铜基非晶合金的激光焊接方法
技术领域
本发明涉及非晶合金的焊接技术领域,特别是涉及铜基非晶合金的激光焊接方法。
背景技术
非晶合金因具有强度、硬度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性、软磁性和超导性等方面的优良特性,其在电子、机械、化工等领域都得到了广泛应用。铜基非晶合金是非晶合金中的一种,但由于铜基非晶合金存在极难加工、极难焊接的缺点,从而大大限制了其应用范围。因此,铜基非晶合金的焊接成为非晶合金应用拓展的一个技术难点。
现有技术中,铜基非晶合金之间的焊接非常难实现,因此,关于铜基非晶合金的焊接工艺还没得到相关应用。因此,亟需解决铜基非晶合金之间的焊接难题,才能扩大铜基非晶合金材料的应用范围。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足之处而提供铜基非晶合金的激光焊接方法。
为达到上述目的,本发明通过以下技术方案来实现。
提供铜基非晶合金的激光焊接方法,包括如下步骤:
提供待焊基材和焊接件,所述待焊基材和所述焊接件均由铜基非晶合金构成;在惰性气氛保护下采用脉冲激光或连续波激光使所述待焊基材和所述焊接件的焊接部位分别达到各自的熔点以上以形成熔融态进行接合;
焊接条件的选择原则:以TTT图为基准,根据所述待焊基材和所述焊接件的厚度来选择焊接条件,以使得所述待焊基材和所述焊接件在不发生晶化反应的状况下完成焊接。
所述待焊基材和所述焊接件由同一种铜基非晶合金构成或由不同的铜基非晶合金构成。
优选的,焊接方式为:在所述待焊基材铸造或加工出突起结构,并在所述焊接件加工出孔,所述孔套设于所述突起结构或设置于所述突起结构的上方,然后采用激光并在惰性气氛保护下使所述孔和所述突起结构均达到熔融态进行接合;所述孔的孔壁具有粗糙度。其中,本发明所述的突起结构可为柱状结构,例如为圆柱、方柱。当然,本发明所述的突起结构还可为其它不规则的结构,只要能够实现焊接即可。
优选的,焊接方式为:在所述待焊基材加工出相互连接的第一斜面和第一竖直面,并在所述焊接件加工出相互连接的第二斜面和第二竖直面,所述第一竖直面和所述第二竖直面相互触接并形成“Y”型,然后采用激光并在惰性气氛保护下使所述第一竖直面和所述第二竖直面的相互触接处均达到熔融态进行接合。
优选的,焊接方式为:在所述待焊基材和所述焊接件均加工出斜面,所述两个斜面互相对接并形成“//”型,然后采用激光并在惰性气氛保护下使所述两个斜面的相互对接处均达到熔融态进行接合。
优选的,焊接方式为:在所述待焊基材和所述焊接件均加工出竖直面,所述两个竖直面互相对接并形成“‖”型,然后采用激光并在惰性气氛保护下使所述两个竖直面的相互对接处均达到熔融态进行接合。
所述突起结构的横截面直径小于或等于所述孔的直径,所述孔套设于所述突起结构使得所述突起结构与所述孔之间形成间隙或所述突起结构与所述孔触接;所述间隙的宽度为0~0.1mm。
所述突起结构的横截面直径大于所述孔的直径,所述孔设置于所述突起结构的上方;所述孔的孔壁与所述突起结构的柱壁之间的横向间距为0.01mm~0.05mm。
焊接条件的选择原则为:所述焊接条件包括激光形式、激光功率、焊接速度和惰性气氛保护气体种类及压力。
所述待焊基材和所述焊接件的厚度均为0.1mm~20mm的情况下,所述激光形式为脉冲激光或连续波激光,所述激光功率为0.1KW~8KW,所述焊接速度为大于1mm/s,所述惰性气氛保护气体压力为0.1~5MPa。
所述惰性气氛为惰性气体或氮气。
其中,本发明所述的TTT图是指温度时间转变图,其加热曲线和冷却曲线不碰触到晶化区域8。本发明所述的TTT图如附图10所示。其中,在焊接过程中,只要不碰触到晶化区域8,即锆基非晶合金与商用金属合金不发生晶化反应的状况下完成焊接,即在不晶化区域9中选择焊接参数均可,多种焊接参数均能达到最佳的焊接强度。
本发明的有益效果:
(1)本发明提供的铜基非晶合金的激光焊接方法,能够实现铜基非晶合金之间的焊接,并使得铜基非晶合金之间焊接的强度高。
(2)本发明提供的铜基非晶合金的激光焊接方法,由于实现了铜基非晶合金之间的焊接,从而大幅扩大铜基非晶合金的应用范围。
(3)本发明提供的铜基非晶合金的激光焊接方法,具有广泛的激光焊接参数选择范围,对焊接条件的参数选择范围比较大,即焊接条件所受的限制比较小,在焊接过程中,只要不碰触到晶化区,即铜基非晶合金之间在不发生晶化反应的状况下完成焊接,多种焊接参数均能达到最佳的焊接强度。
