轎車座椅骨架激光填絲焊接工藝穩(wěn)定性研究*

韓 熒 郭紫威

(長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，吉林 長(zhǎng)春 130013)

激光焊接作為一種先進(jìn)的特種加工技術(shù)，具有焊接效率高、熱輸入量小、更小的熱影響區(qū)面積及焊接熱應(yīng)力變形小等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用在國(guó)防、航天航空、船舶和汽車等加工制造領(lǐng)域[1-3]。激光填絲焊是以激光為熱源、焊絲作為填充材料的先進(jìn)連接工藝。激光填絲焊材利用率高、焊接過(guò)程無(wú)煙塵污染、焊縫表面成形效果好，焊接速度快，相比于單獨(dú)激光焊接，激光填絲焊接技術(shù)可降低對(duì)工件裝配精度的要求，并通過(guò)焊絲調(diào)控焊接接頭熔化區(qū)的冶金成分，改善焊縫成形[4-7]。

激光填絲焊的工藝參數(shù)有激光功率、填絲速度、激光離焦量、保護(hù)氣體成分與流速等等，眾多復(fù)雜的工藝參數(shù)會(huì)影響焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，焊接穩(wěn)定性直接影響焊接質(zhì)量。趙雪山[8]等研究了激光填絲焊和MAG焊對(duì)不銹鋼焊縫形貌和性能的影響，研究結(jié)果表明激光填絲焊接接頭組織更細(xì)化，具有更高的強(qiáng)度。張勇等[9]研究了激光功率、焊接速度和送絲速度對(duì)SUS 301L不銹鋼激光填絲搭接焊的焊縫成形和性能研究，研究結(jié)果表明良好的工藝參數(shù)可以改善焊縫成形和提高連接強(qiáng)度。Yu Y C等[10]采用了激光填絲焊的方法焊接了厚板牌號(hào)為Q235的高強(qiáng)鋼，在焊接過(guò)程中產(chǎn)生了未熔合和氣孔等缺陷。彭進(jìn)等[11]通過(guò)高速攝像分析了激光液態(tài)填充焊的熔化、過(guò)渡模式,以及工藝參數(shù)對(duì)過(guò)渡模式的影響規(guī)律，熔滴在毛細(xì)作用下穩(wěn)定過(guò)渡到熔池中，減小了對(duì)匙孔的干擾，從而提高了焊接穩(wěn)定性。

良好的熔滴過(guò)渡模式是提高焊接質(zhì)量的必要因素，因此，對(duì)激光填絲焊熔滴過(guò)渡行為展開(kāi)研究，對(duì)于改善焊接質(zhì)量、抑制焊接氣孔、改善咬邊的焊接缺陷有很高的實(shí)際工程意義。

1 試驗(yàn)材料及方法

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

采用IPG YLS-6000 光纖激光器、WF-007A多功能自動(dòng)送絲機(jī)焊機(jī)與KUKA機(jī)器人組成的焊接系統(tǒng)，激光波長(zhǎng)λ=1.07 μm，最大輸出功率P=6.0 kW，光纖直徑為200 μm，焦距f=200 mm，光斑直徑D=0.3 mm。激光束采用垂直入射，自動(dòng)送絲機(jī)送出的焊絲與平面成20°，激光束與焊槍夾角為70°。光纖激光填絲焊接示意圖如圖1所示。焊接過(guò)程通過(guò)德國(guó)Optronis公司CR5000高速攝像機(jī)進(jìn)行記錄，照片采集頻率為5 000幀/s。焊后通過(guò)采用X射線探傷方法檢測(cè)焊縫中氣孔，統(tǒng)計(jì)氣孔率是在焊縫中心選取100 mm長(zhǎng)度，利用Image Pro 6.0分析軟件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)。氣孔率為氣孔面積與焊縫投影面積的比值，即氣孔率p定義如下：

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)材料為高強(qiáng)鋼鋼板，焊接前采用細(xì)砂紙對(duì)鋼板進(jìn)行打磨，鋼板表面光滑無(wú)銹，焊接試驗(yàn)前用丙酮清洗表面，鋼板尺寸為 180 mm × 30 mm × 8 mm。焊絲材料為 304 奧氏體不銹鋼，直徑D=0.6 mm。高強(qiáng)鋼和焊絲化學(xué)成分如表 1 所示。

