激光焊接的填丝工艺特点

2023-06-26 理论教育版权反馈

【摘要】：图4-1-19 激光填丝焊接原理示意图2.工艺特点激光填丝焊是在一般的激光焊过程中，连续填送焊丝进入熔池，实现加入填充金属的焊接工艺。

1.技术原理

激光自熔焊是只纯粹采用激光束且不添加填充材料的激光焊，具有能量密度高、能量集中、焊接速度快、焊缝深宽比大、焊接变形小、无需真空环境等优点，使激光焊有着广泛的应用潜力，但也存在一定的局限性，即对被焊件的装配精度要求很高。如在大尺寸薄板对接时，对于厚度为1mm的薄板，0.1mm或以上的间隙就会造成焊缝的明显下凹，使其力学性能和外观都达不到要求。又如在大型客机机身壁板制造中，1.8mm厚的薄板铝合金激光焊时，也对装配间隙提出了非常高的要求，并且极易出现焊缝下塌现象，严重影响了焊接接头的力学性能。在实际生产中，装配间隙往往难以满足这样严格的要求，大大限制了激光焊的应用。而激光填丝焊接就是在这种情况下提出的一种焊接工艺。

激光填丝焊接原理如图4-1-19所示，通过一个送丝导嘴送入填充焊丝至激光辐射区域，焊丝从焊接前方送入，也可从焊接后方送入；焊丝一部分由激光照射而熔化，一部分由激光诱导产生的等离子体加热而熔化，还有一部分通过熔池对流带来的热量而熔化；同时由喷嘴吹入气体保护焊接区和吹除光致等离子体。喷嘴可以是与导丝嘴分离的单独喷嘴，也可以是和导丝嘴合为一体，形成一个同轴组合的喷嘴。

图4-1-19 激光填丝焊接原理示意图

2.工艺特点

激光填丝焊是在一般的激光焊过程中，连续填送焊丝进入熔池，实现加入填充金属的焊接工艺。与一般激光焊相比，其优点如下：

1）降低了产品结构焊接前的装配精度要求，适应产品工业化生产的需要，扩大激光焊的应用范围。

2）通过选定填充材料，改善了填充金属的冶金行为，获得所需要的焊缝成分及性能。

3）对于厚板对接焊，可采用开窄坡口的多道焊接工艺，以较低激光功率来完成较厚板的焊接，避免高输入功率带来的高热输入对焊接接头质量的不利影响。

4）通过填充材料，改善焊缝成形，避免焊接表面凹陷、咬边等缺陷，提高接头质量。

激光填丝焊也有一定的缺点。研究表明，它对焊丝指向性和焊接参数设置的要求极为严格，特别是对送丝机构的送丝精度有严格的要求。另外，不同材料、不同规格的焊丝对焊接速度和送丝速度的匹配要求也不同，并且得到理想焊缝的匹配值区间非常窄。因此，在焊接过程中，如果焊接工艺不当，容易出现顶丝和粘丝，使焊接过程中断。总之，焊丝送进过程的任何干扰，均可能引起焊缝缺陷的产生。

3.主要焊接参数及其影响

激光填丝焊的焊接参数众多，且相互之间的影响比较复杂，主要焊接参数有：激光功率、焊接速度、保护气体种类及流量、焊丝种类、送丝方式、光丝间距、送丝速度等，这里对前三种焊接参数的影响不再叙述。

（1）焊丝种类一般来说，在焊接合金材料时，填充金属对焊缝金属、焊接接头的物理和化学性能均有颇大的直接影响，因此，填充材料的选择极为重要，原则上应该能够保证焊接接头的使用性能，保证焊缝金属具有良好的力学性能和综合性能，保证焊缝具有一定的致密性，即没有气孔、夹渣、或者气孔和夹渣的数量、尺寸、形状不超过允许值，能够防止在焊接接头内部产生冷裂纹和热裂纹，具有良好的工艺性。

（2）送丝方式焊丝的填充方式有两种，即前送丝和后送丝。前送丝即焊丝从熔池前部送入，焊丝端部在激光聚焦光斑附近，焊丝先受到激光光斑的加热而熔化，进入熔池。而后送丝方式，是指焊丝从熔池的后侧送入，并指向光斑，熔化后进入尾部并迅速凝固，不同材料、不同焊接参数下，要选择合适的送丝方式，一般情况下，前送丝的抗干扰能力较强。

（3）光丝间距在激光填丝焊过程中，光丝间距，即焊丝端部与光斑的距离，对于焊丝能否顺利熔化、熔滴能否顺利过渡进入熔池具有重要的影响。因此，有必要确定激光填丝焊过程中允许的焊丝端部和光束之间的距离，图4-1-19中d即为光丝间距。试验发现，焊丝端部与光斑的距离保持在一定的距离以内，均可以顺利地完成填丝焊接，焊缝成形良好。分析认为，当焊丝端部与光斑的距离超过最小值时，此时焊丝与光束的相交处和焊缝表面有一定的距离，这使得焊丝处于激光束的较大的正离焦范围内，激光的能量密度较小，不能有效熔化焊丝，焊丝基本上又处于等离子体层的上部，熔化能力有限，导致焊丝不能正常熔化。而当焊丝端部与光束距离超过特定距离时，由于距离较远，得不到激光能量和光致等离子体的充分加热，而此时与焊丝接触的母材尚未熔化，因此导致焊缝表面成形出现不均匀现象，甚至焊丝会因未熔化而发生顶丝。因此焊接时要保证激光光斑与焊丝端部的距离在设定的范围内，光丝间距是影响激光填丝焊的焊接过程稳定性的重要因素。

（4）送丝速度对于送丝速度的影响，应当与焊接速度一起来讨论。在功率一定的前提下，焊接速度与送丝速度的关系对于激光填丝焊的影响非常重要。对于特定的送丝速度，如果焊接速度过快时，热输入较小，焊丝不能连续熔化，会使焊缝成形不连续；如果焊接速度过慢，热输入较大，焊丝填充不足，焊缝成形也不佳。对于一定的焊接速度，送丝速度过快，焊丝不能连续熔化，焊缝成形不良；送丝速度过慢，焊丝填充量不够，接头的截面形状不理想，不能形成良好的余高，达不到填丝应有的作用，因此确定焊接速度和送丝速度的匹配关系是非常重要的。

激光焊接的填丝工艺特点

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