铝合金薄板激光填丝焊接技术

　　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(LaserWeldingTechniquewithFillerWire)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。

　　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