CN103978309B - 实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法 - Google Patents

Abstract

一种实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法，其特征是：在激光施焊金属薄板的背面增设反射垫板，以利用反射垫板将激光全熔透穿透金属薄板瞬间的激光反射回焊接区，从而对焊接区进行二次加热进而实现单面焊接获得双面成形的沙漏形（X形）焊缝，其主要由清洁待焊接表面、固定反射垫板、激光焊接金属薄板等步骤组成。本发明实现了在低热输入条件下对金属薄板单面焊接双面成形的目的，它突破了现有薄板激光深熔焊只有在较高热输入下才能获得的沙漏形（X形）焊缝的禁锢，实现了兼顾焊缝力学性能和控制薄板的热变形及热影响区双重作用，为推动激光深熔焊技术在金属薄板焊接领域更广泛的应用奠定了基础。

Description

实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法

技术领域

本发明涉及一种激光焊接方法，尤其是一种金属薄板的激光焊接方法，具体地说是一种利用反射垫板将激光全熔透穿透金属薄板瞬间的激光反射回焊接区、从而对焊接区进行二次加热、进而实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法。

背景技术

激光焊接具有成形质量好、热影响区小、工件变形量小、后续加工量少、灵活性高等优点，非常适用于金属薄板的焊接成形。激光焊接根据焊接的热传导机理的不同大致可分为激光热导焊和激光深熔焊两种。当激光热输入超过一定阈值后，焊接模式由热导焊向具有“小孔效应”的深熔焊转变，从而实现金属薄板的全熔透焊接。在金属薄板激光深熔焊全熔透条件下，当激光热输入较低时，薄板焊接成形形貌呈钉头形（V形），即激光直接作用的薄板正面焊缝较宽而背面焊缝较窄；当激光热输入足够大时，则出现具有单面焊接双面成形的沙漏形（X形）焊缝，即薄板正面和背面的焊缝宽度大致相当。显然，沙漏形（X形）焊缝要较钉头形（V形）焊缝具有更好的力学性能。然而，在金属薄板激光深熔焊全熔透条件下，要获得沙漏形（X形）焊缝则需要较大的热输入。但是，对于金属薄板焊接，较大的热输入将会引起金属薄板热变形增大和热影响区变宽等不利影响，极大地影响到金属薄板焊接成形品质。

在金属薄板激光深熔焊焊接成形过程中，基于控制薄板焊接变形及减小热影响区等的考虑，当热输入量达到能实现金属薄板全穿透时即薄板焊接成形形貌呈钉头形（V形），即可认为此时激光焊接工艺参数较优，因其焊接热变形和热影响区小，故通常将此种状态定义为低热输入。事实上，当激光实现全穿透金属薄板的瞬间，激光束会进入金属薄板下部的气体（激光焊接过程中若有保护气体则为保护气体，若无则为空气）介质中。众所周知，激光属于高能束流且在焊接过程中作用在一点的时间极短。换言之，激光实现全穿透金属薄板瞬间内进入气体介质中的能量占激光器整体输出能量的比重较大，若此部分激光能量能够被有效利用，则可望在低热输入状态下获得具有更好力学性能的沙漏形（X形）焊缝，进而兼顾焊缝的力学性能和控制薄板的热变形及热影响区。

据申请人所知，到目前为止，尚未有一种在低热输入条件下实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法可供使用，即在低热输入下使薄板激光深熔焊全熔透成形形貌为几何对称度好的沙漏形（X形），在一定程度上限制了激光深熔焊技术在金属薄板焊接领域的应用。

发明内容

本发明的目的是针对“目前尚未有一种在低热输入条件下实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法可供使用，而基于控制金属薄板焊接变形及减小热影响区等的考虑，造成金属薄板低热输入激光深熔焊焊接成形形貌为成形不够理想的钉头形（V形），制约了激光深熔焊技术在金属薄板焊接领域应用”的问题，发明一种实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法。

本发明的技术方案是：

一种实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法，其特征是：在激光施焊金属薄板的背面增设反射垫板，以利用反射垫板将激光全熔透穿透金属薄板瞬间的激光反射回焊接区，从而对焊接区进行二次加热进而实现单面焊接获得双面成形的沙漏形（X形）焊缝，如图1所示。

其主要步骤为：

步骤1：清洁待焊接表面。该过程包括：首先，用碱性溶液除去金属薄板待焊接表面的油污，烘干后用砂纸打磨待焊接表面以去除表面氧化层；然后，用酸性溶液对打磨后的金属薄板进行酸洗；最后，再用无水乙醇对其进行超声波清洗，清洗后的金属薄板烘干待用。

步骤2：固定反射垫板。该过程包括：首先，选择对激光具有反射作用的金属板，将其切割成形状及尺寸能够包容整个焊接区的反射垫板；然后，在激光施焊金属薄板的背面固定反射垫板，固定后的反射垫板需能够包容整个焊接区，且固定后的反射垫板与金属薄板之间的间隙为0.05~0.25mm。

步骤3：激光焊接金属薄板。该过程包括：首先，将已固定好反射垫板的激光施焊金属薄板正面朝上固定在激光焊接平台上；然后，根据金属薄板材质和厚度选择合适的激光焊接工艺参数进行激光单面焊接即可。

