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激光光内同轴送丝焊接工艺研究 摘要 中文摘要 激光送丝焊接技术是激光焊接技术的一个新的研究方向。本研究针对现有激 光光外送丝焊接中存在的不足，提出了一种新型的环形激光光内同轴送丝焊接工 艺，设计了一套新型的激光送丝焊接装置。该装置是通过对激光光路的转换、送 丝喷嘴与激光光头的一体化设计，实现了“中空激光束，焊丝居中，光内同轴送 丝一，根本上改变了传统上焊丝与激光束倾斜耦合的方式，消除了光外送丝焊接 工艺中焊丝位置、角度和方向等因素的影响，实现了二维焊缝的焊接。 对环形激光束的能量分布进行了研究，建立了在扫描线宽方向上激光功率分 布模型；研究了环形激光束与金属焊丝作用的能量关系，并得到熔化焊丝所需要 的激光功率；并建立了熔滴的受力模型与受力平衡方程。 利用新型光内同轴送丝装置进行焊接试验，研究了各工艺参数对焊缝成形质 量的影响，得到了本实验中满足焊缝成形所需要的激光功率范围，同时研究了坡 口间隙的大小与送丝速度、激光扫描速度的关系，利用改变送丝速度和改变激光 扫描速度两种方法来控制焊丝填充量，得到了最佳工艺参数，然后利用最佳参数 进行扫描方向性实验，试验表明：光内同轴送丝焊接克服了光外送丝焊接由于金 属焊丝与激光束位置偏斜带来的方向性问题，耦合性好，可以进行二维焊缝的焊 接。 通过对焊接试件进行拉伸试验、显微组织和硬度分析发现，焊缝接头抗拉强 度较高，当出现剪切断裂时最高，可达到母材9 5 ；对焊缝拉伸断口的分析发现， 其断裂形式因填充材料的不同也有所不同，填充专用焊丝时，主要表现为韧性断 裂，填充镀锌铁丝时，为韧性断口与脆性断口的混合；对显微组织的观察，发现 焊缝接头熔合区以柱状晶体为主，存在少量的等轴晶，晶粒细密，沿母材与接头 熔合区之间的熔合线法线方向有序生长；对焊缝显微硬度测试，发现焊缝接头熔 合区组织硬度较高，远远高于母材的硬度。 关键词：激光送丝焊接，环形激光束，光内同轴送丝，二维焊缝 作者：韩学磊 指导老师：石世宏 s t u d yo ni n s i d e l a s e rc o a x i a lw i r ef e e d i n gp r o c e s so f l a s e rw e l d i n g a b s t r a c t l a s e rw i r e - f e e d i n gw e l d i n gt e c h n i q u ei san e wr e s e a r c hd i r e c t i o ni nt h el a s e r w e l d i n gt e c h n o l o g y ，t h i ss t u d ya i m sa tt h ed e f i c i e n c i e si nt h ee x i s t i n gw i r e f e e d i n g w e l d i n go u t s i d et h el a s e r ，p u t sf o r w a r dan e wp r o c e s so fi n s i d e - l a s e rc o a x i a lw i r e f e e d i n gw e l d i n g ，d e s i g n san e wt y p eo fl a s e rw i r e - f e e d i n gw e l d i n gd e v i c e t h r o u g ht h e c o n v e r s i o no fl a s e rp a t h ，t h ei n t e g r a t i o nd e s i g no fw i r e f e e d i n gn o z z l ea n dl a s e rh e a d , t h ed e v i c er e a l i z e st h e ”h o l l o wl a s e rb e a m , w i r ec e n t e r , l i g h ti n s i d et h ec o a x i a l w i r e ”，a n df u n d a m e n t a l l yc h a n g e st h et r a d i t i o n a li n c l i n i n gc o u p l i n gw a yi nw i r ea n d l a s e rb e a m ，e l i m i n a t e st h ee f f e c tt ot h ew i r e sl o c a t i o n , a n g l ea n dd i r e c t i o ni nt h e w i r e - f e e d i n gw e l d i n go u t s i d et h el a s e r , a n dr e a l i z e sp l a n a rw e l d i n g e n e r g yd i s t r i b u t i o no ft h er i n gl a s e rb e a mw a ss t u d i e d , l a s e rp o w e rd i s t r i b u t i o n m o d e li nt h es c a n n i n gl i n e w i d t hd i r e c t i o nw a ss e tu p ；t h ee n e r g yc o n n e c t i o na b o u tt h e r i n gl a s e rb e a ma n da n dt h el a s e rp o w e rt h a tt h em e l t e dw i r er e q u i r e dw a sr e a c h e do u t ； t h ed r o p l e tm o d e la n dt h ef o r c eb a l a n c ee q u a t i o nw a sa l s os e tu p u s i n gt h ec o a x i a lw i r e - f e e d i n gd e v i c e ，w e l d i n ge x p e r i m e n tw a sc o n d u c t e dt os t u d y t h ee f f e c ta b o u tv a r i o u sp r o c e s sp a r a m e t e r st ot h eq u a l i t yo fw e l d ，t h el a s e rp o w e rr a n g e m e e t i n gt h en e e d so fw e l ds h a p ei nt h i se x p e r i m e n tw a sf o u n d , a tt h es a m et i m et h e r e l a t i o n s h i pa b o u tt h eg r o o v eg a ps i z e ，w i r ef e e ds p e e da n dl a s e rs c a n n i n gs p e e dw a s s t u d i e d u s i n gt w ow a y sw h i c hw a sc h a n g i n gw i r e - f e e ds p e e da n dc h a n g i n gt h e s c a n n i n gs p e e dt oc o n t r o lt h ea m o u n to ff i l l i n gm e t a l ，a n dt h eb e s tp a r a m e t e r sw a s f o u n d ，a n dt h e nu s i n gt h eo p t i m a lp a r a m e t e r s ，t h ed i r e c t i o n a ls c a n n i n ge x p e r i m e n tw a s d o n e e x p e r i m e n t ss h o w e dt h a t ，t h ec o a x i a lw i r e f e e d i n gw e l d i n gi n s i d et h el a s e rc o u l d o v e r c o m ed i r e c t i o n a lq u e s t i o n sc a u s e db yt h ed e c l i n i n gl o c a t i o nb e t w e e nw i r ea n dl a s e r b e a mo u t s i d et h el a s e rw a y ，g o o dc o u p l i n ga n dt w o - d i m e n s i o n a lw e l d i n gc o u l db e c a r r i e do u t t e n s i l et e s t , a n a l y s i so ft h em i c r o s t r u c t u r ea n dh a r d n e s so nt h ew e l d e ds p e c i m e n w e r ec a r r i do u t , a n df i n dt h a tt e n s i l es t r e n g t ho fw e l dj o i n t si sv e r yh i g h , a n dt e n s i l e s t r e n g t hi s t h eh i g h e s tw h e ns h e a rf r a c t u r ea p p e a r s ，i tc o u l dr e a c h9 5 o fp a r e m m a t e r i a l ，t e n s i l ef r a c t u r eo fw e l dw a sa n a l y s e d ，a n df m dt h a tt h ef r a c t u r em o d e sw e r e s t u d yo ni n s i