CN102407404A - 一种无钎剂激光填粉焊接铝钢异种金属接头的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无钎剂激光填粉焊接铝钢异种金属接头的方法，属于高功率激光加工技术领域。采用激光填粉焊接的方法和同步送粉技术；接头布置形式为铝板在上，镀锌钢板在下，并在两层板之间平铺一层钎料；调整激光光斑的尺寸以及粉末束的尺寸，使两者相当，以及粉末束与激光光斑的相互位置关系，将其前半部分放置在激光光斑的后半部分中；采用优化的填粉焊接工艺参数进行焊接，使得在保证不熔化镀锌钢板前提下，使铝合金和钎料一侧熔化并与镀锌钢板浸润形成钎焊连接。本发明不需要使用钎剂；焊接中添加的金属粉末能够有效增加工件对激光的吸收率，提高激光的利用率。此外，添加的粉末还能有效抑制铝合金在焊接时产生的热裂纹，提高接头质量。

Description

一种无钎剂激光填粉焊接铝钢异种金属接头的方法
技术领域
本发明涉及一种无钎剂激光填粉焊接铝钢异种金属接头的方法，属于高功率激光加工技术领域。
背景技术
为制造更环保更安全的汽车，生厂商采用轻合金与钢的混合结构来制造汽车的主要结构部件。对于汽车行业来说，采用焊接仍是一种经济合理的方式：焊接接头不仅有较高的接头强度，可以保证汽车的安全性能；还可以节省原材料，降低整车自重，使汽车更环保。综合考虑各项要求，汽车行业中异种金属的连接将以焊接为主。对于汽车制造业中广泛应用的6×××系列铝合金和镀锌钢板来说，焊接接头中的脆性金属间化合物是影响焊接接头性能的主要原因。此外由于两种金属的物理化学性能差异，使其在焊接过程中会出现低熔点材料的流失、合金元素的烧损或蒸发比较严重，以及焊接裂纹。因此，熔焊方法不适用于铝钢异种金属接头的焊接。研究人员采用固相焊和钎焊的方法进行了研究。近年来，搅拌摩擦焊、激光焊等热门手段也开始用于铝钢异种金属的焊接。
对于铝钢异种金属的焊接来说，影响接头质量的主要因素是焊缝中的脆性金属间化合物以及铝合金对钢表面的浸润性。采用激光来焊接铝钢异种金属的方式主要分为熔化焊、熔钎焊以及滚压焊。熔化焊的焊接效率较高，但焊缝中生成的金属间化合物较多，焊缝质量控制难度较大。滚压焊对薄带的焊接有明显优势且焊缝质量较高，但对于板材的焊接则有一定的局限。目前研究最广泛、最具有应用前景的是熔钎焊方法。这种方法的原理是将熔点较低的铝合金熔化并使其铺展在熔点较高的钢材表面，形成钎焊连接接头，这种接头中的脆性金属间化合物层厚度较薄。为改善接头质量，常采用Al-Si焊丝或Al-Zn焊丝添加材料。目前解决界面浸润性问题的方法是采用Nocolok钎剂。这种钎剂的主要成分是氟铝酸钾，属于无机氟化学品。在焊接加热过程中，会释放出有毒气体，造成环境污染。基于环保的考量，钎剂的使用将会受到限制。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种无钎剂激光填粉焊接铝钢异种金属接头的方法。在不采用任何钎剂的情况下，采用本发明所提出的方法对难以进行熔化焊连接的铝钢异种金属薄板实现优质、高效的连接。
铝合金与镀锌钢板的熔点存在一定的差异，通过选择一种熔点与铝合金接近而又能浸润镀锌钢板的焊接填充材料，并辅以同步送粉技术进行焊接。在保证镀锌钢板不发生熔化的前提下，使熔化的铝合金与钎料在镀锌钢板表面铺展，与之形成钎焊连接接头。
为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。采用激光填粉焊接的方法和同步送粉技术；接头布置形式为铝板在上，镀锌钢板在下，并在两层板之间平铺一层钎料；调整激光光斑的尺寸以及粉末束的尺寸，使两者相当，以及粉末束与激光光斑的相互位置关系；采用优化的填粉焊接工艺参数进行焊接；
具体包括以下步骤：
1).选择适当的填充钎料(2)，使其能与铝合金(1)形成熔化焊连接，又能在镀锌钢板(3)表面浸润，形成钎焊连接；
2).接头布置形式为搭接，铝合金(1)在上，镀锌钢板(2)在下，将钎料(2)放置在铝合金(1)和镀锌钢板(3)之间，并用夹具加紧；
3).将激光光斑(4)作用在搭接位置的铝合金(1)上，调整激光束的位置使其在被焊工件上的光斑尺寸与粉末束尺寸相当；
4).调节粉末束(5)在被焊工件上作用位置，将其前半部分放置在激光光斑(4)的后半部分中。
5).在保护气为氩气条件下，通过对激光光斑(4)的尺寸、激光功率和焊接速度的调节，获得适当的焊接工艺参数范围，使得在保证不熔化镀锌钢板(3)的前提下，使铝合金(1)和钎料(2)一侧熔化并与镀锌钢板(3)浸润形成钎焊连接。
激光填粉焊接铝钢异种接头属于熔钎焊。焊接时铝合金(1)和钎料(2)一侧熔化，二者熔合为一体；与不熔化的镀锌钢板(3)一侧形成钎焊连接接头。因此，钎料的选择应当考虑与镀锌钢板(3)和铝合金(1)的匹配，也就是要求钎料既能与铝合金(1)熔合，同时又能作为镀锌钢板(3)的钎料。对于汽车工业常采用的6×××系列铝合金和镀锌钢板来说，填充粉末和钎料可以采用Al-Si共晶合金。
在本发明的无钎剂激光填粉焊接铝钢异种金属接头技术中，激光束经散焦或整形以获得一定尺寸的光斑。送粉束的尺寸要与激光光斑的尺寸相匹配。填充粉末的加入不仅可以增加激光的有效利用率，并能有效抑制铝合金的焊接热裂纹。铝合金板材熔化后，热量通过热传导作用扩散至钎料。钎料熔化后与铝合金母材一起铺展在镀锌钢板表面，形成钎焊连接接头。
采用本发明的激光填粉焊接方法，通过对激光光斑尺寸、激光功率的调节，可以在较高焊接速度的情况下，得到合适的焊接工艺参数范围。采用该范围内的工艺参数，可以实现对铝合金-镀锌钢板异种金属搭接接头的焊接。
本发明提出的方法所具有的技术优势如下：
1.焊接中不需要使用钎剂；
2.焊接中添加的金属粉末能够有效增加工件对激光的吸收率，提高激光的利用率。此外，添加的粉末还能有效抑制铝合金在焊接时产生的热裂纹，提高接头质量。
附图说明
图1是无钎剂激光填粉焊接铝钢异种金属焊接示意图；
图2是焊缝截面示意图；
图中：1.铝合金，2.钎料，3.镀锌钢板，4.激光光斑，5.粉末束，6.焊接方向，7-1.熔化焊接头，7-2.钎接接头。
具体实施方式
结合附图1～2详细说明本发明提出的一种无钎剂激光填粉焊接铝钢异种金属接头的方法。
在本发明中，钎料放置与铝合金(1)和镀锌钢板(3)之间。调节激光束的激光光斑(4)在工件表面上，并使其尺寸与粉末束(5)尺寸相当。调节粉末束(5)与激光光斑(4)的相互位置关系，将前者的前半部分放置在后者的后半部分中，具体见图1的无钎剂激光填粉焊接铝钢异种金属焊接示意图。
在上述激光填粉焊接铝钢异种接头过程中，通过对激光光斑尺寸、激光功率和焊接速度的调节，以获得合理的焊接工艺范围。采用这个范围内的参数可以获得如图2所示的连接接头。铝合金(1)与钎料(2)熔化后形成熔化焊接头(7-1)，并与熔点较高且未熔化的镀锌钢板(3)表面形成钎焊接头(7-2)，参见图2的焊缝截面示意图。
实施例：6061铝合金与镀锌钢板的连接
实验所用的激光器是由IPG Photonics公司出品的掺镱光纤激光器，型号为YSL-6000，额定功率为6.0kW，输出波长为1.06μm的连续波激光，采用焦距为200mm的铜质积分镜将圆形高斯光斑整形为矩形匀强光斑。填充粉末选用的是由Sulzer Metco出品的AlSi12粉末。填充钎料选用的是厚度为0.15mm的AlSi12共晶合金钎料。与激光束匹配，选用了宽带送粉喷嘴，其粉末束出口尺寸为4×0.5mm。
焊接规范如下：
焊接速度0.6m/min，激光功率6000W，激光束在工件表面上的光斑尺寸为3.7×7.3mm。送粉量为2.5g/min，保护气为氩气，流量为5L/min。
工件尺寸为：
6061铝合金：50mm×100mm×1.2mm，镀锌钢板：50mm×100mm×1.5mm，钎料：10mm×100mm×0.15mm
激光光斑(4)作用在6061铝合金(1)上，焊接方向(6)与粉末束(5)送进方向一致。铝合金(1)母材熔化后，热量通过热传导作用扩散至钎料(2)，钎料熔化后，与6061铝合金形成熔化焊接头(7-1)；而在镀锌钢板一侧，熔化的钎料同时与镀锌钢(3)表面形成良好钎焊接头(7-2)，从而实现了6061铝合金与镀锌钢板的熔钎焊连接。
利用上述方法获得的接头中无裂纹、气孔等缺陷。在1000倍的光学显微镜下对焊接接头的铝-钢界面的观察发现，界面处的金属间化合物层最大厚度为27μm。

