CN102430862B - 一种非晶基材的激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种非晶基材的激光焊接方法，所述激光焊接方法包括在惰性气氛保护下将焊接件采用脉冲激光焊接于待焊基材上；其中，所述待焊基材为非晶合金，所述焊接件为非晶合金或不锈钢；焊接的条件包括：激光功率为1-6.5KW，光斑直径为0.1-1.0mm，出光频率为1-20Hz，惰性气氛的气压为0.1-1MPa，惰性气氛的气体流量为1-15mL/min。本发明提供的非晶基材的激光焊接方法，既能对非晶合金之间焊接，也能对非晶合金与不锈钢之间进行焊接，焊接前后无明显晶化现象，且焊接强度较高。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接领域，尤其涉及一种非晶基材的激光焊接方法。
背景技术
非晶合金属于亚稳态材料，在外界高温影响下容易向更稳定的晶态发生转变，因此在非晶焊接时温度不宜过高，且焊接速度要快，且必须在惰性气体保护下进行，以免氧化和过热导致非晶转化为晶体。因此，常规的焊接方法，如储能焊、摩擦焊、电阻焊等，均不适用于非晶材料的焊接。非晶基材的焊接成为非晶材料应用拓展的一个技术难点。
CN1386605A中公开了一种锆基非晶块体材料的电阻焊接方法，通过采用脉冲电流对非晶材料进行焊接，该方法中通过控制脉冲电流的相关参数，如周期、最大峰值电流密度和单个脉冲持续的时间，能有效保证非晶材料焊接后不发生晶化，从而可采用常规的电阻焊接操作方法。但是该方法仅限于非晶材料之间的焊接，对非晶材料与异种材料的焊接不能适用，特别是焊接难度较大的不锈钢基材。
CN101987396A中公开了一种锆基块体非晶合金的激光焊接方法，通过采用脉冲激光对非晶材料进行焊接，该方法通过脉冲激光的相关参数，如激光峰值功率、焊接速率，能有效保证非晶材料焊接后仍保持非晶态，且具有较高的焊接强度。但是，该方法同样仅限于非晶材料之间的焊接，另外该方法中对焊接件的形状有要求，对设备要求较高。
发明内容
本发明解决了现有技术中存在的非晶基材与不锈钢难以焊接、以及非晶基材焊接过程中焊接过程中对设备要求高的技术问题。
本发明提供了一种非晶基材的激光焊接方法，所述激光焊接方法包括在惰性气氛保护下将焊接件采用脉冲激光焊接于待焊基材上；其中，所述待焊基材为非晶合金，所述焊接件为非晶合金或不锈钢；
焊接的条件包括：激光功率为1-6.5KW，光斑直径为0.1-1.0mm，出光频率为1-20Hz，惰性气氛的气压为0.1-1MPa，惰性气氛的气体流量为1-15mL/min。
本发明提供的非晶基材的激光焊接方法，通过对焊接的条件包括激光功率、光斑直径、出光频率、惰性气氛的气压和气体流量进行适当控制，使得本发明的焊接方法不仅可对非晶合金之间焊接，也可对非晶合金与不锈钢之间进行焊接，大大拓展非晶合金的使用领域；同时，本发明中，激光的功率可低至1KW，能大大降低对设备的要求，同时对焊接件和待焊基材的形状也没有特殊要求，使得本发明的焊接方法简单易于实施。采用该方法对非晶合金进行焊接后，焊接区域或焊点无明显晶化现象，且焊接强度较大。
附图说明
图1是非晶基材与非晶基材之间对接线焊的示意图。
图2是非晶基材与非晶基材之间焊接区域的XRD图。
图3是非晶基材与非晶基材之间焊接区域放大50倍的形貌示意图。
图4是非晶基材与不锈钢之间搭接点焊的示意图。
图5是非晶基材与不锈钢之间搭接点焊前后焊点处非晶的DSC图。
图6是不锈钢表面激光辐射区域放大50倍的形貌示意图。
具体实施方式
本发明提供了一种非晶基材的激光焊接方法，所述激光焊接方法包括在惰性气氛保护下将焊接件采用脉冲激光焊接于待焊基材上；其中，所述待焊基材为非晶合金，所述焊接件为非晶合金或不锈钢；
焊接的条件包括：激光功率为1-6.5KW，光斑直径为0.1-1.0mm，出光频率为1-20Hz，惰性气氛的气压为0.1-1MPa，惰性气氛的气体流量为1-15mL/min。
