在運輸車輛的設計過程中，人們越來越重視能耗問題。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)，他們正受到越來越高的壓力，要求改善其產(chǎn)品，從而一方面滿足日益增長的對更高性能的要求，另一方面要降低成本[1]。除了新設計原理外，他們的任務還包括開發(fā)結(jié)合有恰當接合技術的生產(chǎn)工藝流程[2]。 激光束，作為一種焊接手段，其特點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有任何冷起動（cold-starting）問題的條件下進行緊密的接合[2、3]。 此外，通過這種方式焊接的整體結(jié)構(gòu)由于沒有間隙,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、需要通過適當方式加以處理的問題。這些值得注意的問題是物理屬性諸如高導熱性、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]因此過程非常不穩(wěn)定，并導致產(chǎn)生不完美的焊縫。技術特性的其他方面包括對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]。這些因素提出了進行改進和參數(shù)變化的要求，從而改善激光束焊接過程。下面?zhèn)€別討論了涉及進給焊絲使用的一種方法。 操作原理 采用外部焊絲進給的激光束焊接要求對激光束和焊絲進行精確定位。對于二者，參考點均為與基質(zhì)表面相交的中心坐標軸。焊絲進給角也會大大影響焊接結(jié)果[4]。不用說，在較高焊接速度和焊絲進給速度下肯定要保持非常高的精度，這樣就對焊絲進給系統(tǒng)提出了特殊的要求。 要求激光加工頭本身重量低，并安裝一個緊湊、細長的焊絲進給單元，以便可以方便地集成到整個概念中。基本上，焊絲進給系統(tǒng)采用一種模塊化設計，從而可以依據(jù)所涉及的應用場合采用一個或多個驅(qū)動單元來進給焊絲。供應商們通常以直徑為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。 由于考慮到尺寸和重量的因素，所以不允許將儲存充填焊絲的裝置安裝在很接近激光光學系統(tǒng)的地方。這樣就需要焊絲進給系統(tǒng)通過長距離將焊絲進給到接合位置上。所以，大多數(shù)焊接應用場合都采用帶兩個驅(qū)動單元的設計，如圖2所示。 該焊絲進給系統(tǒng)操作的原理是，分配給激光光學單元的前驅(qū)動（圖2，前）將焊絲進給速度維持為設置值，而位于充填金屬存儲裝置處的后驅(qū)動（圖2，后）則給前驅(qū)動提供足夠量的焊絲。這種完全非連接式控制被稱作“推-推”模式。這種技術的主要優(yōu)點是，前驅(qū)動以中性力接近到焊絲上，從而它完全可以集中于對焊接過程焊絲進給速度的控制上。由扭矩控制的后驅(qū)動來負責以足夠的速度進給焊絲。 圖2. Dinse焊絲進給系統(tǒng)，成套帶有兩個驅(qū)動單元（‘推-推’操作）為了防止焊絲折彎，依據(jù)所采用的焊絲材料、直徑以及進給距離而設定最大扭矩。由電機實施的對扭矩輸出的限制還可以通過驅(qū)動輥子限制進給力。速度控制的前驅(qū)動以過程所需要的精確量從焊絲導向軟管中取出焊絲。從而在兩個驅(qū)動模塊之間可以在任何時間保持恒定的焊絲進給速度，與焊炬設定的張力以及彎曲無關。非常低的摩擦力產(chǎn)生非常低的焊絲進給力。此外，由驅(qū)動單元施加在焊絲上的接觸壓力達到最低，從而防止焊絲變形。 這樣就可以優(yōu)化前驅(qū)動的尺寸（緊湊、重量輕）而不影響零部件的可接近性。對于在航空工業(yè)中所采用的薄而軟的焊絲，前驅(qū)動尺寸在減少驅(qū)動和接合部位之間的距離以確保穩(wěn)定的焊絲進給方面發(fā)揮了非常重要的作用。該焊絲進給系統(tǒng)成套帶有一個可編程控制模塊，從而可以在操作和過程監(jiān)控方面為激光焊接應用提供合適的匹配。 激光/冷焊絲技術 向焊接熔池進給焊絲可以采用若干技術來實現(xiàn)。如今最常用的一個技術涉及冷焊絲。對鋁合金焊接的需要使人們開始采用帶金屬焊絲進給的激光束焊接。 這種材料有可能導致在冷卻階段因溫度降低熔融金屬收縮而形成熱裂紋。這種效應通過充填金屬加以補償，這種金屬被用來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給頭的標準化的接口，允許它很容易而快速地耦合到前驅(qū)動中，如圖3（a）所示。然而，緊湊的結(jié)構(gòu)設計允許集成液體冷卻裝置。保護氣體以同軸方式進給，并圍繞焊絲進給頂尖送出。這是唯一需要的供給。 圖3. 帶冷焊絲（a）和熱焊絲（b）進給頭用于激光束焊接的Dinse驅(qū)動巨型 ‘空中客車’380的自動焊接這種設計不僅可以確保完善的保護氣體覆蓋，同時還提供足夠的空間來安裝各種焊縫跟蹤系統(tǒng)。利用一個調(diào)節(jié)表計，隨時可以檢查焊絲進給頭中焊絲往激光束焦點進給的精度。 由焊絲進給頭和驅(qū)動系統(tǒng)組成的該單元可以很方便地自適應各種常用激光處理頭，并允許對激光束進行調(diào)節(jié)。 激光/熱焊絲技術 從激光/冷焊絲技術中收集的經(jīng)驗形成了開發(fā)過程變體 — 其中焊絲被用作給基質(zhì)材料的蒸氣毛細管前面某點提供電流的介質(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)點在于，不存在來自額外能源的熱應力，如圖4所示。如該簡圖中所示，這樣將導致電流密度的分布，這種分布與自感應磁場一起，會產(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，可以產(chǎn)生更深而更細的焊縫，如圖5所示。 圖4. 在熱焊絲激光焊接過程中產(chǎn)生的自感磁力的示意圖[2]可以預見，采用充填金屬進行激光束焊接的未來發(fā)展將具有額外的潛力，特別是在航空工程領域。其他研究集中于將電流應用擴大到飛機機身的側(cè)殼以及頂殼上，以實現(xiàn)與普通鉚接接頭相比的更高經(jīng)濟性。蒙皮到蒙皮以及復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）以及通過調(diào) 節(jié)激光束坐標軸和電流接觸點 之間的距離而實現(xiàn)的對該效應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，未來焊絲進給系統(tǒng)將需要諸如類似真正CNC軸那樣的典型特征。 Dirk Dzelnitzki是位于德國漢堡的Dinse有限公司的技術主管。Dzelnitzki@dinse-gmbh.com