(4)利用本发明提供的铜基非晶合金的激光焊接方法,所焊接的铜基非晶合金之间的强度高达7KN。
(5)本发明提供的铜基非晶合金的激光焊接方法,所焊接的铜基非晶合金,利用XRD(X射线衍射)分析和金相显微镜观察焊接部位,发现焊接部位仍然为非晶体组织,这种现象说明铜基非晶合金之间实现了焊接,并且焊接部位具有高强度。
(6)本发明提供的铜基非晶合金的激光焊接方法,可以用于制备结构复杂的产品。当利用铜基非晶合金制备结构复杂的产品,而这些复杂结构的产品难以通过压铸的方法进行成型时,可以利用本发明提供的铜基非晶合金的激光焊接方法将铜基非晶合金按照产品的结构进行接合,而且所焊接接合的产品能够满足产品性能的需求。
(7)本发明提供的铜基非晶合金的激光焊接方法,具有方法简单,能够适用于大规模生产的特点。
附图说明
图1是本发明的铜基非晶合金的激光焊接方法的实施例1至8的焊接件的结构示意图。
图2是本发明的铜基非晶合金的激光焊接方法的实施例1至8的待焊基材的结构示意图。
图3是本发明的铜基非晶合金的激光焊接方法的实施例1、3、5和7的铜基非晶合金之间的焊接方式的结构示意图。
图4是本发明的铜基非晶合金的激光焊接方法的实施例2、4、6和8的铜基非晶合金之间的焊接方式的结构示意图。
图5是本发明的铜基非晶合金的激光焊接方法的实施例9和10的铜基非晶合金之间的焊接方式的结构示意图。
图6是本发明的铜基非晶合金的激光焊接方法的实施例11的铜基非晶合金之间的焊接方式的结构示意图。
图7是本发明的铜基非晶合金的激光焊接方法的实施例12的铜基非晶合金之间的焊接方式的结构示意图。
图8是利用XRD分析铜基非晶合金之间的焊接部位的XRD图。
图9是利用金相显微镜对铜基非晶合金之间的焊接部位的截面放大100倍进行金相观察的结果图。
图10是本发明的铜基非晶合金的激光焊接方法的TTT图。
在图1至图10中包括有:
1——待焊基材、11——突起结构、101——柱壁、
2——焊接件、21——孔、201——孔壁、
3——间隙、
4——激光发射装置、
5——气体喷射装置、
6——待焊基材、61——第一斜面、62——第一竖直面、
7——焊接件、71——第二斜面、72——第二竖直面、
8——晶化区域、
9——不晶化区域、
12——待焊基材、102——第三斜面、
13——焊接件、103——第四斜面、
14——待焊基材、104——第三竖直面、
15——焊接件、105——第四竖直面。
具体实施方式
本发明提供的铜基非晶合金的激光焊接方法,包括如下步骤:提供待焊基材1和焊接件2,待焊基材1和焊接件2均由铜基非晶合金构成;在惰性气氛保护下采用脉冲激光或连续波激光使待焊基材1和焊接件2的焊接部位分别达到各自的熔点以上以形成熔融态进行接合,并以TTT图(见图8)为基准,使得待焊基材1和焊接件2在不发生晶化反应的状况下完成焊接。
其中,焊接条件的选择原则为:以TTT图为基准,根据待焊基材1和焊接件2的厚度来选择焊接条件,以使得待焊基材1和焊接件2在不发生晶化反应的状况下完成焊接;焊接条件包括激光形式、激光功率、焊接速度和惰性气氛保护气体种类及压力。
其中,激光通过激光发射装置4发出,惰性气氛通过气体喷射装置5喷出。
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。
特别说明,本发明中待焊基材和焊接件的焊接方式并不局限于本发明实施例的焊接方式,根据本发明的发明思路,也包括其它焊接方式。另外,本发明所使用的“第一、第二、第三和第四”是为了更好地列举实施例而作为标记所用,并不能使本发明为此而受到局限。
实施例1。
本实施例的待焊基材1和焊接件2由铜基非晶合金Cu-Ti-Zr-Ni构成。其中,待焊基材1的厚度为1mm,焊接件2的厚度为1mm。
见图1和图2,在待焊基材1上加工出突起结构11,并在焊接件2上加工出孔21。本实施例中,见图3,待焊基材1的突起结构11的横截面直径小于焊接件2的孔21的直径,孔21套设于突起结构11并使得突起结构11与孔21之间形成间隙3,然后采用激光并在惰性气体保护下使孔21和突起结构11均达到熔融态后进行接合。本实施例中,间隙3的宽度为0.1mm。
其中,孔21的孔壁具有粗糙度,从而在焊接的过程中,能够增大孔壁与突起结构11的接触面积,从而使得孔壁与突起结构11之间的受热更快且更均匀。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氦气,激光形式为脉冲激光,激光功率为1.5KW,焊接速度为10mm/s,惰性气氛保护气体压力为0.2MPa。
