CN101934407A - 电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法 - Google Patents
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电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，属于焊接领域，本发明为解决传统激光钎焊和激光熔钎焊钎料润湿铺展能力差，界面反应在空间上不均匀和能量利用率低的问题。本发明在焊接过程中，两块母材接辅助电流电源的一个输出端，辅助电源的另一个输出端通过焊接控制器与焊丝或非熔化电极连接，激光束垂直入射焊缝，在激光束沿焊接方向的前方或后方加入焊丝或者非熔化电极。具体步骤：一、对待焊接的两块母材进行预处理；二、将待焊接的两块母材固定在工作台上，并将所述两块母材接辅助电流电源；三、将焊丝或非熔化电极置于激光束沿焊接方向的前方或后方；四、启动激光焊接，接通辅助电流电源，并协调控制激光束与辅助电流的匹配关系，实施焊接。
Description
技术领域
本发明涉及电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，属于焊接领域。
背景技术
随着汽车、电子和航空航天等工业的迅速发展，激光钎焊和激光熔钎焊得到了广泛的应用。然而，由于激光属于一种局部加热的焊接方法，其温度梯度大，在焊接过程中会出现液态钎料的润湿铺展、界面反应及其均匀化的一系列复杂的物理化学过程，在应用的过程中经常出现以下问题：
第一，激光熔钎焊过程钎料的润湿铺展性差，甚至有时需要采用添加钎剂或者采用药芯焊丝的方法来解决；
第二，在激光钎焊过程中在整个固/液相互接触的界面之间的界面反应在空间上呈不均匀性，如何促进均匀的界面反应是激光钎焊亟待解决的问题；
第三，通常，在激光钎焊的过程中一般为热导焊机制，不会出现匙孔，所以大量的激光能量可能被反射掉了。如何提高能量利用率，是激光钎焊过程需要解决的另一个问题。
发明内容
本发明目的是为了解决传统激光钎焊和激光熔钎焊钎料润湿铺展能力差，界面反应在空间上不均匀和能量利用率低的问题，提供了电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法。
本发明电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法：激光钎焊方法或激光熔钎焊的焊接过程中，两块母材接辅助电流电源的一个电源输出端，辅助电源的另一个电源输出端通过焊接控制器与焊丝或非熔化电极连接，激光束垂直入射所述两块母材的焊缝处，在激光束沿焊接方向的前方或后方加入焊丝或者非熔化电极。
本发明方法的具体步骤为：
步骤一、对待焊接的两块母材进行预处理；
步骤二、将待焊接的两块母材固定在工作台上，并将所述两块母材接辅助电流电源；
步骤三、将焊丝或非熔化电极置于激光束沿焊接方向的前方或后方；
步骤四、启动激光焊接，接通辅助电流电源，并协调控制激光束与辅助电流的匹配关系，实施焊接，
焊接的工艺参数：激光功率范围为100W～10kW，保护气流量为5L/min～50L/min，焊接辅助电流的范围为10A～30kA，焊接速度为0.5m/min～3m/min。
本发明的优点：本发明可以实现同种或者异种合金的钎(熔)焊，本发明是针对激光钎(熔)焊基础上的改进，能够实现激光钎(熔)焊的优质、高效、可靠的连接。将激光与辅助电流之间的能量进行耦合在一起，使二者的能量相互促进、相互协调。本项发明的独特优势和潜力：
(1)利用电流热效应加热熔池，使熔池内部的温度梯度降低，促进界面反应的均匀化，有利于扩大工艺参数范围和提高接头质量；
(2)利用电流的热效应加热母材和焊丝，促进液态钎料的润湿铺展，提高焊缝的表面成形质量；
(3)利用电流的热效应加热焊丝及母材，提高了焊丝和母材对激光的吸收率，可大大降低焊接过程所需的激光功率。
附图说明
图1是本发明方法采用填充焊丝进行激光钎焊或激光熔钎焊时装置的结构示意图；
图2是本发明方法采用非熔化电极进行激光熔钎焊时装置的结构示意图；
图3是未采用辅助电流的激光熔钎焊接接头形貌图；
图4是采用辅助电流的激光熔钎焊接接头形貌图。
具体实施方式
具体实施方式一：下面结合图1和图2说明本实施方式，本实施方式电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法：激光钎焊方法或激光熔钎焊的焊接过程中，两块母材接辅助电流电源的一个电源输出端，辅助电源的另一个电源输出端通过焊接控制器与焊丝或非熔化电极连接，激光束垂直入射所述两块母材的焊缝处，在激光束沿焊接方向的前方或后方加入焊丝或者非熔化电极。
本实施方式所述方法的具体步骤为：
步骤一、对待焊接的两块母材进行预处理；
步骤二、将待焊接的两块母材固定在工作台上，并将所述两块母材接辅助电流电源；
步骤三、将焊丝或非熔化电极置于激光束沿焊接方向的前方或后方；
步骤四、启动激光焊接，接通辅助电流电源，并协调控制激光束与辅助电流的匹配关系，实施焊接，
焊接的工艺参数：激光功率范围为100W～10kW，保护气流量为5L/min～50L/min，焊接辅助电流的范围为10A～30kA，焊接速度为0.5m/min～3m/min。
辅助电流电源可以为直流、交流或脉冲电流，若为脉冲电流，则脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为1.5～5，脉冲频率2Hz-100Hz。
本实施方式所涉及装置如图1和图2所示，图1中部件5采用焊丝，图2中部件5采用非熔化电极，部件1和和部件2表示两块母材，部件4为激光发生器，3为激光束，6为辅助电流电源，7为焊接控制器，图4中部件5-1为非熔化电极的贴片。
步骤一中对待焊接的两块母材进行预处理是指：对待焊接的两块母材的焊接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗。
