在運(yùn)輸車(chē)輛的設(shè)計(jì)過(guò)程中，人們?cè)絹?lái)越重視能耗問(wèn)題。輕金屬在減輕重量方面發(fā)揮著特殊的作用。特別是民航工程行業(yè)，他們正受到越來(lái)越高的壓力，要求改善其產(chǎn)品，從而一方面滿足日益增長(zhǎng)的對(duì)更高性能的要求，另一方面要降低成本[1]。除了新設(shè)計(jì)原理外，他們的任務(wù)還包括開(kāi)發(fā)結(jié)合有恰當(dāng)接合技術(shù)的生產(chǎn)工藝流程[2]。 激光束，作為一種焊接手段，其特點(diǎn)是在高加工速率條件下具有高能量密度。能量以高集中度和空間精度施加，從而允許縫合的側(cè)壁在翹曲很小并且沒(méi)有任何冷起動(dòng)（cold-starting）問(wèn)題的條件下進(jìn)行緊密的接合[2、3]。 此外，通過(guò)這種方式焊接的整體結(jié)構(gòu)由于沒(méi)有間隙,比鉚接的結(jié)構(gòu)具有更高的防腐性能，如圖1所示[1]。但是，鋁合金的焊接卻顯示了特定的、需要通過(guò)適當(dāng)方式加以處理的問(wèn)題。這些值得注意的問(wèn)題是物理屬性諸如高導(dǎo)熱性、高熱膨脹系數(shù)以及熔融金屬的低粘度等。 圖1.鉚接結(jié)構(gòu)和激光焊接的蒙皮焊縫接頭的比較[1]因此過(guò)程非常不穩(wěn)定，并導(dǎo)致產(chǎn)生不完美的焊縫。技術(shù)特性的其他方面包括對(duì)某些合金的高溫磨損敏感性、形成孔隙的難易以及表面氧化等[2,3]。這些因素提出了進(jìn)行改進(jìn)和參數(shù)變化的要求，從而改善激光束焊接過(guò)程。下面?zhèn)€別討論了涉及進(jìn)給焊絲使用的一種方法。 操作原理 采用外部焊絲進(jìn)給的激光束焊接要求對(duì)激光束和焊絲進(jìn)行精確定位。對(duì)于二者，參考點(diǎn)均為與基質(zhì)表面相交的中心坐標(biāo)軸。焊絲進(jìn)給角也會(huì)大大影響焊接結(jié)果[4]。不用說(shuō)，在較高焊接速度和焊絲進(jìn)給速度下肯定要保持非常高的精度，這樣就對(duì)焊絲進(jìn)給系統(tǒng)提出了特殊的要求。 要求激光加工頭本身重量低，并安裝一個(gè)緊湊、細(xì)長(zhǎng)的焊絲進(jìn)給單元，以便可以方便地集成到整個(gè)概念中。基本上，焊絲進(jìn)給系統(tǒng)采用一種模塊化設(shè)計(jì)，從而可以依據(jù)所涉及的應(yīng)用場(chǎng)合采用一個(gè)或多個(gè)驅(qū)動(dòng)單元來(lái)進(jìn)給焊絲。供應(yīng)商們通常以直徑為300mm的焊絲卷提供直徑在0.8～1.6mm范圍的焊絲，直徑更大及桶型包裝的焊絲卷也很常見(jiàn)。 由于考慮到尺寸和重量的因素，所以不允許將儲(chǔ)存充填焊絲的裝置安裝在很接近激光光學(xué)系統(tǒng)的地方。這樣就需要焊絲進(jìn)給系統(tǒng)通過(guò)長(zhǎng)距離將焊絲進(jìn)給到接合位置上。所以，大多數(shù)焊接應(yīng)用場(chǎng)合都采用帶兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元的設(shè)計(jì)，如圖2所示。 該焊絲進(jìn)給系統(tǒng)操作的原理是，分配給激光光學(xué)單元的前驅(qū)動(dòng)（圖2，前）將焊絲進(jìn)給速度維持為設(shè)置值，而位于充填金屬存儲(chǔ)裝置處的后驅(qū)動(dòng)（圖2，后）則給前驅(qū)動(dòng)提供足夠量的焊絲。這種完全非連接式控制被稱作“推-推”模式。這種技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)是，前驅(qū)動(dòng)以中性力接近到焊絲上，從而它完全可以集中于對(duì)焊接過(guò)程焊絲進(jìn)給速度的控制上。由扭矩控制的后驅(qū)動(dòng)來(lái)負(fù)責(zé)以足夠的速度進(jìn)給焊絲。 圖2. Dinse焊絲進(jìn)給系統(tǒng)，成套帶有兩個(gè)驅(qū)動(dòng)單元（‘推-推’操作）為了防止焊絲折彎，依據(jù)所采用的焊絲材料、直徑以及進(jìn)給距離而設(shè)定最大扭矩。由電機(jī)實(shí)施的對(duì)扭矩輸出的限制還可以通過(guò)驅(qū)動(dòng)輥?zhàn)酉拗七M(jìn)給力。速度控制的前驅(qū)動(dòng)以過(guò)程所需要的精確量從焊絲導(dǎo)向軟管中取出焊絲。