实施例2。
本实施例的待焊基材1和焊接件2由铜基非晶合金Cu-Ti-Zr-Ni-Sn构成。其中,待焊基材1的厚度为1.5mm,焊接件2的厚度为2mm。
见图1和图2,在待焊基材1上加工出突起结构11,并在焊接件2上加工出孔21。本实施例中,见图4,突起结构11的横截面直径大于孔21的直径,孔21设置于突起结构11的上方,并且,本实施例中,孔21的孔壁201与突起结构11的柱壁101之间的横向距离为0.05mm。在焊接的过程中,为了使待焊基材1与焊接件2之间的焊接部位充分焊合,需要从待焊基材1的底部施加适当的向上压力,该向上压力是为了将待焊基材1的熔融态像挤牙膏似的压入孔21中,从而使整个焊接部位充分焊合。
其中,孔21的孔壁具有粗糙度,从而在焊接的过程中,能够增大孔壁与突起结构11的接触面积,从而使得孔壁与突起结构11之间的受热更快且更均匀。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氖气,激光形式为连续波激光,激光功率为1.8KW,焊接速度为7mm/s,惰性气氛保护气体压力为0.18MPa。
实施例3。
本实施例的待焊基材1由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni构成,焊接件2由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni-Sn构成。其中,待焊基材1的厚度为1.5mm,焊接件2的厚度为2mm。
见图1和图2,在待焊基材1上加工出突起结构11,并在焊接件2上加工出孔21。本实施例中,见图3,待焊基材1的突起结构11的横截面直径小于焊接件2的孔21的直径,孔21套设于突起结构11并使得突起结构11与孔21之间形成间隙3,然后采用激光并在惰性气体保护下使孔21和突起结构11均达到熔融态后进行接合。本实施例中,间隙3的宽度为0.05mm。
其中,孔21的孔壁具有粗糙度,从而在焊接的过程中,能够增大孔壁与突起结构11的接触面积,从而使得孔壁与突起结构11之间的受热更快且更均匀。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氩气,激光形式为连续波激光,激光功率为1.8KW,焊接速度为7mm/s,惰性气氛保护气体压力为0.18MPa。
实施例4。
本实施例的待焊基材1由铜基非晶合金Cu-Ti-Zr-Ni-Sn为构成,焊接件2由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni构成。其中,待焊基材1的厚度为2mm,焊接件2的厚度为2mm。
见图1和图2,在待焊基材1上加工出突起结构11,并在焊接件2上加工出孔21。本实施例中,见图4,突起结构11的横截面直径大于孔21的直径,孔21设置于突起结构11的上方,并且,本实施例中,孔21的孔壁201与突起结构11的柱壁101之间的横向距离为0.02mm。在焊接的过程中,为了使待焊基材1与焊接件2之间的焊接部位充分焊合,需要从待焊基材1的底部施加适当的向上压力,该向上压力是为了将待焊基材1的熔融态像挤牙膏似的压入孔21中,从而使整个焊接部位充分焊合。
其中,孔21的孔壁具有粗糙度,从而在焊接的过程中,能够增大孔壁与突起结构11的接触面积,从而使得孔壁与突起结构11之间的受热更快且更均匀。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氪气,激光形式为连续波激光,激光功率为2KW,焊接速度为5.5mm/s,惰性气氛保护气体压力为0.18MPa。
实施例5。
本实施例的待焊基材1由铜基非晶合金Cu-Ti-Zr-Ni-Sn为构成,焊接件2由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni构成。本实施例中,待焊基材1的厚度为3mm,焊接件2的厚度为0.1mm。
见图1和图2,在待焊基材1上加工出突起结构11,并在焊接件2上加工出孔21。本实施例中,见图3,待焊基材1的突起结构11的横截面直径小于焊接件2的孔21的直径,孔21套设于突起结构11并使得突起结构11与孔21之间形成间隙3,然后采用激光并在惰性气体保护下使孔21和突起结构11均达到熔融态后进行接合。本实施例中,间隙3的宽度为0.03mm。