步骤二中所述两块母材固定在工作台上，形成的接头为对接接头、搭接接头、卷对接接头、角接接头或T型接头。本实施方式所述方法可以实现同种或者异种合金的钎焊或熔钎焊，
将所述两块母材接辅助电流电源，辅助电流可以为直流、交流或脉冲电流。
步骤三中采用的焊丝为药芯焊丝或实心焊丝。
步骤三中采用的非熔化电极的接触面积小于100mm2。非熔化电极的接触方式为点接触或面接触，参见图2，非熔化电极的贴片与母材在压力作用下紧密贴合并在母材上随着焊接过程的进行不断地沿焊接方向滑动，贴片与母材的接触面积不超过100mm2。
激光束类型为CO2气体激光束，YAG固体激光束、半导体激光束、光纤激光束或准分子激光束。激光束可以是连续和脉冲两种方式。
因此，根据激光束的输入方式和辅助电流的类型，其组合方式为六种：连续电流+连续激光、脉冲电流+连续激光、交流电流+连续激光、连续电流+脉冲激光、脉冲电流+脉冲激光、交流电流+脉冲激光。激光束与辅助电流之间的组合方式可以通过焊接控制器7实现，由焊接控制器7协调控制激光束与辅助电流的匹配关系，提高焊接过程的稳定性、能量利用率和接头的机械性能。
控制激光束与辅助电流的匹配关系是为了获得更好的效果，辅助电流为母材通电主要是为提高母材温度，一方面用于提高钎料在母材上的润湿铺展性能，另一方面用于改善焊缝底部未熔合缺陷，促进底部钎料与母材之间的冶金反应。电流大小根据不同钎料与母材材料而定，主要遵循上述工艺原则，一般在80～200A之间变化。
在工艺角度上，通过激光与辅助电流之间的协调控制，针对不同材料的特性提出不同的优化的焊接工艺，丰富了激光钎焊和激光熔钎焊的的工艺内容，有利于扩大激光钎焊的应用范围，便于对接头力学性能的控制。
在对围观组织的控制角度上，由于辅助电流的加入，在焊接熔池的内部的电流会产生热效应，减小了接头内部的温度梯度，促进了在整个界面上界面反应的均匀化。同时辅助电流在固态母材也会产生电阻热，使接近于液态钎料的固态母材的温度上升，促进了液态钎料的润湿铺展性能。同时由于辅助电流对焊丝或者低熔点母材的余热作用，是激光的吸收率升高，有利于降低激光功率，节约能量。
总之，本发明克服了传统激光钎焊和激光熔钎焊的液态金属对固态母材的润湿铺展能力的不足，降低了接头内部的温度梯度，促进了在整个界面上界面反应的均匀化，扩大了工艺参数的使用范围，提高了接头的力学性能与能量利用率，实现了同种或异种合金的激光钎(熔)焊的优质高强链接，具有巨大的应用和实用价值。
具体实施方式二：下面结合图3和图4说明本实施方式，本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四中的焊接的工艺参数：激光功率为1.4kW，保护气流量为20L/min，焊接辅助电流为100A，焊接速度为0.5m/min，辅助电流电源采用脉冲电源，且焊接辅助电流脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为3，其它与实施方式一相同。
本实施方式给出一个具体例子来说明本发明方法的效果，图3为无辅助电流的Ti/Al异种合金激光熔钎焊接头形貌。图4为有辅助电流的Ti/Al异种合金激光熔钎焊接头形貌。图3工艺参数为：激光功率P＝1800W，焊接速度Vh＝0.5m/min，送丝速度Vs＝2.0m/min；图4的工艺参数为：激光功率P＝1400W，辅助电流I＝100A，焊接速度Vh＝0.5m/min，送丝速度Vs＝2.0m/min。通过两种方法形成焊接接头的形貌对比可见，辅助电流除了可以降低所需的激光功率之外，还可大大促进液态钎料的润湿铺展性能。
具体实施方式三：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四中的焊接的工艺参数：激光功率范围为100W～6kW，保护气流量为5L/min～20L/min，焊接辅助电流的范围为10A～10kA，焊接速度为0.5m/min～2m/min，辅助电流电源采用脉冲电源，且焊接辅助电流脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为1.5～3，其它与实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四中的焊接的工艺参数：激光功率范围为6kW～10kW，保护气流量为20L/min～50L/min，焊接辅助电流的范围为10kA～30kA，焊接速度为2m/min～3m/min，辅助电流电源采用脉冲电源，且焊接辅助电流脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为3～5，其它与实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四的焊接的工艺参数：激光功率为6kW，保护气流量为20L/min，焊接辅助电流为10kA，焊接速度为2m/min，辅助电流电源采用脉冲电源，且焊接辅助电流脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为3，其它与实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四的焊接的工艺参数：激光功率范围为2kW～8kW，保护气流量为10L/min～30L/min，焊接辅助电流的范围为5kA～25kA，焊接速度为1m/min～2.5m/min，辅助电流电源采用脉冲电源，且焊接辅助电流脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为2～4，其它与实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四的焊接的工艺参数：激光功率范围为2kW，保护气流量为10L/min，焊接辅助电流的范围为10kA，焊接速度为1m/min，辅助电流电源采用脉冲电源，且焊接辅助电流脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