d e l a s e rc o a x i a lw i r ef e e d i n gp r o c e s so fl a s e rw e l d i n g a b s t r a c t a l s od i f f e r e n t 州t l lt h ed i f f e r e n tf i l l i n gm a t e r i a l s ，f i l l i n gt h ed e d i c a t e dw i r e ，t h em a i n p e r f o r m a n c ew a st h ed u c t i l e 触c t u r e ，f i l l i n gt h eg a l v a n i z e di r o nw i r e ，t h ed u c t i l e f r a c t u r ea n db r i t t l ef a c t u r ee x i s t e d t h e 面c r o s t m c t u r ew a so b s e r v a t e x l , a n df i n dt h a t t h e r em a i n l ye x i s tc o l u m n a rc r y s t a l sa n das m a l la m o u n to fe q u i a x e dg r a i n si nf u s i o n z o n eo fw e l dj o i n t s ，伊a i nw a sf i n e r , a n dw a s g r o w i n ga l o n gt h et h en o r m a ld i r e c t i o no f f u s i o nl i n eb e t w e e np a r e n tm a t e r i a la n dt h ef u s i o nz o n e ；m i c r o h a r d n e s sw a st e s t e d , a n d f o u n dt h a tt h eh a r d n e s si sv e r yh i g hi nw e l dj o i n t s ，f a rh i g h e rt h a nt h eh a r d n e s so f p a r e n t m a t e r i a l s k e y w o r d s ：l a s e rw i r e f e e d i n gw e l d i n g , r i n gl a s e rb e a m ，i n s i d e l a s e rc o a x i a lw i r e f e e d i n g ，t w o - d i m e n s i o n a lw e l d i n g i i i w r i t t e n b y ： s u p e r v i s e db y ： h a l lx u e l e i s h is h i h o n g 苏州大学学位论文独创性声明及使用授权的声明 学位论文独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进 行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含 其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得苏州大学 或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律 责任。 研究生签名：童毛盏盔日期：丝! z ：丛 学位论文使用授权声明 苏州大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、清华大学论文 合作部、中国社科院文献信息情报中心有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本 人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分 内容。论文的公布( 包括刊登) 授权苏州大学学位办办理。 研究生签名：如盏盈e t 期：丝：2 ：生：么 锄签名：弛日 期：少呻- 上叼 激光光内同轴送丝熔覆工艺研究第一章绪论 1 1 激光焊接技术概述 1 1 1 激光焊接技术特点 第一章绪论 激光焊接是将高强度的激光束辐射至金属表面，通过激光与金属的相互作用， 金属吸收激光转化为热能，使金属熔化后冷却结晶形成焊接，与常规焊接方法相 比，激光具有优良的传输和聚焦特性，经过聚焦镜后可以将全部能量集中于一剧1 1 ， 因此，激光焊接可以使较高的能量作用于很小的区域【2 1 ，从而形成高强度的热源。 这种高强度热源沿待焊接接头快速扫描实现焊接。此外，激光焊接具有很多的优 点，主要表现为以下几点： ( 1 ) 焊缝深宽比大。当激光功率、扫描速度满足一定要求时，激光焊接具有 深熔特性。 ( 2 ) 线能量输入小，热影响区及热变形都很小，用于对变形要求严格的工件 十分有利i 引。 ( 3 ) 由于激光能量密度高，加热快，故其对被焊工件材料的适应性很强，使 难熔，难焊金属乃至陶瓷的焊接都易于实现。 ( 4 ) 焊接的速度高。即便是填充焊丝要消耗部分能量而降低了焊接的速度， 但只要焊接间隙得当，激光送丝焊接的速度仍远大于常规方法。 ( 5 ) 激光焊接接头机械性能优良，强度和韧性都接近母材。 ( 6 ) 激光加工为无接触加工，无加工惯性，且焊接工艺参数一经确定，焊接 质量易于保证，焊接可靠性高，故易于实现自动化，符合现代生产的发展趋势。 图1 1 为7 0 7 9 铝合金的m i g 焊接和激光( 激光功率3 5 0 0 w ) 焊接件的对比。可 见激光焊接接头窄而深，接头的深宽比较m i g 焊接大得多【4 1 。并且，因为激光束的 传输简单方便，所以激光焊接可达到较高的自动化程度，并具有较大的灵活性， 易于与机器人、数控的结合。在如此精密焊接的同时，又可将焊接质量控制在一 一章绪论 激光光内同轴送熔疆i 芝研究 个稳定的范围内吼 霜瀚滋 ( 曲m i g ( 焊接速度06 n g m l n )( ”激光( 焊接速度3 n r a i n ) 图1 - 1m i g 与檄光焊件成形截面对比 112 激光焊接技术的应用 2 0 世纪7 0 年代，大功率c 0 2 激光器的出现开辟了激光应用于焊接及工业领 域的新纪元。激光焊接在汽车、钢铁、船舶、航空、轻工等行业得到了日益广泛 的应用。实践证明，采用激光焊接，不仅生产效率高于传统的焊接方法，而且焊 接质量也得到了显著的提高“。 在汽车制造行业中，由于激光焊接属于无接触加工，柔性好，又可在大气中 直接进行，故可以在生产线上对不同形状的零件进行焊接，有利于车型的改进及 新产品的设计，因此，发达国家的汽车制造业，越来越多地采用激光焊接技术来 制造汽车底盘、车身板、底板、点火器、热交换器及一些通用部件】。 在舰船制造业中，用高功率激光器焊接大厚板( 可加填充金属) ，接头性能优于 通常的电弧焊，能显著降低产品成本，提高构件的可靠性，有利于延长舰船的使 用寿命”2 1 。 激光焊接在航空航天领域也获得了成功的应用。如美国p w 公司配各了6 台 大功率c 0 2 激光器( 其中最大功率为1 5 k w ) ，用于发动机燃烧室的焊接。 激光焊接还应用于电动机定子铁心的焊接，发动机壳体、机翼隔架等飞机零 件的生产，航空涡轮叶片的修复等。 总之，激光焊接在机械制造领域有着广阔的应用市场，但在国内的应用还处 在开始阶段。 激光光内同轴送丝熔覆工艺研究 第一章绪论 1 2 激光送料焊接 焊接过程中，根据是否填加材料，将激光焊接分为两类：激光自熔焊接 ( a u t o g e n o u sl a s e rw e l d i n g ) 和激光送料焊接1 5 1 。 l 。2 1 采用激光送料焊接的必要性 激光自熔焊接具有能量密度高，能量集中，焊接速度高，焊缝深宽比大，焊 接变形小，无需真空环境等优点，但是当进行一些精密自熔焊接时，例如，在汽 车用大尺寸薄板对接时，对板边间隙须严格限制，如厚度l m m 的常用薄板对接 时，0 1 m m 以上的间隙就会造成焊缝明显下凹，其力学性能和外观都达不到要求。 这就使得在实际生产条件下的装配间隙往往难以满足这样严格的要求，限制了激 光焊接的一些应用。而激光送料焊接就是在这种情况下提出的一种新的焊接工艺。 激光送料焊接是在一般的激光焊接过程中，连续填送焊料进入熔池，实现加入熔 敷( 填充) 金属的焊接工艺。与一般激光自熔焊接相比，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。 ( 2 ) 通过选定填充材料的加入，改善了填充金属的冶金行为，可以获得所需 要的焊缝性能及显微组织。 ( 3 ) 对于厚板对接焊接可以采用开坡口的多道焊接工艺，以较低的激光功率 来完成，从而避免高输入功率的使用带来的高热输入量对焊接接头质量产生的不 利影响。 ( 4 ) 通过填充材料的加入，改善了焊缝的表面成形质量，避免了焊接表面凹 陷、咬边等缺陷的产生，提高焊接接头的质量。 1 2 2 激光送料焊接的分类 根据填充材料的不同，激光送料焊接又可分为送粉焊接和送丝焊接两种l 嘲。 ( 1 ) 激光送粉焊接 激光送粉焊接的送粉系统主要由送粉器、送粉喷头、送粉气路、保护气路等 部分构成，图1 2 为激光送粉焊接试验示意图【1 6 1 。 第一章绪论激光光内月轴送熔疆i 艺研究 二刘丝三 彦囊_ 图1 - 2 激光送粉焊接试验示意图 对于激光送粉焊接，国内外研究的还不多，发表的文献极为有限。v o i zr 等 人在文献中较系统的研究了铝合金激光送粉焊接，采用外置喷射粉末的激光焊接 技术对铝合金的大功率c 0 2 激光焊接工艺进行了探讨，试验成功解决了对铝台金 焊接的问题i t ? - 2 4 1 。 激光送粉焊接有效的解决了铝、镁、铜等合金的焊接问题以及自熔焊接在实 际生产应用中产生的不足，但是激光送粉焊接在焊接过程中，金属粉末的材料利 用率很低，必须对金属粉末进行回收，粉末的输送精度不高，送料过程不易控制， 对环境产生污染等缺陷，严重阻碍了激光送粉焊接的发展。 ( 2 ) 激光送丝焊接 激光送丝焊接1 1 5 1 系统是由送丝喷嘴，气体喷嘴、送丝机等部分组成，图1 - 6 为激光送丝焊接工艺原理图。