊接试件固定在气体保护区域内，采用手动触发激光及手动送丝的方式进行焊接。因试件较小，经激光填丝焊接加工后的试件，被焊接处常常会有较多填料熔融堆积，所以，被焊接位置还需打磨修整，使焊接部位与周围组织形成光滑过渡，如图1（b）所示。

　　在焊接时，选用不同的焊接工艺条件(激光功率、激光作用时间、焦点位置、填丝角度、填丝速度等)对样件进行试验。

　　试验结果与讨论

　　在焊接试验中，只有在激光输出功率小于40W，且作用时间较短时，填丝及试件基体较为均匀地受热，从而避免产生过高温度使样件变形，也避免了填丝的汽化和蒸发。经破坏性试验证明，其焊缝强度达到要求。

　　1 　激光输出功率的影响

　　由于试件较小，激光输出功率稍微发生改变，焊接热影响区尺寸就会发生较大变化，当功率升高几瓦时，样件会因温度过高而被蒸发，甚至熔断；当功率太低时，试件则会因能量密度不足而不能熔融，即使延长作用时间，也只能使试件发红而变形，仍旧不能实现熔融焊接。

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