本发明提供的非晶基材的激光焊接方法，通过对焊接的条件包括激光功率、光斑直径、出光频率、惰性气氛的气压和气体流量进行适当选择使其在本发明的范围内，使得本发明的焊接方法不仅可对非晶合金之间焊接，也可对非晶合金与不锈钢之间进行焊接，大大拓展非晶合金的使用领域；同时，本发明中，激光的功率可低至1KW，能大大降低对设备的要求，同时对焊接件和待焊基材的形状也没有特殊要求，使得本发明的焊接方法简单易于实施。
在焊接过程中，若温度过高，非晶基材容易被晶化。因此，必须控制焊接过程中的焊接区域的冷却速度大于非晶的临界冷却速度，从而能有效防止非晶晶化。
本发明的发明人通过大量实验发现，焊接区域的冷却速度可通过对焊接的条件进行选择而进行控制。具体地，本发明中，所述焊接的条件包括：激光功率为1-6.5KW，光斑直径为0.1-1.0mm，出光频率为1-20Hz，惰性气氛的气压为0.1-1MPa，惰性气氛的气体流量为1-15mL/min。通过对上述焊接条件进行限制，可达到以下条件：（1）在待焊基材与焊接件的焊接结合处达到两种材料同时熔化所需要的能量；（2）非晶合金熔化后其冷却速度大于30K/s，能快速冷却防止被氧化或晶化。
优选情况下，焊接的条件包括：激光功率为1-3.5KW，光斑直径为0.2-0.8mm，出光频率为1-10Hz，惰性气氛的气压为0.3-0.6MPa，惰性气氛的气体流量为5-12mL/min。
本发明中，通过对焊接条件进行上述的控制，然后对非晶合金进行焊接，焊接前后无明显晶化现象，且焊接强度较高。
焊接过程中，可通过观察作为待焊基材的非晶合金焊接区表面的颜色来对惰性气氛进行适当调节。若非晶合金表面发黑严重，则需调压惰性气氛的气压或气体流量，直至非晶合金表面光泽度良好。
本发明中，所述待焊基材为非晶合金。所述焊接件为非晶合金或不锈钢。
若焊接件为非晶合金时，焊接件与待焊基材均为非晶合金，其熔点接近；此时焊接为非晶基材与非晶基材之间的焊接。本发明中，非晶基材与非晶基材之间的焊接优选采用对接线焊的方式，能有效防止其中一个非晶基材过溶或晶化。
所述对接线焊的结构示意图如图1所示，将第一非晶合金1与第二非晶合金2对接，对接部位3即为焊接过程中的激光辐射区域，然后将脉冲激光4对准该对接部位3进行辐射。辐射过程中，脉冲激光移动以形成线形焊接区域，如图3所示。优选情况下，脉冲激光的移动速度为4-20mm/s。
若焊接件为不锈钢，不锈钢的熔点高于非晶合金；此时为非晶基材与异种材料之间的焊接。本发明中，非晶合金1与不锈钢5之间的焊接优选采用搭接点焊的方式，其结构示意图如图4所示，激光辐射区域为焊接件表面，即为不锈钢5表面。本发明中，通过采用脉冲激光4辐射不锈钢5的表面，一方面能保证不锈钢5和非晶合金1同时溶化，从而可以形成焊点将不锈钢3和非晶合金1进行良好焊接，具有较高的焊接强度；另一方面，熔点较低的非晶合金1处于不锈钢5下方，能有效避免激光直接辐射过程中过溶或晶化现象的产生，从而使非晶合金1焊接前后保持非晶态。脉冲激光4辐射过程中，不锈钢5表面被辐射区域的形貌如图6所示。
为有效保证焊接件与待焊基材之间的焊接强度，优选情况下，搭接点焊的点数为3-8个。对应地，焊点的个数为3-8个。
作为本发明的一种优选实施方式，所述脉冲激光的波形为方波或梯形波。单个脉冲的脉宽为3-25ms。优选情况下，本发明中脉冲激光采用方波形脉冲激光；即激光辐射过程中，激光能量始终100%，能有效防止焊接过程中非晶合金出现晶化现象。
本发明中，所述焊接过程在惰性气氛保护下进行。所述惰性气氛所采用的气体为惰性气体或氮气中的任意一种。惰性气体为元素周期表第零族元素对应的各种气体。
本发明中，脉冲激光可采用现有技术中常见的各种激光设备，例如可以采用大族激光设备PB300。
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