在激光焊接过程中，通过一个送丝喷嘴填充焊丝。 焊丝依据所处的位置，一部分由激光照射而熔化，一部分由激光诱导的等离子体 加热熔化，一部分通过熔池的对流而熔化。同时，为了保护焊接区及控制光致等 离子体，还需向激光束与焊丝及工件作用部位吹送保护气和等离子体控制气。送 丝喷嘴可以是与气体喷嘴分离的单独喷哺，也可以和气体喷嘴装置集成在一起， 形成同轴组合喷嘴。 图卜3 中所示的焊接工艺过程中，送丝喷嘴和送气喷嘴是彼此独立的布置于激 光束的两侧。囤1 - 4 所示为这种焊接工艺的一种实验装置，两个喷嘴相对于激光束 的角度、位置都可以分开单独调节。图1 5 所示为这种焊接工艺的另一种组合激光 加工头，送丝喷嘴、等离子体控制气喷嘴和熔池保护喷嘴集成在一起。 堂圭圭堕旦塾堂丝塑垦三苎堡塞一里二皇! 堡 隧 缀粼 钐；钐彩绷 幽i 3 采用镦光送丝焊接原理示意图 图i - 6 所示为采用同轴组合喷嘴的激光焊接工艺示意图。气体输送和焊丝输送 采取同轴安排，优点是调整方便，焊丝对保护气流干扰小。 焊肇 熔油 工件 幽1 5 采用激光送丝焊接分离喷嘴缉合加 头 第一章绪论激光光内同轴送丝熔覆工艺研究 气 图1 6 采用激光送丝焊接同轴组合喷嘴装置示意图 1 3 送丝焊接的研究方向 随着激光送丝焊接技术的发展，相继出现了激光多道送丝焊接技术、异种金 属焊接和激光热丝焊接技术，下面将介绍这几种激光送丝焊接的新技术2 5 1 。 1 3 1 多道送丝焊接技术 利用激光技术焊接厚板时，常常因为接头不能被焊透，导致焊缝的强度过低， 不能满足使用要求，而激光多道焊技术口q 的出现，有效地解决的这个难题，提高 了激光焊接厚板的能力。试验中采用1 5 k w 的c 0 2 气体激光器，焊接2 6 m m 厚的 h y 8 0 钢板，焊接前钢板加工的坡口形貌如图1 7 所示，( 1 ) 阶梯形坡口， ( 2 ) 双边v 型坡口。 图1 - 7 焊接坡口类型 6 激光光内同轴送丝熔覆工艺研究第一章绪论 对于阶梯型坡口，焊接过程很稳定。焊接时，等离子体被压入熔池，相当于 二次热源，增力n - j 熔深【2 7 1 。焊完后目视观察，发现焊缝成形良好，但观察金相组 织发现，焊缝中心存在结晶裂纹。为了消除裂纹，对被焊工件进行了预热处理，结 果未能消除裂纹。分析裂纹的形成原因，可能是由于激光焊冷却速度太快，焊缝中 晶粒从两边向中心对向生长，生长方向垂直于接缝对接面，而激光焊中由于小孔形 成，造成焊缝内液态金属发生剧烈搅动，导致低熔点物质浮于熔池表面，产生偏析， 从而导致热裂纹形成。 对于双边v 型坡口，焊接过程的稳定性较差。这可能是由于等离子体控制的 难度加大。焊完后观察，发现焊缝成形尚好，通过金相组织观察，发现除了焊缝 表面有少量气孔外，未发现结晶裂纹。原因可能是晶粒向上生长，一定程度上抑 制了偏析的出现。 通过两种坡口形式的对比，发现只要采用合理的坡口设计，选用匹配的工艺 参数，就能获得满意的焊缝。确定合理的顺序，可减小焊接变形。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。 1 3 2 异种金属焊接 随着生产的发展，异种金属的焊接越来越得到重视，但由于对接的基体金属 化学成分及组织有较大的差异弘驯，采用自熔焊接技术很难得到满意的接头质量， 而激光送丝焊接的出现可以弥补自熔焊接的不足，通过选用合适的填充焊丝，可 以完成对异种金属的焊接，使焊接接头具有优良的综合性能。 z s u n 曾经专门研究过铁素体钢和奥氏体不锈钢激光焊接问题弘) 。试验中，所 用的材料为直径4 3 5 m m ，厚度为4 5 m m 的管材，材料分别为1 3 c r m 0 4 4 铁素低合 金钢和a i s l 3 4 7 奥氏体不锈钢，焊丝材料为直径1 2 m m 的e n i c r m o 3 镍基焊丝。 试验结果表明，加工参数尤其是接缝间隙和光束偏置量( 光束中心偏离焊缝中 心的垂直距离) ，对焊缝的微观组织、化学成分及性能起决定性作用。为了使焊缝 组织全为奥氏体组织，最佳的接缝间隙是0 2 m m ，该间隙是获得金相组织全为奥 氏体的最小间隙。在该间隙下进行焊接，一则热输入量较小，二则可以避免宽间 第一章绪论激光光内同轴送丝熔覆工艺研究 隙时质量控制问题，再采用合适的送丝速度，就可以得到满意的焊缝。当然，如 果要充分利用填充焊丝来改变焊缝的成分，也可以考虑增大间隙的办法。 对于异种金属焊接，又引入了一个可变的工艺参数，即光束偏置量。当光束 偏向奥氏体不锈钢，偏置量为0 2 5 m m 时，焊缝的组织和性能没有明显的变化， 都能得到全部奥氏体组织。但如果偏向c r - m o 铁素体钢，当偏置量超过o 1 m m 时， 就会得到马氏体与奥氏体的双相组织。马氏体组织的形成，降低了焊缝的抗腐蚀 能力。 如果增加焊缝的间隙，焊丝的填充量加大，由于镍基焊丝中镍的含量高达6 0 ， 焊接过程中焊缝中被母材稀释的合金元素得到了有益的补充，有利于形成单相奥 氏体。 因此，对于异种金属焊接，选择合适的焊丝，再通过改变接缝间隙和光束偏 置量，能够得到满意的焊接接头。 1 3 3 激光热丝焊接技术 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，引入了热丝焊接工艺。 