其中,孔21的孔壁具有粗糙度,从而在焊接的过程中,能够增大孔壁与突起结构11的接触面积,从而使得孔壁与突起结构11之间的受热更快且更均匀。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氙气,激光形式为脉冲激光,激光功率为0.1KW,焊接速度为11mm/s,惰性气氛保护气体压力为0.1MPa。
实施例6。
本实施例的待焊基材1和焊接件2由铜基非晶合金Cu-Ti-Zr-Ni-Sn构成。其中,待焊基材1的厚度为20mm,焊接件2的厚度为10mm。
见图1和图2,在待焊基材1上加工出突起结构11,并在焊接件2上加工出孔21。本实施例中,见图4,突起结构11的横截面直径大于孔21的直径,孔21设置于突起结构11的上方,并且,本实施例中,孔21的孔壁201与突起结构11的柱壁101之间的横向距离为0.03mm。在焊接的过程中,为了使待焊基材1与焊接件2之间的焊接部位充分焊合,需要从待焊基材1的底部施加适当的向上压力,该向上压力是为了将待焊基材1的熔融态像挤牙膏似的压入孔21中,从而使整个焊接部位充分焊合。
其中,孔21的孔壁具有粗糙度,从而在焊接的过程中,能够增大孔壁与突起结构11的接触面积,从而使得孔壁与突起结构11之间的受热更快且更均匀。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氡气,激光形式为连续波激光,激光功率为8KW,焊接速度为8mm/s,惰性气氛保护气体压力为1MPa。
实施例7。
本实施例的待焊基材1和焊接件2由铜基非晶合金Cu-Ti-Zr-Ni构成。其中,待焊基材1的厚度为15mm,焊接件2的厚度为7mm。
见图1和图2,在待焊基材1上加工出突起结构11,并在焊接件2上加工出孔21。本实施例中,见图3,待焊基材1的突起结构11的横截面直径等于焊接件2的孔21的直径,孔21套设于突起结构11并使得突起结构11与孔21之间触接,即不形成间隙3,然后采用激光并在惰性气体保护下使孔21和突起结构11均达到熔融态后进行接合。本实施例中,间隙3的宽度为0mm。
其中,孔21的孔壁具有粗糙度,从而在焊接的过程中,能够增大孔壁与突起结构11的接触面积,从而使得孔壁与突起结构11之间的受热更快且更均匀。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氮气,激光形式为脉冲激光,激光功率为5KW,焊接速度为9mm/s,惰性气氛保护气体压力为3MPa。
实施例8。
本实施例的待焊基材1由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni构成,焊接件2由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni-Sn构成。其中,待焊基材1的厚度为5mm,焊接件2的厚度为3mm。
见图1和图2,在待焊基材1上加工出突起结构11,并在焊接件2上加工出孔21。本实施例中,见图4,突起结构11的横截面直径大于孔21的直径,孔21设置于突起结构11的上方,并且,本实施例中,孔21的孔壁201与突起结构11的柱壁101之间的横向距离为0.01mm。在焊接的过程中,为了使待焊基材1与焊接件2之间的焊接部位充分焊合,需要从待焊基材1的底部施加适当的向上压力,该向上压力是为了将待焊基材1的熔融态像挤牙膏似的压入孔21中,从而使整个焊接部位充分焊合。
其中,孔21的孔壁具有粗糙度,从而在焊接的过程中,能够增大孔壁与突起结构11的接触面积,从而使得孔壁与突起结构11之间的受热更快且更均匀。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氦气,激光形式为连续波激光,激光功率为7KW,焊接速度为6mm/s,惰性气氛保护气体压力为4MPa。
实施例9。
见图5,本实施例的待焊基材6和焊接件7由铜基非晶合金Cu-Ti-Zr-Ni构成。其中,待焊基材6的厚度为1mm,焊接件7的厚度为1mm。
焊接方式:在待焊基材6加工出相互连接的第一斜面61和第一竖直面62,并在焊接件7加工出相互连接的第二斜面71和第二竖直面72,第一竖直面62和第二竖直面72相互触接并形成“Y”型,然后采用激光并在惰性气体保护下使第一竖直面62和第二竖直面72的相互触接处均达到熔融态进行接合。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氖气,激光形式为脉冲激光,激光功率为1.5KW,焊接速度为10mm/s,惰性气氛保护气体压力为0.2MPa。