将厚度为1.5mm两块非晶合金对接，对接部位宽6mm，氩气保护下采用激光设备PB300设置方波脉冲对准两块非晶合金的对接部位辐射，将两块非晶合金进行对接线焊，焊接的条件包括：激光功率为1.4KW，光斑直径为0.27mm，出光频率为8Hz，氩气气压为0.15MPa，氩气流量为10mL/min，脉冲激光的移动速率为8mm/s，单个脉冲的脉冲宽度为3.5ms。
实施例2
采用与实施例1相同的方法对两块非晶合金进行对接线焊，不同之处在于：脉冲激光的移动速率为15mm/s，单个脉冲持续的时间为10ms。
实施例3
将厚度为0.15mm的不锈钢搭接于厚度为1.5mm非晶合金上，氮气保护下采用激光设备PB300设置方波脉冲对准不锈钢表面进行辐射，将不锈钢与非晶合金进行搭接点焊，焊接的条件包括：激光功率为2KW，光斑直径为0.64mm，出光频率为8Hz，氮气气压为0.15MPa，氮气流量为10mL/min，单个脉冲的脉冲宽度为8ms，焊点的个数为4个。
实施例4
采用与实施例3相同的方法对不锈钢与非晶合金进行搭接点焊，不同之处在于：单个脉冲持续的时间为3.5ms，焊点的个数为6个。
性能测试：
1、X射线衍射分析
采用日本理学D/MAX-PC2200 X 射线衍射仪(Cu靶，λ= 0.15405nm) 对实施例1中的焊接区域进行物相晶体结构分析，得到图2所示的衍射图谱。
由图2可知，非晶合金焊接前后焊接区域未发生晶化。
2、DSC测试
（1）测试仪器：NETZSCH（耐驰）STA409C型同步热分析；铂金坩埚；
（2）测试条件：温度范围为30℃-1000℃，升温速率为20℃/min；氩气保护；得到图5所示的DSC图。
图5中，6为焊接前的非晶合金的DSC图，7为焊接后焊点区域的DSC图，说明非晶合金与不锈钢焊接前后未发生晶化。
3、焊接强度测试
采用深圳新三思公司生产的万能试验机对实施例1-4中已焊接好的结构件进行横向拉拔力测试，记录最大拉断力。结果如表1所示。
表1
| 实施例 | 焊接区域尺寸 | 最大拉断力 |
| 实施例1 | 焊接熔痕宽度1mm | 3.14KN |
| 实施例2 | 焊接熔痕宽度1.1mm | 3.42KN |
| 实施例3 | 焊斑直径2.0mm | 0.83KN |
| 实施例4 | 焊斑直径1.5mm | 0.79KN |
由上表1可知，采用本发明提供的方法既能对非晶合金之间焊接，也能对非晶合金与不锈钢之间进行焊接，且焊接后具有较高的焊接强度，其最大拉断力得到0.79KN以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种非晶基材的激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接方法包括在惰性气氛保护下将焊接件采用脉冲激光焊接于待焊基材上；其中，所述待焊基材为非晶合金，所述焊接件为不锈钢；焊接的条件包括：激光功率为1-3.5KW，光斑直径为0.2-0.8mm，出光频率为1-10Hz，惰性气氛的气压为0.3-0.6MPa，惰性气氛的气体流量为5-12mL/min；将焊接件焊接于所述待焊基材上的方式为搭接点焊。
2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，脉冲激光的辐射区域为焊接件表面。
3.根据权利要求1或2所述的激光焊接方法，其特征在于，搭接点焊的点数为3-8个。
4.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述脉冲激光的波形为方波或梯形波，单个脉冲的脉冲宽度为3-25ms。
5.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于， 所述惰性气氛所采用的气体为惰性气体或氮气中的任意一种。
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