热丝焊接技术减少了激光消耗在焊丝上的能量，从而提高了焊接速度。 激光热丝焊接工艺需增加一套预热设备，一般采用电阻加热 2 9 1 ，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。同自熔焊接相比，热丝焊接更 有利于激光能量的吸收。因此，激光热丝焊接的焊接速度可以比自熔焊接更高。 为了避免焊丝金属被氧化，被加热的焊丝部位距激光束与焊丝的交汇点仅有 3 5 m m ，这样可以避免加热的焊丝温度过度降低。 聚焦镜与被焊工件之间应有足够的距离，用于安装加热装置，宜采用焦距较 大的镜片。尽管焦距增大时，焦斑直径随之增大，降低了功率密度，不利于能量吸 收，但增大焦距可以增大焦深，这对厚板焊接更有利。 激光光内同轴送丝熔覆工艺研究第一章绪论 1 4 送丝装置及原理 同自熔焊接相比，送丝焊接需要增加一套送丝系统【2 引，图1 8 为送丝焊接的 示意图。焊丝在铅垂面内要与焊缝共面，一般位于工件运动方向的后端，且与焊 缝夹角在5 0 0 左右，这样在送丝过程发生微小波动时，也能保证熔滴过渡稳定，焊 缝成形良好。为了保证焊丝正好送到激光束与母材的交汇点，用一根铜管准直焊 丝。焊丝的直线度对于焊接的稳定性非常重要，它决定激光束是否正好能作用在焊 丝上，进而影响焊丝对激光能量的吸收率，从而影响焊接过程的稳定性。 准卉 图l - 8 送丝焊接装置示意图 工件运动方向的前端，装有一根气管用于侧吹氦气或氩气，对焊缝进行保护， 有些金属还要设计专门的保护罩对熔池和焊缝进行保护。保护罩位于工件运动方 向的前端，以对形成的高温熔池和焊缝进行保护，避免焊缝金属氧化。焊接前， 用h e n e 激光器微光束来校准激光束相对于焊缝的位置，使激光束通过焊缝中心。 送丝机构的稳定性对焊缝成形影响很大，送丝速度太慢或太快，会导致过渡到熔 池中的焊丝熔滴堆积或欠缺，同时也会影响激光和焊丝及母材之间的相互作用， 导致焊缝宽窄不一。一般使用的送丝机构，需带有反馈系统，能够在焊接过程中 保持设定的送丝速度不变。 采用激光送丝焊接时，激光束首先作用在焊丝上，焊丝被激光束加热熔化， 填充焊缝间隙。然后在激光束的继续作用下，基体金属熔化、形成小孔。小孔周 围的金属能将射入的激光能量几乎全部吸收。当工件移动后，小孔移动，原孔处 封闭形成焊缝。如果焊接时焊丝未能送到激光束和焊缝中心的交汇点，由于接缝 间隙过大，激光束的大部分能量将从间隙中透过，仅有- d , 部分能量被焊缝侧壁 9 第一章绪论激光光内同轴送丝熔覆工艺研究 吸收。焊接过程中不能形成小孔，焊件不能焊合。 激光束与焊丝相互作用的机理比较复杂，部分激光束用来熔化焊丝，部分激 光束被焊丝反射掉，还有一部分穿透熔融焊丝。s a l m i n e n 对激光束与焊丝的相 互作用进行了专门的试验研究，并对焊丝反射部分的能量进行了测量【3 0 】，试验结 果表明，激光的吸收率和焊缝的质量与送丝速度，扫描速度，激光功率和聚焦镜 片的焦距大小都有密切关系，而送丝角度，位置和方向也是现有送丝焊接技术研 究的一个难点与重点。对现有激光送丝焊接系统的研究发现，金属焊丝都是通过 准直铜管从激光束侧面送入焊缝的，因此可以将这种技术称为光外送丝焊接，下 面将介绍光外送丝焊接的工艺参数对焊接过程的影响。 1 5 光外送丝焊接工艺特点 随着激光焊接技术研究的不断深入，送丝焊接技术将得到更加广泛的应用， 而焊缝的质量，直接取决于激光焊接过程中的各个工艺参数。对光外送丝焊接工 艺影响的因素很多，诸如激光功率、激光扫描速度、光斑的直径、坡口大小、送 丝速度、送丝角度、送丝位置以及保护气( 氩气、氮气等) 流速等【3 引。现对送丝 角度和送丝位置等光外送丝工艺特有的因素进行研究，为送丝工艺的改进提供依 据。 1 5 1 送丝角度的影响 偏置的金属焊丝被输送到熔池时，会存在送丝角度的不同。送丝角度可分为 焊丝与基体平面夹角和焊丝在基体平面内投影与扫描方向夹角。图1 - 9 所示a 是 金属焊丝与基体平面的夹角；图1 - 1 0 所示b 是在基体平面内，焊丝的输入方向 相对于扫描方向的夹角【3 4 1 。 1 0 堂堂生堕1 i 塑垡苎堕墨王兰望薹 蔓二里堑堡 l、 图i 9a 角度示意图 ( 1 ) n 角度的影响 口角度过大时，焊丝不能完全熔化，也就不能顺畅的进入熔池。同时，角度 过大，造成熔池内垂直漩涡增大，金属焊丝在熔池底部的“反弹效应”造成焊缝填覆 表面产生波纹。而。角度较小时，水平漩涡占主导，填覆表面波纹变小。但小角 度意味着即使熔池固化产生的很小的压力也将会使金属丝被抬起，最终产生较差 的成形表面。由于熔池内复杂漩涡的存在，焊丝在垂直平面内的夹角a 应该控制 在一定范围内，当c t = 4 0 0 土1 5 0 时，沉积率和表面粗糙度都比较理想。 ( 2 ) b 角度的影响 半络 歹护 ? 、上口 图11 0b 角度示意图 由于熔池固化给金属焊丝带来的压力和所有被送入的金属焊丝都要被熔化， 进入熔池角度的增大在一定程度上降低了输送率，都将导致沉积率会随着1 3 角度 的增大而降低。当b = 0 0 时，焊缝成形质量较好，随着b 角度的增加，使得金属焊 丝从熔池后面进入，部分面对熔池的凝固面。这将引起熔化的焊丝在已凝固层上 的滑动，导致填覆面锯齿形的产生。