为2，其它与实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四的焊接的工艺参数：激光功率范围为8kW，保护气流量为30L/min，焊接辅助电流的范围为25kA，焊接速度为2.5m/min，辅助电流电源采用脉冲电源，且焊接辅助电流脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为4，其它与实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四的焊接的工艺参数：激光功率范围为2kW～6kW，保护气流量为10L/min～20L/min，焊接辅助电流的范围为5kA～10kA，焊接速度为1m/min～2m/min，辅助电流电源采用脉冲电源，且焊接辅助电流脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为2～3，其它与实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四的焊接的工艺参数：激光功率范围为2kW～6kW，保护气流量为20L/min～30L/min，焊接辅助电流的范围为10kA～25kA，焊接速度为2m/min～2.5m/min，辅助电流电源采用脉冲电源，且焊接辅助电流脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为3～4，其它与实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四的焊接的工艺参数：激光功率为100W，保护气流量为5L/min，焊接辅助电流为10A，焊接速度为0.5m/min，辅助电流电源采用脉冲电源，且焊接辅助电流脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为1.5，其它与实施方式一相同。
具体实施方式十二：本实施方式与实施方式一的不同之处在于，步骤四的焊接的工艺参数：激光功率为10kW，保护气流量为50L/min，焊接辅助电流为30kA，焊接速度为3m/min，辅助电流电源采用脉冲电源，且焊接辅助电流脉冲时间t与脉冲间隔时间t0的比值t/t0为5，其它与实施方式一相同。
Claims (10)
1.电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，其特征在于，激光钎焊方法或激光熔钎焊的焊接过程中，两块母材接辅助电流电源的一个电源输出端，辅助电源的另一个电源输出端通过焊接控制器与焊丝或非熔化电极连接，激光束垂直入射所述两块母材的焊缝处，在激光束沿焊接方向的前方或后方加入焊丝或者非熔化电极。
2.根据权利要求1所述的电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一、对待焊接的两块母材进行预处理；
步骤二、将待焊接的两块母材固定在工作台上，并将所述两块母材接辅助电流电源；
步骤三、将焊丝或非熔化电极置于激光束沿焊接方向的前方或后方；
步骤四、启动激光焊接，接通辅助电流电源，并协调控制激光束与辅助电流的匹配关系，实施焊接，
焊接的工艺参数：激光功率范围为100W～10kW，保护气流量为5L/min～50L/min，焊接辅助电流的范围为10A～30kA，焊接速度为0.5m/min～3m/min。
3.根据权利要求2所述的电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，其特征在于，步骤一中对待焊接的两块母材进行预处理是指：对待焊接的两块母材的焊接面及其附近区域进行机械打磨和化学清洗。
4.根据权利要求2所述的电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，其特征在于，步骤二中所述两块母材固定在工作台上，形成的接头为对接接头、搭接接头、卷对接接头、角接接头或T型接头。
5.根据权利要求2所述的电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，其特征在于，步骤三中采用的焊丝为药芯焊丝或实心焊丝。
6.根据权利要求2所述的电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，其特征在于，步骤三中采用的非熔化电极的接触面积小于100mm2。
7.根据权利要求2所述的电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，其特征在于，激光束类型为CO2气体激光束，YAG固体激光束、半导体激光束、光纤激光束或准分子激光束。
8.根据权利要求2所述的电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，其特征在于，步骤四中的焊接的工艺参数：激光功率范围为100W～6kW，保护气流量为5L/min～20L/min，焊接辅助电流的范围为10A～10kA，焊接速度为0.5m/min～2m/min。
9.根据权利要求2所述的电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，其特征在于，步骤四中的焊接的工艺参数：激光功率范围为6kW～10kW，保护气流量为20L/min～50L/min，焊接辅助电流的范围为10kA～30kA，焊接速度为2m/min～3m/min。
10.根据权利要求2所述的电流辅助的激光钎焊方法或激光熔钎焊方法，其特征在于，步骤四中的焊接的工艺参数：激光功率为1.4kW，保护气流量为20L/min，焊接辅助电流为100A，焊接速度为0.5m/min。
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