表1 試驗(yàn)材料化學(xué)成分 %

2 結(jié)果與討論

2.1 激光功率對(duì)熔滴過(guò)渡的影響

為了研究不同激光功率對(duì)熔滴過(guò)渡行為的影響，固定離焦量Δ=0、送絲速度為v=3 m/min，焊接過(guò)程如圖2所示。通過(guò)高速攝像觀察激光功率對(duì)熔滴過(guò)渡的影響規(guī)律，當(dāng)激光功率低于2.5 kW時(shí)，熔滴以液橋過(guò)渡形式穩(wěn)定進(jìn)入熔池中，在焊絲和工件表面形成液相橋，熔滴在激光等離子體、熔融金屬蒸汽共同作用下形成液態(tài)，并在重力和表面張力的作用下穩(wěn)定緩慢進(jìn)入熔池，當(dāng)激光功率為3 kW時(shí)，熔滴在激光熱輻照下快速融化，在焊絲前端形成大尺寸顆粒，大功率激光在工件表面形成匙孔，匙孔向外產(chǎn)生的金屬蒸汽和等離子體減緩了熔滴依靠重力下降的趨勢(shì)，降低了熔滴過(guò)渡的頻率。

2.2 離焦量對(duì)熔滴過(guò)渡的影響

為了研究不同離焦量對(duì)熔滴過(guò)渡行為的影響，固定激光功率P=2.5 kW、送絲速度為3 m/min，焊接過(guò)程如圖3所示。當(dāng)離焦量Δ=+2 mm時(shí)，聚焦在工件表面的光斑尺寸增大，單位面積上的激光功率密度減小，熔滴融化速率降低，球狀熔滴在表面張力的作用下吸附在焊絲端部，熔滴過(guò)渡不穩(wěn)定，且大尺寸熔滴進(jìn)入熔池會(huì)影響匙孔閉合，從而造成匙孔塌陷引起工藝氣孔[12]。當(dāng)離焦量為0 mm時(shí)，熔滴尺寸得到改善，形成了液橋過(guò)度如圖3b所示。

2.3 送絲速度對(duì)熔滴過(guò)渡的影響

為了研究不同離焦量對(duì)熔滴過(guò)渡行為的影響，固定激光功率P=2.5 kW、離焦量Δ=0 mm，焊接過(guò)程如圖4所示。當(dāng)送絲速度為3 m/min時(shí)，熔滴過(guò)渡模式為滴狀過(guò)渡，融化金屬附著在焊絲前端，不足以形成液橋，熔滴不斷長(zhǎng)大依靠重力作用進(jìn)入熔池，當(dāng)送絲速度增大，熔池與激光匙孔的共同熱作用融化焊絲，形成液橋過(guò)渡。送絲速度適當(dāng)增大，有助于提高焊縫的填充量，不僅可以補(bǔ)充熔池的合金元素?zé)龘p還可以減少咬邊和下塌等缺陷[12]。

2.4 工藝參數(shù)對(duì)氣孔率的影響

隨著激光功率的增加，氣孔率有增大的趨勢(shì)；當(dāng)離焦量從-2 mm增加到+2 mm，氣孔率在離焦量Δ=0 mm時(shí)最少；當(dāng)送絲速度逐漸增加，氣孔率傾向逐漸降低,如圖5所示。激光填絲焊縫的焊接質(zhì)量主要取決于焊接過(guò)程的穩(wěn)定性，熔滴尺寸過(guò)大進(jìn)入熔池所引起的波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致匙孔坍塌，熔滴以液橋模式過(guò)渡所引起的熔池表面波動(dòng)小，保障了匙孔的穩(wěn)定性，更有利于得到高質(zhì)量的焊縫。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)當(dāng)激光功率為2.5 kW、離焦量為0 mm、送絲速度為3 m/min時(shí)，高強(qiáng)鋼激光填絲焊接穩(wěn)定性較好，氣孔率最低。

(2)激光功率、離焦量、送絲速度協(xié)同作用可以改善激光填絲焊接穩(wěn)定性，當(dāng)熔滴的過(guò)渡模式為液橋過(guò)渡時(shí)，熔滴進(jìn)入熔池對(duì)匙孔影響最小，焊接穩(wěn)定性高。