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铝合金薄板激光填丝焊接技术 |
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作者：北京航空制造工程研究所 许飞 |
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激光填丝焊接铝合金不但可以保持激光焊固有的优点，如能量集中、变形小等，还可以降低对接焊时的间隙裕度，减少焊接缺陷，提高接头性能等，从而扩大铝合金薄板激光焊接在航空航天工业中的应用。
铝合金是航空航天工业中的主要结构材料，它不仅具有高比强度、高比模量、良好的断裂韧性、疲劳强度和较低的裂纹扩展速率，同时还具有优良的成形工艺性和良好的耐蚀性。在民用飞机中，铝合金占结构材料重量百分比高达70%~80%。在新一代军用飞机中，由于复合材料和钛合金用量的增加，铝合金的用量有所减少，但高纯、高强、高韧的高性能铝合金用量却增加了。苏-27飞机上铝合金约占全机结构重量的60%。
激光焊接具有能量集中、焊接变形小、焊缝质量优良、生产效率高等优点，此外激光的柔性更增加了焊接工艺的灵活性。在飞机制造中，激光焊接可以实现飞机结构以焊代铆以及替代常规焊接方法提高焊缝质量。因此对铝合金的激光焊接技术研究成为各国特别是航空航天制造工业界的焦点。
激光焊接如果不填丝，将存在如下局限性：
1.焊接接头的化学成份完全取决于母材，性能不能按要求进行调整；激光焊接铝合金时，低沸点元素容易蒸发造成接头性能下降。
2.激光焊接对接头间隙要求严格，自熔焊所允许的间隙量最大不超过板厚的10%。在实际生产中，尤其对于航空航天工业，不可避免地会遇到对薄板的对接激光焊，当薄板厚度为1.2mm或者更薄时，对接焊的间隙要求很难满足。如果对薄板采用曲面对接焊，这一间隙要求更难达到。虽然通过机械加工可以使被焊工件的装配间隙符合要求，但这势必增加成本，更不利于激光焊接在工业生产中推广应用。
3.激光焊接铝合金时过程不稳定，焊缝成形不理想，且由于熔池中高反射率和低表面张力，将会导致焊缝缺陷，如焊塌、气孔和软化等。
同时，铝合金对气孔有最大的敏感性，而氢是铝及铝合金熔焊时产生气孔的主要原因。氢之所以能使焊缝形成气孔，与其在铝及铝合金中溶解度的变化特性有关。平衡条件下，氢在铝及铝合金中的溶解度在凝固点时可以从0.69ml/100g突降到0.036ml/100g ，相差约20倍(在钢中只相差不到2倍)，这是氢容易使焊缝产生气孔的重要原因之一。另外，铝的导热性很强，在同样的工艺条件下，铝熔合区的冷却速度可为钢的4~7倍，不利于气泡的逸出，更易于促使气孔形成。这些问题制约了激光焊接技术在航空航天及国防工业等领域的应用。
采用激光填丝焊接技术（Laser Welding Technique with Filler Wire）不仅可以保持激光焊固有的优点，还可以改善铝合金激光焊接的表面成形，提高接头的力学性能，防止裂纹产生，以较小的功率实现厚板的焊接等，从而大大扩展激光焊接的可能性与应用范围。因此，激光填丝焊接技术是激光焊接的发展与应用中必须解决的一项基本技术。
激光填丝焊接的原理如图1所示，该工艺与“扫描”加工方式不同的是，聚焦激光斑点不是直接照射在工件表面，而是照射到焊丝上，焊丝金属熔化后再进入待焊两工件之间，为了保护加工区和控制光致等离子体，还需要向激光束和焊丝及工件作用部位吹送保护气体。为了实现单面焊双面成形，保证焊缝背面成形，还必须对其施加背保护。
图1 激光填丝焊接装置示意图
研究铝合金薄板的激光填丝焊接性，为该技术在我国飞机制造和宇航服中的应用打下基础。同时，还可以解决型号研制中铝合金激光焊接不能填丝这一“瓶颈”问题，为工程化应用提供技术支持。
激光填丝焊装置
在对铝合金激光填丝焊接技术研究中，送丝直径最小为0.8mm，配合机器人实现自动化焊接。由于铝丝质软易卷曲，在送丝过程中易出现堆丝，因此送丝系统理想的驱动方式是推-拉丝方式，即在焊丝盘一端推，在焊接头一端拉，如图2所示。在推丝送丝方式的焊把上加装了微型电动机作为拉丝动力。焊丝前进时既靠后边的推力，又靠前边的拉力，利用二者的合力来克服焊丝软管中的阻力。一般来说，在推-拉丝式送丝方式中，推丝电动机是主要的送丝动力，它保证等速送进焊丝。拉丝电动机只起到随时将焊丝拉直的作用。在推拉式送丝方式中，两个动力要有一定的配合，尽量做到同步，但以推为主。在焊丝送进过程中，始终要保持焊丝在软管中处于拉直状态。这样就要求拉丝动力稍快于推丝动力，这两个动力之间要保持一定的速率比。
图2 推-拉丝送丝方式
激光填丝焊成形控制