Claims (2)

1.一种无钎剂激光填粉焊接铝钢异种金属接头的方法，其特征在于，采用激光填粉焊接的方法和同步送粉技术；接头布置形式为铝板在上，镀锌钢板在下，并在两层板之间平铺一层钎料；调整激光光斑的尺寸以及粉末束的尺寸，使两者相当，以及粉末束与激光光斑的相互位置关系；采用优化的填粉焊接工艺参数进行焊接；具体包括以下步骤：
1).选择适当的填充钎料(2)，使其能与铝合金(1)形成熔化焊连接，又能在镀锌钢板(3)表面浸润，形成钎焊连接；
2).接头布置形式为搭接，铝合金(1)在上，镀锌钢板(2)在下，将钎料(2)放置在铝合金(1)和镀锌钢板(3)之间，并用夹具加紧；
3).将激光光斑(4)作用在搭接位置的铝合金(1)上，调整激光束的位置使其在被焊工件上的光斑尺寸与粉末束尺寸相当；
4).调节粉末束(5)在被焊工件上作用位置，将其前半部分放置在激光光斑(4)的后半部分中；
5).在保护气为氩气条件下，通过对激光光斑(4)的尺寸、激光功率和焊接速度的调节，获得适当的焊接工艺参数范围，使得在保证不熔化镀锌钢板(3)的前提下，使铝合金(1)和钎料(2)一侧熔化并与镀锌钢板(3)浸润形成钎焊连接。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，采用铝合金为6×××系列铝合金，粉末束中的填充粉末和钎料采用Al-Si共晶合金。
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