CN101195183A - 超声波辅助激光钎(熔)焊的方法 - Google Patents
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Abstract
超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，它涉及一种焊接方法。本发明解决了激光钎(熔)焊低熔点镀层金属或者激光钎(熔)焊异种金属过程中存在润湿铺展性差、填充量不够、气孔以及钎料未焊透等问题。本发明的方法如下：在利用激光钎焊低熔点镀层金属或者激光钎熔焊异种金属过程中，同时在即将凝固的焊缝区域内施加高频率振动的超声波。本发明方法具有减少或避免了气孔的产生、降低焊接成本的优点。超声波高频振动可使熔融钎料充分流动，有利于熔融钎料的润湿铺展和向焊缝底部的渗透，增加了焊缝熔宽和焊缝填充量，避免了未焊透、咬边等焊接缺陷的产生，改善了焊缝成形，提高了焊缝强度。
Description
技术领域
本发明属于材料加工工程领域，它涉及一种焊接方法。
背景技术
众所周知，镀锌板等低熔点镀层金属、以及钛与铝、铝与钢、铜与钢等异种金属的优质、高效连接一直是焊接领域的一项技术难题。这主要是因为对于低熔点镀层金属焊接容易产生气孔、接头抗腐蚀性能低下等问题；而对于异种材料的连接，物理性能差异导致接头存在较大的残余应力；另外结晶化学性能差异使得焊缝极易生成脆硬的金属间化合物，两者均使接头性能下降。
与其它热源钎(熔)焊、固相连接方法相比，激光钎(熔)焊虽然具有焊接速度高；待焊工件尺寸及接头形式不受限制；激光钎(熔)焊具有低的热输入，可减小焊件变形；激光钎(熔)焊工艺参数高度灵活可调，可精确控制加热区域及加热时间，限制钎料与高熔点金属之间的有害界面反应；激光能量分布可调(单光束、双光束以及矩形光斑)，可控制加热区域的温度场分布，不仅能改善钎料的润湿铺展，还能控制界面反应；以及易实现自动化等优点。但是采用激光钎(熔)焊时容易出现润湿铺展性差、填充量不够、气孔和钎料未焊透等一些焊接缺陷。
发明内容
本发明的目的是为了解决激光钎(熔)焊低熔点镀层金属或者激光钎(熔)焊异种金属过程中存在润湿铺展性差、填充量不够、气孔以及钎料未焊透等问题；而提供了一种超声波辅助激光钎(熔)焊的方法。本发明的方法适用于低熔点镀层金属或者钢板与有色金属板异种材料连接。
本发明中超声波辅助激光钎(熔)焊的方法是用超声波与激光钎(熔)焊工艺相结合焊接低熔点镀层金属或者异种金属材料，即在利用激光钎焊低熔点镀层金属或者激光钎熔焊异种金属过程中，同时在即将凝固的焊缝区域内施加高频率振动的超声波，超声波是由超声波焊接装置产生的，超声波焊接装置垂直作用于焊缝区域上方，其工作压力P压力为0.1～0.5MPa及工作频率为20～100kHz，激光以散焦的形式同时直接照射在工件和焊丝上，作用于焊丝和工件上的能量配比为1.2～1.3∶1，激光光斑直径为2～5mm，激光与超声波焊接装置的夹角a在5°～30°之间，焊丝与工件之间的夹角β在15°～45°之间。
本发明的方法主要有以下几方面优势：
1.超声波高频振动可以使熔融钎料充分流动，有利于熔融钎料的润湿铺展和向焊缝底部的渗透，增加了焊缝熔宽和焊缝填充量，避免了未焊透、咬边等焊接缺陷的产生，改善了焊缝成形，提高了焊缝强度；
2.超声波高频振动可使熔融钎料内部产生一定的搅拌作用，另外超声波振动产生的热量可以降低熔融钎料的冷却速率，这些都有利于液态金属中气体的充分溢出，减少或避免了气孔的产生；
3.超声波高频振动可以细化焊缝晶粒，进一步提高了焊缝力学性能。
4.降低了焊接成本。对于单激光钎熔焊接，为了保证获得更大的铺展直径，一般选择的光斑直径相对较大，但光斑直径越大，同样条件下所需的激光功率越高，大大增加了焊接成本；而采用该发明方法，由于超声波振动可以提高钎料的润湿铺展性，因此，可以相应地减小激光光斑直径，从而降低激光功率，大大节省了焊接成本。
附图说明
图1是具体实施方式三中超声波辅助激光钎(熔)焊接示意图。图2是具体实施方式四中超声波辅助激光钎(熔)焊接示意图。图3是具体实施方式五中超声波辅助激光钎(熔)焊接示意图。图1-图3中1表示激光，2表示焊丝，3表示变幅杆，4表示工件，5表示送丝导电嘴，6表示焊缝，7表示超声波焊接装置，8表示换能器，vf表示送丝速度，v表示焊接速度，P压力表示工作压力，f表示工作频率，a为激光与超声波焊接装置的夹角，β为焊丝与工件之间的夹角。图4是Ti-Al异种合金激光钎熔焊接的焊缝表面图，图5是Ti-Al异种合金激光钎熔焊接的焊缝截面形貌图。图6是Ti-Al异种合金超声波辅助激光钎熔焊接的焊缝表面图。