從而在兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊之間可以在任何時(shí)間保持恒定的焊絲進(jìn)給速度，與焊炬設(shè)定的張力以及彎曲無(wú)關(guān)。非常低的摩擦力產(chǎn)生非常低的焊絲進(jìn)給力。此外，由驅(qū)動(dòng)單元施加在焊絲上的接觸壓力達(dá)到最低，從而防止焊絲變形。 這樣就可以優(yōu)化前驅(qū)動(dòng)的尺寸（緊湊、重量輕）而不影響零部件的可接近性。對(duì)于在航空工業(yè)中所采用的薄而軟的焊絲，前驅(qū)動(dòng)尺寸在減少驅(qū)動(dòng)和接合部位之間的距離以確保穩(wěn)定的焊絲進(jìn)給方面發(fā)揮了非常重要的作用。該焊絲進(jìn)給系統(tǒng)成套帶有一個(gè)可編程控制模塊，從而可以在操作和過(guò)程監(jiān)控方面為激光焊接應(yīng)用提供合適的匹配。 激光/冷焊絲技術(shù) 向焊接熔池進(jìn)給焊絲可以采用若干技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。如今最常用的一個(gè)技術(shù)涉及冷焊絲。對(duì)鋁合金焊接的需要使人們開(kāi)始采用帶金屬焊絲進(jìn)給的激光束焊接。 這種材料有可能導(dǎo)致在冷卻階段因溫度降低熔融金屬收縮而形成熱裂紋。這種效應(yīng)通過(guò)充填金屬加以補(bǔ)償，這種金屬被用來(lái)特別改變沿焊縫合金成分[5]。用于冷焊絲激光焊接的焊絲進(jìn)給頭的標(biāo)準(zhǔn)化的接口，允許它很容易而快速地耦合到前驅(qū)動(dòng)中，如圖3（a）所示。然而，緊湊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)允許集成液體冷卻裝置。保護(hù)氣體以同軸方式進(jìn)給，并圍繞焊絲進(jìn)給頂尖送出。這是唯一需要的供給。 圖3. 帶冷焊絲（a）和熱焊絲（b）進(jìn)給頭用于激光束焊接的Dinse驅(qū)動(dòng)巨型 ‘空中客車(chē)’380的自動(dòng)焊接這種設(shè)計(jì)不僅可以確保完善的保護(hù)氣體覆蓋，同時(shí)還提供足夠的空間來(lái)安裝各種焊縫跟蹤系統(tǒng)。利用一個(gè)調(diào)節(jié)表計(jì)，隨時(shí)可以檢查焊絲進(jìn)給頭中焊絲往激光束焦點(diǎn)進(jìn)給的精度。 由焊絲進(jìn)給頭和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)組成的該單元可以很方便地自適應(yīng)各種常用激光處理頭，并允許對(duì)激光束進(jìn)行調(diào)節(jié)。 激光/熱焊絲技術(shù) 從激光/冷焊絲技術(shù)中收集的經(jīng)驗(yàn)形成了開(kāi)發(fā)過(guò)程變體 — 其中焊絲被用作給基質(zhì)材料的蒸氣毛細(xì)管前面某點(diǎn)提供電流的介質(zhì)[2] — 的基? ８帽涮宓哪勘暝謨諭ü帕徊教岣吖濤榷ㄐ院透納坪阜斕某尚巍４雍附尤鄢亓鞴牡緦髦脅淖愿杏岵懦2]。這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于，不存在來(lái)自額外能源的熱應(yīng)力，如圖4所示。如該簡(jiǎn)圖中所示，這樣將導(dǎo)致電流密度的分布，這種分布與自感應(yīng)磁場(chǎng)一起，會(huì)產(chǎn)生合成的從左上方到右下方的力矢量。將焊接熔池往下移動(dòng)，可以產(chǎn)生更深而更細(xì)的焊縫，如圖5所示。 圖4. 在熱焊絲激光焊接過(guò)程中產(chǎn)生的自感磁力的示意圖[2]可以預(yù)見(jiàn)，采用充填金屬進(jìn)行激光束焊接的未來(lái)發(fā)展將具有額外的潛力，特別是在航空工程領(lǐng)域。其他研究集中于將電流應(yīng)用擴(kuò)大到飛機(jī)機(jī)身的側(cè)殼以及頂殼上，以實(shí)現(xiàn)與普通鉚接接頭相比的更高經(jīng)濟(jì)性。蒙皮到蒙皮以及復(fù)合物的接合也將提出有趣的挑戰(zhàn)。 圖5. 因自感磁力產(chǎn)生的焊縫橫截面的變化（左）以及通過(guò)調(diào) 節(jié)激光束坐標(biāo)軸和電流接觸點(diǎn) 之間的距離而實(shí)現(xiàn)的對(duì)該效應(yīng)的控制為了跟上這些發(fā)展的步伐并以模塊化方式保持足夠高的性能，未來(lái)焊絲進(jìn)給系統(tǒng)將需要諸如類似真正CNC軸那樣的典型特征。 Dirk Dzelnitzki是位于德國(guó)漢堡的Dinse有限公司的技術(shù)主管。Dzelnitzki@dinse-gmbh.com