同时，己凝固层的推力和送丝喷嘴的作用力 会使金属丝偏移，失去对焊丝输入位置的准确控制。 第一章绪论 撒光光自同轴送熔覆i 艺研究 15 2 送丝位置的影响 送丝位置是指金属焊丝被输送时 池的位置有三种情况，如图1 - l l 所示， 焊丝末端所处熔池的位置。焊丝输送到熔 分别为前送丝，中央送丝和后送丝【3 ”。 前送丝中央送丝 后送丝 图卜1 1 送丝位置示意图 由图l - 1 2 可以看出。当金属焊丝在后送丝时，焊缝填覆表面就会出现断裂的 现象。当金属丝在前送丝和中央送丝时，焊缝填覆表面不会出现断裂的现象。由 于熔池内复杂漩涡和保护气的影响，金属焊丝处在熔池的前沿和中央时，填覆表 面质量会出现不同。 2 玉落嚣篙避蹩酲蠹曼舅舅愚囊 ( a ) 前送丝焊缝成形( b ) 后送丝焊缝成形 图l - 1 2 前进丝与后送丝焊缝成形比较 图1 1 3 给出了在不同送丝角度条件下，焊丝输入到熔池前沿和熔池中央的填 覆表面的粗糙度，从中可以得出金属焊丝输送到熔池前沿的填覆表面质量要明显 好于输送到熔池中央的表面质量。 6 0 dt o “2 0 0 2 06 0 迸丝角度 ( 1 一中央送丝：2 前送丝) 圈1 一1 3 不同送丝角度条件f 填覆表面的粗糙度 16 光外送丝焊接存在的问题以及改进 从上述分析可以清楚的看出光外送丝焊接过程中，送丝方向、角度和位置对 激光光内同轴送丝熔覆工艺研究 第一章绪论 焊缝成形质量的影响，而在这些因素影响下会产生下列问题： ( 1 ) 扫描方向性问题 使用金属焊丝进行单方向一维焊接时，只需要将各个因素调整到最佳就可以 得到成形较好的焊缝。但在进行二维焊接时，激光扫描的线路肯定不是单方向的， 这时方向性问题就表现出来了。例如，在作正方形扫描，如图1 1 4 所示，a 为起 点，沿a b c d a 方向扫描时，在起始位置将金属焊丝调整到最佳位置，即焊丝 的送入方向与扫描方向一致，焊丝输送到熔池的前沿。同时调整送丝角度 一0 0 士1 5 0 ，唧。进行熔覆。这时，可以地看出a b 段焊缝要明显的好与b c ，c d ， d a 段。这时因为在扫描b c ，c d ，d a 时送丝的状态已经改变。b c 段，b 角变为 9 0 0 。c d 段，送丝的方向与扫描方向相反，同时，金属焊丝输送到的是熔池的后 沿。d a 段，除送丝的方向与扫描方向相反，金属焊丝输送到熔池的后沿外，p 角 变为9 0 0 。由此可以看出：在进行多方向的二维焊接时，光外侧向送丝焊接是无法 满足要求的。 图1 1 4 扫描路径 ( 2 ) 光丝准确耦合问题 金属焊丝、激光与焊缝的相对位置对填覆质量有很重要的影响。因此，为了 得到较好的成形焊缝，在焊接过程中就要必须保证送丝位置的准确性。然而，由 于金属焊丝相对于聚焦激光束轴线倾斜安装，并且送丝喷嘴与激光光头相对独立， 二者的联动性差，造成金属焊丝、激光焦点和焊缝三者的对中困难，这时激光焦 点与焊丝容易产生偏离，致使离焦量就会改变，离焦量的改变会使金属焊丝吸收 的能量产生改变，对最后的焊缝质量产生影响，因此在焊接过程中经常遇到焊丝 不能完全熔化的现象。这就需要调节激光束和金属焊丝的相对位置到焦点位置， 如图1 1 5 ( a ) ，但是随着焊接进行，激光头和焊丝的位置会由于某些原因产生改 变，处于离焦位置如图1 1 5 ( b ) ，这时激光照射的焊丝的表面积增大，焊丝吸收 第幸绪论 激光光内同轴避熔爱t 艺研究 的能量下降，焊丝不能完全熔化，在凝固层推力和送丝喷嘴作用下，金属丝会产 生偏移，造成焊接不能进行。 a ) 焦点位置 ( b ) 离焦位置 图i 1 5 光丝相对位置 i 7 本课题的主要研究内容 针对现有光外送丝焊接存在的不足，本课题组提出了一种新型的送丝工艺一 环形激光光内同轴送丝焊接工艺，如图1 1 6 所示。该工艺通过对光路的转换，将 传统的圆锥形聚焦光束变换成为圃环锥形聚焦光束，将金属焊丝与环形激光束中 心线同轴输送，金属焊丝与激光光头一体化，保证焊丝和激光束同轴，以消除焊 接过程中送丝角度和位置等参数的影响，提高焊接精度，满足对二维焊缝的需求， 并进行相关的试验研究，为送丝焊接技术提供新方法和装置。 徽光秉 环形澈光柬 幽1 1 6 光内同轴送丝焊接工艺 么二删粝卫 影一 么二 埘钐一噼一 激 一 一遂 激光光内同轴送丝熔覆工艺研究第一章绪论 本课题的主要研究内容如下： ( 1 ) 提出一种在环形中空的聚焦激光束内同轴输送金属焊丝的激光送丝焊接 工艺，激光光头与金属焊丝一体化，实现“光内同轴送丝”，为激光送丝焊接提供了 一种新工艺； ( 2 ) 探讨光内同轴送丝焊接工艺下金属焊丝熔化过程，分析焊丝与激光束作 用的能量转换关系，建立熔滴的受力模型。 ( 3 ) 研究送丝速度、激光功率、扫描速度对焊缝成形质量的影响，确定优化 工艺参数；并用最优工艺参数进行方向性试验，验证光内同轴送丝焊接可以消除 光外送丝焊接出现的单方向性问题，可以进行二维焊缝的焊接；并对焊接试件在 不同参数下的截面形貌、微观组织结构和显微硬度和力学性能进行检测和分析。 本课题得到了江苏省自然科学基金( 光内同轴送丝激光加工技术成形技术基 础研究b 怼0 0 7 0 5 2 ) 资助。 