图7是Ti-Al异种合金超声波辅助激光钎熔焊接的焊缝截面形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：(参见图1、图2及图3)本实施方式超声波辅助激光钎(熔)焊的方法是用超声波与激光钎(熔)焊工艺相结合焊接低熔点镀层金属或者异种金属材料，即在利用激光钎焊低熔点镀层金属或者激光钎熔焊异种金属过程中，同时在即将凝固的焊缝区域内施加高频率振动的超声波，超声波是由超声波焊接装置产生的，超声波焊接装置垂直作用于焊缝区域上方，其工作压力P压力为0.1～0.5MPa及工作频率为20～100kHz，激光以散焦的形式同时直接照射在工件和焊丝上，作用于焊丝和工件上的能量配比为1.2～1.3∶1，激光光斑直径为2～5mm，激光与超声波焊接装置的夹角a在5°～30°之间，焊丝与工件之间的夹角β在15°～45°之间。
本实施方式中激光光斑具体根据焊缝情况和焊丝直径确定，在保证焊丝充分熔化的情况下，选择相对较小的光斑直径，这样有利于降低激光功率，节省成本。送丝速度vf应与焊接速度v相匹配，对于直径为2.0mm的焊丝，其比值K(K＝vf/v)应该在2.5～3.5之间。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是激光是由CO2气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器输出的。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：(参见图1)本实施方式与具体实施方式一不同的是超声波焊接装置的变幅杆与激光和焊丝成一直线作用于焊缝中间，超声波变幅杆与激光入射位置之间距离d为3～6mm。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：(参见图2)本实施方式与具体实施方式一不同的是超声波焊接装置变幅杆的两个滚轮作用于焊缝两侧，两个滚轮之间间距D为3～7mm，同时将变幅杆与激光入射位置之间距离d控制在0～4mm之间。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式中两个滚轮之间间距D可根据焊缝熔宽确定自由调节，使变幅杆的两个滚轮正好作用于液态熔池两侧。
具体实施方式五：(参见图3)本实施方式与具体实施方式一不同的是超声波焊接装置的两个并列排布变幅杆分别同时作用于焊缝两侧，两变幅杆的两个滚轮之间间距为3～7mm，变幅杆与激光入射位置之间距离控制在0～4mm之间。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式中两个滚轮之间间距D可根据焊缝熔宽确定自由调节，使变幅杆的两个滚轮正好作用于液态熔池两侧。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是超声波焊接装置的工作压力为0.2～0.4MPa。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是超声波焊接装置的工作压力为0.3MPa。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是超声波焊接装置的工作频率为40～90kHz。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是超声波焊接装置的工作频率为60kHz。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是超声波焊接装置的工作频率为80kHz。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是激光与超声波焊接装置的夹角a为10°～25°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一不同的是激光与超声波焊接装置的夹角a为15°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一不同的是激光与超声波焊接装置的夹角a为20°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一不同的是焊丝与工件之间的夹角β为20°～40°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一不同的是焊丝与工件之间的夹角β为30°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一不同的是焊丝与工件之间的夹角β为35°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十七：本实施方式中分别采用CO2激光钎熔焊方法和超声波辅助的CO2激光钎熔焊方法对2mm厚5A06铝合金和1.5mm厚Ti-6Al-4V钛合金异种材料进行对接焊接。