实施例10。
见图5,本实施例的待焊基材6由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni构成,焊接件7由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni-Sn构成。其中,待焊基材6的厚度为9mm,焊接件7的厚度为4mm。
焊接方式,在待焊基材6加工出相互连接的第一斜面61和第一竖直面62,并在焊接件7加工出相互连接的第二斜面71和第二竖直面72,第一竖直面62和第二竖直面72相互触接并形成“Y”型,然后采用激光并在惰性气体保护下使第一竖直面62和第二竖直面72的相互触接处均达到熔融态进行接合。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氙气,激光形式为连续波激光,激光功率为4KW,焊接速度为12mm/s,惰性气氛保护气体压力为5MPa。
实施例11。
见图6,本实施例的待焊基材12由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni构成,焊接件13由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni-Sn构成。其中,待焊基材12的厚度为7mm,焊接件13的厚度为6mm。
焊接方式为:在待焊基材12加工出第三斜面102,并在焊接件13加工出第四斜面103,第三斜面102和第四斜面103互相对接并形成“//”型,然后采用激光并在惰性气氛保护下使第三斜面102和第四斜面103的相互对接处均达到熔融态进行接合。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氖气,激光形式为脉冲激光,激光功率为3.5KW,焊接速度为11mm/s,惰性气氛保护气体压力为3MPa。
实施例12。
见图7,本实施例的待焊基材14由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni-Sn构成,焊接件15由铜基非晶合金为Cu-Ti-Zr-Ni构成。其中,待焊基材14的厚度为4mm,焊接件15的厚度为5mm。
焊接方式为:在待焊基材14加工出第三竖直面104,并在焊接件15加工出第四竖直面105,第三竖直面104和第四竖直面105互相对接并形成“‖”型,然后采用激光并在惰性气氛保护下使第三竖直面104和第四竖直面105的相互对接处均达到熔融态进行接合。
本实施例的焊接条件包括:惰性气氛为氮气,激光形式为脉冲激光,激光功率为4.5KW,焊接速度为13mm/s,惰性气氛保护气体压力为4MPa。
性能测试
1、X射线衍射分析
对实施例1中铜基非晶合金之间的焊接部位进行X射线衍射分析,见图8,该图显示焊接部分具有非晶组织,说明铜基非晶合金在焊接前后焊接部位没有发生晶化反应。
2、金相显微镜观察焊接部位
见图9,利用金相显微镜对实施例2中的铜基非晶合金之间的焊接部位的截面放大100倍进行金相观察,该图显示焊接部分具有非晶组织,说明铜基非晶合金在焊接前后焊接部位没有发生晶化反应。
3、焊接强度测试
对上述实施例1至12中已焊接好的结构件进行拉拔力测试,记录最大拉断力。结果如表1所示。
将上述实施例1至12中已焊接好的结构件分别标记为样品1#、2#、3#、4#、5#、6#、7#、8#、9#、10#、11#和12#。
表1实施例1至10中已焊接好的结构件的强度测试
样品 |
1# |
2# |
3# |
4# |
5# |
6# |
7# |
8# |
9# |
10# |
11# |
12# |
最大拉断力/KN |
5.1 |
6.2 |
4.3 |
7 |
6.6 |
4.9 |
5.5 |
5.8 |
3.4 |
4.1 |
5.7 |
5.4 |
由表1可知,采用本发明提供的铜基非晶合金的激光焊接方法,能够使得铜基非晶合金之间焊接后的结构件具有很高的强度,其最大拉断力达到7KN。
最后应当说明的是,以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制,尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,而不脱离本发明技术方案的实质和范围。