20mm奥氏体不锈钢厚板焊接实录：激光填丝焊的“多道穿透术”有多硬核？
20mm奥氏体不锈钢厚板焊接实录：激光填丝焊的“多道穿透术”有多硬核？
在现代工业制造领域，焊接技术的发展水平直接影响着产品的质量、生产效率以及行业的整体进步。激光焊接作为一种先进的焊接技术，凭借其独特的优势，近年来在各行业中得到了广泛的应用。而激光填丝焊，作为激光焊接技术的重要分支，正以其卓越的性能和创新的工艺，为焊接领域带来全新的变革。
相比于传统焊接方法，激光焊接具有热输入低、焊接速度快、热影响区小、热变形小等显著优势。在汽车工业、船舶工业、核电工业、航天航空工业等高科技行业，激光焊接的应用越来越广泛。随着成套设备成本的降低，其在日常五金用品及其它生活相关领域的应用也开始迅速增长。
为了更好地适应各行业发展的需求，激光焊接的方式方法不断改良进步，激光填丝焊应运而生。激光填丝焊因其焊接能量集中、变形小等特点，能够降低对接焊时的间隙裕度，减少焊接缺陷，成为轨道交通和汽车行业内有效替代传统电弧焊的焊接方式。
激光填丝焊的工作原理与核心优势
工作原理解析：激光填丝焊时，一般选用高功率光纤激光器。激光不仅要熔化焊丝，还要熔化母材并在母材上形成激光深熔焊特有的小孔效应，进而形成较深的熔池。焊丝成分与母材金属成分充分混合，形成一种新的混合熔池。
该混合熔池的元素成分及其比例、质量相对于焊丝与母材有较大差别。这使得我们可以针对母材本身的性能缺陷，选择合适的焊丝添加到焊接过程中，从而在微观层面上对焊缝的抗裂性、抗疲劳性、耐蚀性、耐磨性等方面进行有目的性的改善。
显著优势展现：放宽装配精度要求：激光束在焊接时聚焦为几百微米直径的光斑，对于对接接头，采用非填丝的自熔焊一般焊缝间隙最大为板厚的 10%，当焊缝较长时，对工件焊接面的加工精度与装夹精度要求极高。而激光填丝焊中，熔化的填充金属可以防止激光能量从焊缝间隙穿过，放宽了装配精度，且焊缝微微凸出，成形美观。
实现厚板多道焊接：受现有大功率激光器功率限制，一般厚板的激光焊接厚度低于 15mm。而激光填丝焊采用窄间隙和填丝多道焊，可通过较小的热输入实现大厚板的焊接，变形小，比传统焊接方法效率更高。
精准控制焊缝性能：通过调节焊丝成分，能够有效控制焊缝区组织性能，对裂纹等缺陷更容易控制，这对于异种材料及脆性材料的焊接十分有利。
激光填丝焊的关键技术要点
送丝技术要点
送丝速度的精准把控：送丝速度是激光填丝焊的重要工艺参数，需根据拼缝间隙量合理确定。合理选择送丝速度可充分利用激光能量，提高生产效率。焊缝截面的余高及拼缝间隙均依靠焊丝填充，激光焊接过程中焊丝几乎 100% 过渡到焊接熔池中，因此可根据焊接过程的物质平衡来计算送丝速度。
送丝位置与角度的优化：焊丝可从激光前方或后方送入，并与光轴成一定角度，一般要求焊丝在铅垂面上与焊缝共面。送丝角度在 30° - 75° 之间较为合适，送丝位置应尽可能对准焊缝中心线。当送丝位置偏离焊缝中心线时，焊丝熔化效率会大幅降低。在焊接要求较高的情况下，最好配备光学焊缝跟踪系统进行焊丝位置实时监测与控制。
热丝焊工艺的应用：大部分激光填丝焊采用冷丝，激光束能量有很大一部分作用在焊丝上，降低了焊接速度。引入热丝焊工艺，可减少激光消耗在焊丝上的能量，有效提高焊接速度。
热丝焊需增加一套预热设备，一般采用电阻加热，将电极接在送丝滚轮上，通过大电流将焊丝瞬间加热至接近熔点温度。为避免焊丝金属被氧化，被加热的焊丝部位距激光束与焊丝的交汇点仅有 3 - 5mm，且聚焦镜与被焊工件之间应有足够距离安装加热装置，宜采用焦距较大的镜片。
激光束与填充金属的相互作用
采用填丝焊时，激光首先作用在焊丝上，焊丝被加热熔化后填充拼缝间隙，随后基体金属熔化形成匙孔。若焊丝未能送到光轴和焊缝中心的交汇点，或拼缝间隙过大，激光大部分能量会从间隙透过，导致焊件不能完全熔合。
填充焊丝的加入使光束与焊丝相互作用机理变得复杂，激光束照射到填充焊丝上时，能量被吸收、反射、穿透，部分能量还会使填充金属汽化。焊丝对激光能量的反射不容忽视，送丝速度、激光功率、焦距等工艺参数对焊丝反射能量影响较大。
液态填充金属吸光率比固态金属大，高温金属吸光率比低温金属大。为充分利用激光能量，应尽可能提高激光功率，采用短焦距镜片，在满足成形条件下尽量减小送丝速度。送丝方向不同，焊丝熔化特性也有所不同，前送丝和后送丝的焊丝熔化机制差异导致焊接效率和焊接过程稳定性有所不同。
激光填丝焊的广泛应用领域
多道填丝焊技术在大厚板焊接中的应用：采用填丝多道焊技术可提高激光焊接大厚板的能力。激光填丝焊试件坡口一般开得相对较窄，常用坡口形状有阶梯型坡口和双边 V 形坡口。
研究表明，阶梯型坡口焊接过程较稳定，等离子体相当于二次热源增加熔深，但焊缝中心可能出现结晶裂纹；双边 V 形坡口焊接过程稳定性较差，但焊缝成形良好，除焊缝表面有少量气孔外，未发现结晶裂纹。合理设计坡口、选用匹配工艺参数，两种坡口都能获得满意焊缝。在焊接奥氏体不锈钢厚板（20mm）时，设计窄间隙对接坡口，控制坡口角度、送丝位置与速度等关键工艺参数，可有效保证焊接质量。
异种金属焊接中的应用：异种金属焊接时，自熔焊技术很难得到满意接头质量。而激光填丝焊可通过选用合适的填充焊丝弥补这一不足，使焊接接头具有优良综合性能。此外，还可采用光束偏置方法调节热输入，控制被焊材料微观组织。
在异种钢及钢与铸铁的焊接中，由于碳和其他合金元素含量差异大，易在焊缝中生成马氏体或白口铁等脆性组织，引发焊接裂纹。通过填充焊丝降低焊缝中的碳含量，提高镍元素等奥氏体化元素的含量，可抑制脆性组织生成，在焊缝中得到奥氏体、铁素体或其复相组织。例如，在铁素体钢和奥氏体不锈钢的焊接中，合理选择焊丝和控制光束偏置量，可有效控制焊缝组织和性能。
激光填丝焊技术凭借其独特的优势和不断创新的工艺，在现代工业制造中发挥着越来越重要的作用。从改善焊缝成型到实现大厚板焊接，从焊接铝合金到异种金属连接，激光填丝焊正以其卓越的性能，为各行业的发展提供强大的技术支持，推动着焊接技术不断迈向新的高度。随着技术的不断发展和完善，激光填丝焊必将在未来的工业生产中展现出更为广阔的应用前景。