在激光钎熔焊方法中，激光垂直入射于焊缝表面，激光功率P为1800W，光斑直径为4mm，作用于焊丝和工件上的能量配比为1.25∶1。焊接时，焊丝与工件之间的夹角β为30°，焊接速度v和送丝速度vf分别为0.5m/min和1.5m/min，其焊缝表面和截面形貌如图4和图5所示。由图4和图5可以看出，由于熔融钎料润湿铺展较差，导致熔融钎料向焊缝底部渗透较少，焊缝熔宽较窄，正面余高高，拉伸时一般从界面断裂，其抗拉强度一般为290MPa左右。
采用超声波辅助的激光钎熔焊接进行连接时，其焊接装置示意图如图1所示，激光与超声波焊接作用角度a为15°，工作压力P压力为0.3MPa，工作频率为20kHz，其它焊接工艺参数与激光钎熔焊接一致，其焊缝表面和截面形貌如图6和图7所示。由图6和图7可以看出，由于超声波的辅助作用，有利于熔融钎料同时向焊缝底部和两边铺展，导致焊缝熔宽和熔透性增加，焊缝余高减小；同时，由于超声波高频振动可以细化晶粒，大大提高了焊缝拉伸强度，导致焊缝拉伸时一般从熔合区断裂，其抗拉强度增加到320MPa左右。
Claims (10)
1.一种超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，其特征在于超声波辅助激光钎(熔)焊的方法是用超声波与激光钎(熔)焊工艺相结合焊接低熔点镀层金属或者异种金属材料，即在利用激光钎焊低熔点镀层金属或者激光钎熔焊异种金属过程中，同时在即将凝固的焊缝区域内施加高频率振动的超声波，超声波是由超声波焊接装置产生的，超声波焊接装置垂直作用于焊缝区域上方，其工作压力P压力为0.1～0.5MPa及工作频率为20～100kHz，激光以散焦的形式同时直接照射在工件和焊丝上，作用于焊丝和工件上的能量配比为1.2～1.3∶1，激光光斑直径为2～5mm，激光与超声波焊接装置的夹角a在5°～30°之间，焊丝与工件之间的夹角β在15°～45°之间。
2.根据权利要求1所述的超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，其特征在于超声波焊接装置的变幅杆与激光和焊丝成一直线作用于焊缝中间，超声波变幅杆与激光入射位置之间距离d为3～6mm。
3.根据权利要求1所述的超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，其特征在于超声波焊接装置变幅杆的两个滚轮作用于焊缝两侧，两个滚轮之间间距D为3～7mm，同时将变幅杆与激光入射位置之间距离d控制在0～4mm之间。
4.根据权利要求1所述的超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，其特征在于超声波焊接装置的两个并列排布变幅杆分别同时作用于焊缝两侧，两变幅杆的两个滚轮之间间距为3～7mm，变幅杆与激光入射位置之间距离控制在0～4mm之间。
5.根据权利要求1所述的超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，其特征在于超声波焊接装置的工作压力为0.2～0.4MPa。
6.根据权利要求1所述的超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，其特征在于超声波焊接装置的工作频率为40～90kHz。
7.根据权利要求1所述的超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，其特征在于超声波焊接装置的工作频率为60kHz。
8.根据权利要求1所述的超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，其特征在于超声波焊接装置的工作频率为80kHz。
9.根据权利要求1所述的超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，其特征在于激光与超声波焊接装置的夹角a为10°～25°。
10.根据权利要求1所述的超声波辅助激光钎(熔)焊的方法，其特征在于焊丝与工件之间的夹角β为20°～40°。
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