谢余发生、黄坚等采用激光填丝焊接技术对20mm厚5083铝合金板的超窄间隙焊接成形缺陷进行了研究。分析了激光功率、焊接速度和送丝速度对未熔合倾向和气孔缺陷的影响。
一、试样条件：填充焊丝牌号为ER5183（直径为1.2mm）。试验采用IPG公司生产的10KW光纤激光器和KUKA公司生产的6轴焊接机器人，送丝设备使用Fronius公司生产的TPS500气保护焊机的送丝系统。后置侧吹气体为纯氩气，用来抑制等离子体和保护焊接熔池。试件的焊接坡口见图1，通过X射线检测气孔率和气孔尺寸见图2。
图1.焊接坡口示意图
图2.Ｘ射线无损检测示意图
本文通过熔深Dw和Hp的大小反映未熔合倾向，熔深大未熔合倾向小。侧壁熔深D
w和底部熔深H
p的定义见图3。
图3. 侧壁熔深D
w和底部熔深H
p二、焊接参数对未熔合倾向的影响
（1）激光功率影响见图4。
随着激光功率的增加，侧壁熔深D
w和底部熔深H
p增大。但随着激光功率的增加，焊缝边缘出现咬边。
图4 激光功率对焊缝未熔合倾向的影响
（2）焊接速度的影响见图5。
随着焊接速度的增加，D
W和H
P均呈现减小的趋势。因此焊接速度较小时，焊接热输入较大，有利于焊丝的熔化和侧壁的熔合。
图5 焊接速度对焊缝未熔合倾向的影响
（3）送丝速度的影响见图6。
随着送丝速度的增加，HP逐渐减小，但送丝速度增加到一定数值后，HP急剧减小，即层间未熔合倾向明显增大。这是因为激光能量更多地用在了熔化填充焊丝上，所以用到坡口底部的激光能量随之减少。
侧壁熔深ＤＷ随送丝速度的增加，呈现先增加后减小的趋势，但变化范围较小（仅为0.13mm），说明送丝速度对侧壁熔深的影响不大。
图6 送丝速度对焊缝未熔合倾向的影响
三、焊接参数对气孔缺陷的影响（1）激光功率的影响见图7，气孔率和气孔平均直径均随激光功率的增加而增大。
出现上述现象的原因是：随着激光功率的增加，焊缝熔深增加，气泡逸出的路径增长，底部产生的气泡需要更长的时间才能逸出，使得气孔率增大；激光功率的增加使得小孔深度增加，从而使得因小孔崩塌导致的气孔尺寸增大。因此，对于5083铝合金厚板超窄间隙激光多层焊接，在保证熔合状况良好的情况下，应采用较小的激光功率。
图7.激光功率对焊缝气孔率和气孔平均直径的影响
（2）焊接速度的影响见图8。
随着焊接速度的增加，气孔率和气孔平均直径均呈现增大的趋势。随着焊接速度的增加，液态金属凝固速度加快，缩短了焊缝液态熔池存在的时间，导致气泡不容易逸出而形成气孔，气孔率增加；当焊接速度的进一步增加时，缩短了熔池液态金属的滞留时间，气体溶解量减少，气孔率并未继续增大；随着焊接速度的增加，匙孔沿焊接方向被拉长，此时小孔崩塌导致的气孔尺寸随之增大。
图8.焊接速度对焊缝气孔率和气孔平均直径的影响
（3）送丝速度的影响见图9。
随着送丝速度的增加，气孔率和气孔平均直径先减小后增大。送丝速度改变了激光能量在焊丝与母材之间的分配。随着送丝速度的增加，更多的激光能量用于熔化焊丝，较少的激光能量作用于匙孔前壁，使得从前壁喷射出的金属蒸汽对匙孔后方的冲击力减小，匙空深度也随之减小，提高了激光小孔的稳定性，从而使气孔缺陷数量和尺寸减少；但是随着送丝速度的进一步增加，焊缝堆高增加，气孔逸出变得更困难，气孔在更长的上浮逸出路径上会进一步增大，这会使气孔缺陷数量也随之增加。综合上述两方面的原因，气孔率和气孔平均直径随送丝速度的增加先减小后增大。
图9.送丝速度对焊缝气孔率和气孔平均直径的影响
文章来源：中国激光，2017年第3期
作者：谢余发生、黄坚等
关键词：激光技术、5083铝合金厚板、超窄间隙、激光填丝焊接、成形缺陷