激光填丝焊接技术的关键是确定焊丝的送丝位置和送丝速度。送丝位置是指在焊接方向上相对于匙孔的位置偏差(Wx)以及沿激光束轴线横穿匙孔的位置偏差(Wz)，如图3所示。送丝方式分为前送丝和后送丝。前送丝是指与焊接方向相反，焊丝末端指向匙孔前边缘的送进方式；后送丝是指与焊接方向相同，焊丝末端指向匙孔后边缘的送进方式。一般认为，前送丝方式可以使填充材料在焊缝中的分布更加均匀。
图3 激光焊过程中填充焊丝相对于激光束、工件表面和接缝的参数图
在激光焊接过程中，横向于焊接方向的送丝位置偏差WY(见图3)所引起的问题尤为突出。例如，对于WY=0.25mm的位置偏差，当采用?2填充焊丝时相对于直径1.0焊丝熔化效率将下降30%；相对于直径1.2焊丝熔化效率将下降36%。当位置偏差WY=0.4mm时，将造成严重不均匀的熔敷焊道。因此，WY应尽量接近0mm。而试验证明WX应控制在0.3~2mm之间焊接效果最佳。
相对于工件表面的送丝角度αw由焊接装置的几何尺寸决定，通常在比较宽的范围内即30~75。金属材料的反射率作为冲击角的函数而变化。当该角接近90时反射率达到最低。但这个角度在实际中无法实现。试验获得该角度在50~60范围内，能保证焊丝的最大稳定性和焊缝的最好力学性能。
激光填丝焊接过程中送丝速度必须和焊接速度、激光功率等焊接工艺参数相匹配，过大的送丝速度将导致焊缝余高过大，而送丝速度太小则会产生不规则的焊缝成形。专家曾指出激光焊接过程中焊丝几乎100%过渡到焊接熔池中，因此根据焊接过程的物质平衡计算出送丝速度的预测公式。
式中：b为拼缝间隙(mm)；δ为工件厚度(mm)；vs为焊接速度(m/min)；d为焊丝直径(mm)；vf为送丝速度(m/min)；k为成形系数，成形系数由余高的要求确定，约为1.2~1.3。
通过试验证明，该公式对于3mm厚铝锂合金的激光填丝焊基本符合，但是对于1.2mm厚的5A06铝合金薄板并不符合。如图4所示两个空间曲面之间为堆焊时焊缝成形较好的送丝速度选择范围。
图4 1.2mm厚5A06铝合金薄板送丝速度选择范围
图5为对接间隙约0.1mm，焊丝直径1.2mm，焊接速度4.5m/min，激光功率3100W，焊缝成形最好的送丝速度约是5m/min。因此，对于某种材料的激光填丝焊接技术，送丝速度的确定还具有不确定性。
图5 5A06铝合金薄板激光填丝焊缝形貌
间隙适应性及性能
最大间隙容许裕度指焊接过程中不能获得良好焊缝成形的起始失效处的间隙宽度。通过对接变间隙法试验证明，铝合金激光填丝焊的最大间隙容许裕度较激光焊而言有显著增加。例如，1.2mm厚的5A06铝合金薄板的对接适应间隙最大可以达到约1mm，如图6所示。这明显高于激光对接焊时最大容许间隙裕度（板厚的10﹪即0.12mm）。
对于1.2mm厚的5A06铝合金激光填丝焊接焊缝，选取典型试件进行X光探伤试验，X射线检测未发现超标缺陷，达到HB5375-87Ⅰ级焊缝的技术要求。同时，焊接接头的抗拉强度和屈服强度均达到母材水平。
图6 间隙对激光填丝焊缝成形的影响
发展方向
1.多道填丝焊技术
采用多道焊技术可以提高激光焊接厚板的能力。例如焊前试板加工成阶梯形坡口还是双边V型坡口，当选用匹配的工艺参数，就能获得较好的焊缝。确定合理的焊接顺序，可以最大程度地减小焊接变形。同其他焊接方法相比，焊接坡口间隙很小，这有利于改善焊接质量，节约焊接成本，提高生产效率。
2.异种金属焊接
异种金属焊接时，由于对接的基体金属化学成分及组织有较大差异，因此采用自熔焊技术很难得到满意的接头质量。但填丝焊却可以弥补自熔焊的不足，通过选用合适的填充焊丝可以使焊接接头具有优良的综合性能。
3.激光热丝焊技术
当对焊丝未采用加热措施时，激光束的能量有很大一部分作用在焊丝上，这无疑会降低焊接速度。为了充分利用激光束的能量优势，引入了热丝焊工艺。热丝焊减少了激光消耗在焊丝上的能量，从而提高了焊接速度。激光热丝焊工艺需增加一套预热设备，一般采用电阻加热。可直接将电极接在送丝滚轮上，通过大电流将焊丝在瞬间加热至接近熔点温度，当焊丝被送到焊接熔池边时，由于焊丝表面温度很高，仅需很少的激光能量就能将其熔化。而熔化的焊丝能吸收大量的激光能量，并向母材传导。同自熔焊相比，热丝焊更有利于激光能量的吸收。因此，激光热丝焊的焊接速度可以比自熔焊更高。
激光填丝焊由于能够增加焊缝最大间隙裕度，改善接头的组织和性能，增强焊接厚板及异种金属能力，极大地扩展了激光焊接的应用范围。对激光填丝焊在航空航天材料中的进一步研究，可以推动航空航天制造技术的发展，加快对传统工业的改造。因此，激光填丝焊的研究具有广阔的前景。(end)
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(5/28/2009) |
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