第二章光内同轴送丝焊接系统的研究激光光内同轴送丝熔覆工艺研究 2 1 引言 第二章光内同轴送丝焊接系统的研究 由于光外送丝焊接系统在进行焊接时，只有当送丝角度a = 4 0 0 士1 5 0 和1 3 _ - o o ，送 丝位置为前送丝时才有可能得到成形质量良好的焊缝，而当金属焊丝偏离该位置 时，金属焊丝与激光光束的耦合性很差，造成焊缝填覆过程的失稳和焊缝成形质 量的变坏，因此它只能进行一些简单的一维焊缝的焊接。本课题组提出了一种光 内同轴送丝的方案，改变了激光束与金属焊丝或者金属粉末的耦合方式，实现了 光内同轴送粉、同轴送丝等方式的激光熔覆成形，取得一定的成果，并在激光同 轴送粉、送丝熔覆快速成型的基础上，进行光内同轴送丝焊接系统的研究，实现 二维焊缝焊接的要求。本章主要介绍光内同轴送丝焊接装置。 2 2 光内同轴送丝构思 2 2 1 光内同轴送丝方案提出 通过第一章对现有激光送丝焊接工艺的分析，可以得出光外侧向送丝焊接中 存在的不足主要有： ( 1 ) 金属焊丝与激光束倾斜成一定角度被送入光斑，造成热源呈现非对称性， 焊缝成形质量受金属丝角度影响极大，即只有当送丝角度a = 4 0 0 士1 5 0 和1 3 = o o ，送 丝位置为前送丝时才能获得良好的填覆层，因此它只能满足一些简单的一维焊缝 的焊接，对于一些复杂的平面焊接，它却无能无力。 ( 2 ) 具有导向作用的送丝喷嘴与激光头是相对独立的，二者的联动效果差， 而激光焦点，焊缝和金属丝具有严格的位置要求，造成三者之间的对中困难，在 填覆过程中光丝的耦合效果较差。 针对光外侧向送丝不足，提出一种新型送丝方法一光内同轴送丝，该方法的 1 6 激光光内同轴送丝焊接工艺研究第二章光内同轴送丝焊接系统的研究 基本思路是： ( 1 ) 激光束与金属丝中心线同轴，光束与金属丝、焊缝耦合性更好。 ( 2 ) 送丝喷嘴与激光头结构一体化，二者相对位置不变，只要保证喷嘴与焊 缝的对中，就可以进行送丝焊接，不会受到送丝方向、角度和位置的影响。 2 2 2 光内同轴送丝工艺简介 光内同轴送丝工艺是一种“光束中空，焊丝居中，光内同轴送丝”的方案，将传 统的圆锥形聚焦光束变换成为圆环锥形聚焦光束，以实现“光内同轴送丝”，如图 1 1 6 所示。 该工艺主要的特点体现在两个方面： ( 1 ) 光束中空。即采用光路转换，将传统的圆锥形聚焦光束变换成为圆环锥 形聚焦光束，如图1 1 6 所示，中空光内空间为安放同轴送丝装置提供了无光空间。 ( 2 ) 同轴送丝。侧向送丝是将金属焊丝通过导向管输入到激光焦点位置，而 导向管与激光束的轴线是存在一定夹角的，夹角的存在会引起送丝方向、角度等 众多问题。“光内同轴送丝”是在环形光中空区域安置一个与激光束轴线同轴的导向 嘴，将金属焊丝沿激光束中心线方向输送，实现光与丝在理论上的同轴，同时送 丝喷嘴与激光头一体安装，保证二者联动。 2 3 送丝系统组成 送丝系统是光内送丝焊接系统的重要组成部分，是光内送丝焊接工艺成功与 否的关键。该系统主要由金属焊丝输送模块和送丝速度控制模块两大部分组成， 如图2 1 所示，以实现金属焊丝准确、速度均匀可调并连续地到达工件表面与激 光束作用，其中金属焊丝输送模块是由送丝机、送丝软管和同轴送丝喷嘴装置三 部分组成。送丝控制模块为送丝控制柜，通过电位器改变输入电压，改变直流电 动机的机械特性，来调节送丝速度，实现稳定的送丝速度。 1 7 第= 章光内同轴送焊接系统的研究 激光光内| 目轴进熔疆i 艺研究 一 2 31 金属焊丝输送模块 焊丝输送模块有送丝机、送丝软管和同轴送丝管组成，该部分将保证焊丝连 续地、准确地送到熔池，过程平稳。选用的送丝机和送丝软管，如图2 - 2 所示，主 要实现金属焊丝输送过程连续、平稳；送丝管如图2 - 3 所示，要准确保持金属焊缝、 激光束中心与焊缝的对中，保证光丝准确的耦合。 图2 - 2 送丝机 激光光内同轴送丝焊接i 艺研究第= 晕光内同轴送焊接系统的研究 图2 - 3 同轴送丝管 ( 1 ) 送丝机性能 为了保证送丝过程的连续性、可调性、稳定性，达到实验的要求，该送丝机 具备以下性能； 1 ) 送丝速度范围合适，金属丝的输入速度对焊缝成形质量有重要的影响 2 ) 送丝的直径范围适应不同丝径的要求； 3 ) 送丝过程平稳减少焊丝在输送过程中的波动。 送丝机的技术参数如表2 - 1 送丝电源d c 2 4 vd c j 83 v 电振电压 a c 2 4 v1 0 0 w 丝的直径o p 2 4 送丝速度范围 01 1 18 m r a i n 额定牵引力 2 0 k g 整机重量 1 0 k g 通用丝盘 3 0 0 d 5 0 1 0 3f i l m 在试验中发现，金属焊丝的直线度对于金属焊丝的几何控制至关重要，会对 焊缝填覆的成形质量有重要的影响。这就要求焊丝必须经过校直，保证直线度后 才可进行输送。因此，在送丝机驱动装置前加校直机构，如图2 5 所示。 第= 章光内同轴送焊接系统的研究 激光光自同轴送烯覆i 艺研究 图2 4 送丝机( 无校直机构) 圈2 - 5 送丝机( 有校直机构) 经过校直机构校直的金属焊丝在驱动机构的带动下，到达接口，进入送丝软 管。其中，驱动机构与有直流电动机相连，可实现送丝速度的无级变速：调节手 柄压力的改变和驱动轮丝槽宽度的选择，可以满足对不同丝径的要求。 ( 2 ) 同轴送丝管 金属焊丝在送丝机驱动下，