1.3.7 負(fù)壓激光焊接技術(shù)

在大氣環(huán)境下，抑制激光焊接等離子蒸氣羽煙的基本研究方法就是吹輔助氣體，即在工件表面上方從側(cè)面向激光焊接熔池吹送惰性氣體，如He、Ar或它們的混合氣體。其研究工作主要是在不同工藝參數(shù)條件下探尋不同側(cè)吹氣體對等離子蒸氣羽煙的抑制效果，觀察熔池小孔動態(tài)行為，通過計算等離子蒸氣羽煙的電子密度及電子溫度來分析激光與等離子蒸氣羽煙的相互作用機理，或者通過建立高溫氣體動力學(xué)模型來研究側(cè)吹氣體的作用機理，從中找到一種合適的參數(shù)組合以保證焊接過程的穩(wěn)定性并改善焊縫成形。在負(fù)壓環(huán)境下，因為受限于真空室的尺寸和操作的不方便性以及作用機理的復(fù)雜性，目前發(fā)表的負(fù)壓激光焊接相關(guān)文獻相對比較少，主體內(nèi)容集中于對不同材料的焊縫成形及焊接工藝研究，或者通過高速攝影觀察等離子蒸氣羽煙的動態(tài)行為以及熔池的形態(tài)和流動方式，并從中發(fā)現(xiàn)其對焊接結(jié)果的影響。

負(fù)壓激光焊接方法有利于得到焊接熔深較大而焊接缺陷較少的焊縫，因而具有廣闊的應(yīng)用前景。首先，負(fù)壓激光焊接在大厚度結(jié)構(gòu)件的激光深熔焊接中具有很大的用武之地，可應(yīng)用于建筑工程、造船、壓力容器、橋梁等領(lǐng)域中厚度超過20mm的大厚度鋼板或結(jié)構(gòu)件的焊接。其次，焊接缺陷少的特點使得它也可以應(yīng)用在一些易出現(xiàn)焊接缺陷的板材焊接中，如飛機的鋁合金焊接等。但同時負(fù)壓激光焊接方法也存在不少問題。首先，負(fù)壓激光焊接可以認(rèn)為是激光焊接與真空電子束焊接的結(jié)合，因而也導(dǎo)致焊接成本過高，這一問題嚴(yán)重阻礙了該焊接方法的發(fā)展和應(yīng)用。其次，對較大厚度工件進行負(fù)壓激光焊接時，需要將其承放在一個足夠大空間的真空室中，這使得對不同尺寸構(gòu)件的焊接會受限于真空室的尺寸，同時也使激光焊接喪失了不需要真空環(huán)境這一大優(yōu)勢。

針對上述問題，可以采用局部負(fù)壓環(huán)境下的激光焊接方法，該方法的基本思路為：在工件表面焊接熔池區(qū)域上方30mm左右設(shè)置一個很小空間范圍的局部“真空室”，且令“真空室”和激光焊槍相連，焊接過程中“真空室”隨焊槍同步移動，并與工件表面緊密嵌合，其工作原理如圖1-11所示。該方法在負(fù)壓激光焊接方法的基礎(chǔ)上進行了改進，可以有效解決大真空室抽氣效率低、工件尺寸受限的問題。然而，該局部“真空室”在移動中密封性比較差，很難達到真正的真空，實際上只是通過快速抽氣在其封閉腔內(nèi)產(chǎn)生一定的局部負(fù)壓環(huán)境，所以稱其為“負(fù)壓腔”。此外，由于負(fù)壓腔空間較小，因此快速的抽氣速度會在焊接過程中不斷吸走產(chǎn)生的等離子蒸氣羽煙，這在一定程度上也有助于減小等離子蒸氣羽煙密度。

圖1-11 局部負(fù)壓激光焊接原理