在运输车辆的设计过程中，人们越来越重视能耗问题。轻金属在减轻重量方面发挥着特殊的作用。特别是民航工程行业，他们正受到越来越高的压力，要求改善其产品，从而一方面满足日益增长的对更高性能的要求，另一方面要降低成本[1]。除了新设计原理外，他们的任务还包括开发结合有恰当接合技术的生产工艺流程[2]。
激光束，作为一种焊接手段，其特点是在高加工速率条件下具有高能量密度。能量以高集中度和空间精度施加，从而允许缝合的侧壁在翘曲很小并且没有任何冷起动（cold-starting）问题的条件下进行紧密的接合[2、3]。
此外，通过这种方式焊接的整体结构由于没有间隙,比铆接的结构具有更高的防腐性能，如图1所示[1]。但是，铝合金的焊接却显示了特定的、需要通过适当方式加以处理的问题。这些值得注意的问题是物理属性诸如高导热性、高热膨胀系数以及熔融金属的低粘度等。
图1.铆接结构和激光焊接的蒙皮焊缝接头的比较[1]
因此过程非常不稳定，并导致产生不完美的焊缝。技术特性的其他方面包括对某些合金的高温磨损敏感性、形成孔隙的难易以及表面氧化等[2,3]。这些因素提出了进行改进和参数变化的要求，从而改善激光束焊接过程。下面个别讨论了涉及进给焊丝使用的一种方法。
操作原理
采用外部焊丝进给的激光束焊接要求对激光束和焊丝进行精确定位。对于二者，参考点均为与基质表面相交的中心坐标轴。焊丝进给角也会大大影响焊接结果[4]。不用说，在较高焊接速度和焊丝进给速度下肯定要保持非常高的精度，这样就对焊丝进给系统提出了特殊的要求。
要求激光加工头本身重量低，并安装一个紧凑、细长的焊丝进给单元，以便可以方便地集成到整个概念中。基本上，焊丝进给系统采用一种模块化设计，从而可以依据所涉及的应用场合采用一个或多个驱动单元来进给焊丝。供应商们通常以直径为300mm的焊丝卷提供直径在0.8～1.6mm范围的焊丝，直径更大及桶型包装的焊丝卷也很常见。
由于考虑到尺寸和重量的因素，所以不允许将储存充填焊丝的装置安装在很接近激光光学系统的地方。这样就需要焊丝进给系统通过长距离将焊丝进给到接合位置上。所以，大多数焊接应用场合都采用带两个驱动单元的设计，如图2所示。
该焊丝进给系统操作的原理是，分配给激光光学单元的前驱动（图2，前）将焊丝进给速度维持为设置值，而位于充填金属存储装置处的后驱动（图2，后）则给前驱动提供足够量的焊丝。这种完全非连接式控制被称作“推-推”模式。这种技术的主要优点是，前驱动以中性力接近到焊丝上，从而它完全可以集中于对焊接过程焊丝进给速度的控制上。由扭矩控制的后驱动来负责以足够的速度进给焊丝。
图2. Dinse焊丝进给系统，成套带有两个驱动单元（‘推-推’操作）
为了防止焊丝折弯，依据所采用的焊丝材料、直径以及进给距离而设定最大扭矩。由电机实施的对扭矩输出的限制还可以通过驱动辊子限制进给力。速度控制的前驱动以过程所需要的精确量从焊丝导向软管中取出焊丝。从而在两个驱动模块之间可以在任何时间保持恒定的焊丝进给速度，与焊炬设定的张力以及弯曲无关。非常低的摩擦力产生非常低的焊丝进给力。此外，由驱动单元施加在焊丝上的接触压力达到最低，从而防止焊丝变形。
这样就可以优化前驱动的尺寸（紧凑、重量轻）而不影响零部件的可接近性。对于在航空工业中所采用的薄而软的焊丝，前驱动尺寸在减少驱动和接合部位之间的距离以确保稳定的焊丝进给方面发挥了非常重要的作用。该焊丝进给系统成套带有一个可编程控制模块，从而可以在操作和过程监控方面为激光焊接应用提供合适的匹配。
激光/冷焊丝技术
向焊接熔池进给焊丝可以采用若干技术来实现。如今最常用的一个技术涉及冷焊丝。对铝合金焊接的需要使人们开始采用带金属焊丝进给的激光束焊接。
这种材料有可能导致在冷却阶段因温度降低熔融金属收缩而形成热裂纹。这种效应通过充填金属加以补偿，这种金属被用来特别改变沿焊缝合金成分[5]。用于冷焊丝激光焊接的焊丝进给头的标准化的接口，允许它很容易而快速地耦合到前驱动中，如图3（a）所示。然而，紧凑的结构设计允许集成液体冷却装置。保护气体以同轴方式进给，并围绕焊丝进给顶尖送出。这是唯一需要的供给。
图3. 带冷焊丝（a）和热焊丝（b）进给头用于激光束焊接的Dinse驱动巨型
‘空中客车’380的自动焊接
这种设计不仅可以确保完善的保护气体覆盖，同时还提供足够的空间来安装各种焊缝跟踪系统。利用一个调节表计，随时可以检查焊丝进给头中焊丝往激光束焦点进给的精度。
由焊丝进给头和驱动系统组成的该单元可以很方便地自适应各种常用激光处理头，并允许对激光束进行调节。
激光/热焊丝技术
从激光/冷焊丝技术中收集的经验形成了开发过程变体 — 其中焊丝被用作给基质材料的蒸气毛细管前面某点提供电流的介质[2] — 的基础。该变体的目标在于通过磁力进一步提高过程稳定性和改善焊缝的成形。从焊接熔池流过的电流中产生的自感应会产生磁场[2]。这种方法的优点在于，不存在来自额外能源的热应力，如图4所示。如该简图中所示，这样将导致电流密度的分布，这种分布与自感应磁场一起，会产生合成的从左上方到右下方的力矢量。将焊接熔池往下移动，可以产生更深而更细的焊缝，如图5所示。
图4. 在热焊丝激光焊接过程中产生的自感磁力的示意图[2]
可以预见，采用充填金属进行激光束焊接的未来发展将具有额外的潜力，特别是在航空工程领域。其他研究集中于将电流应用扩大到飞机机身的侧壳以及顶壳上，以实现与普通铆接接头相比的更高经济性。蒙皮到蒙皮以及复合物的接合也将提出有趣的挑战。
图5. 因自感磁力产生的焊缝横截面的变化（左）以及通过调
节激光束坐标轴和电流接触点
之间的距离而实现的对该效应的控制
为了跟上这些发展的步伐并以模块化方式保持足够高的性能，未来焊丝进给系统将需要诸如类似真正CNC轴那样的典型特征。
Dirk Dzelnitzki是位于德国汉堡的Dinse有限公司的技术主管。Dzelnitzki@dinse-gmbh.com (end)
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