所述碱性溶液为5%~10%NaOH+余量酒精（或丙酮）溶液，酸性溶液以每升计，由30-40ml氢氟酸、300ml硝酸和余量的去离子水混合而成。

所述反射垫板最好为铝合金板，且使用前需清洁表面油污等污染物。

所述激光焊接，可以是填材激光焊接或无填材激光焊接，其中填材激光焊接中填充材料时可以采用预置粉末法也可以采用同步送粉或同步送丝法。

所述预置粉末法可以采用粘结预置法也可以采用压片预置法。

所述压片预置法其特征是：预置粉末片的厚度为金属薄板厚度的1/2~3/2，其最佳厚度为金属薄板厚度的2/3；激光工艺参数为光纤激光器在零离焦量（即预置粉末片处于激光束焦点位置）状态下采用20~30mm/s的扫描速度，400~500W的激光功率。

本发明的有益效果是：

（1）本发明提供了一种在低热输入条件下实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法，突破了现有薄板激光深熔焊只有在较高热输入下才能获得的沙漏形（X形）焊缝，从而实现兼顾焊缝的力学性能和控制薄板的热变形及热影响区，为推动激光深熔焊技术在金属薄板焊接领域更广泛的应用奠定了基础。

（2）本发明方法在低热输入条件下，实现了薄板激光深熔焊焊接成形形貌由钉头形（V形）向具有单面焊接双面成形的沙漏形（X形）转变，同时其焊接热变形及热影响区较常规方法要小，使得低热输入条件下金属薄板激光深熔焊品质得到较大提高。

（3）本发明方法，不仅具有很好的金属薄板激光焊接成形品质，而且激光能量利用率得到了较大提高，以相同激光焊接工艺条件下所获得的焊缝横切面面积来评价激光能量利用率，本发明方法的激光能量利用率较常规方法提高了15%-35%。

（4）本发明方法对反射垫板金属材质和表面状态没有特别高的要求，是一种简单易行、通用、经济的实现金属薄板低热输入单面焊接双面成形的激光深熔焊的方法，具有很强的工程价值和应用前景。

附图说明

图1是本发明所述方法的基本原理（以压片预置式激光填材焊接为例）。

图2是本发明对比例一所述激光深熔焊金属薄板横截面形貌。

图3是本发明实施例二中实例一所述激光深熔焊金属薄板横截面形貌。

图4是本发明实施例二中实例二所述激光深熔焊金属薄板横截面形貌。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一。

一种实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法，它包括以下主要步骤：

步骤1：清洁待焊接表面。

清洁过程包括：

1.用碱性溶液（由体积百分比为5%~10%NaOH+余量酒精（或丙酮）溶液组成）除去金属薄板待焊接表面的油污，烘干后用砂纸打磨待焊接表面以去除表面氧化层；

2.用酸性溶液（以每升计由30-40ml氢氟酸、300ml硝酸和余量的去离子水混合而成）对打磨后的金属薄板进行酸洗；

3.用无水乙醇对其进行超声波清洗，清洗后的金属薄板烘干待用；

步骤2：固定反射垫板。

固定反射垫板时：首先，应选择对激光具有反射作用的金属板（如铝合金板，且使用前需清洁表面油污等污染物），将其切割成形状及尺寸能够包容整个焊接区的反射垫板；然后，在激光施焊金属薄板的背面固定反射垫板，固定后的反射垫板需能够包容整个焊接区，且固定后的反射垫板与金属薄板之间的间隙为0.05~0.25mm。

步骤3：激光焊接金属薄板。该过程包括：首先，将已固定好反射垫板的激光施焊金属薄板正面朝上固定在激光焊接平台上；然后，根据金属薄板材质和厚度选择合适的激光焊接工艺参数进行激光单面焊接以利用反射垫板将激光全熔透穿透金属薄板瞬间的激光反射回焊接区，从而对焊接区进行二次加热进而实现单面焊接获得双面成形的沙漏形（X形）焊缝，激光焊接可以是填材激光焊接也可以是无填材激光焊接，其中填材激光焊接中填充材料时可以采用预置粉末法也可以采用同步送粉或同步送丝法。采用预置粉末法时可以采用粘结预置法也可以采用压片预置法，压片预置法时预置粉末片的厚度一般为金属薄板厚度的1/2~3/2，其最佳厚度为金属薄板厚度的2/3；焊接的激光工艺参数为光纤激光器在零离焦量（即预置粉末片处于激光束焦点位置）状态下采用20~30mm/s的扫描速度，400~500W的激光功率。

实施例二。

如图2-4所示。

对比例一。

金属薄板材质为TC4钛合金，试样尺寸为80mm×26mm×0.6mm，试样中部存在有尺寸为0.2mm×23mm的直线型缝隙；粉末片的厚度为0.4mm，粉末片成分（质量百分比）为：Al7%、V5%和余量Ti；激光焊接设备为IPG公司生产的YLS-2000W光纤激光器，优化后的低热输入激光焊接工艺参数为：离焦量为0，扫描速度为25mm/s，激光功率为450W。按照前述实施例一中所述的步骤1清洁待焊接表面，并采用常规焊接方法即薄板试样待焊接区背面没有贴反射垫板进行激光深熔焊，所获得的激光深熔焊金属薄板横截面形貌如图2所示。从图2中可以看出，采用上述方法获得的金属薄板激光深熔焊焊缝的形貌为钉头形（V形），其焊缝区横切面面积为0.6604mm²。

实例一。

实例一中所用金属薄板试样、粉末片、激光设备及激光工艺参数均与对比例一所述相同，其与对比例一不同之处在于其采用了本发明所述技术方案，反射垫板为经处理后表面呈暗灰色的TC4合金薄板。按照前述实施例一中所述的步骤逐一实施焊接，获得的激光深熔焊金属薄板横截面形貌如图3所示。从图3中可以看出，采用本发明所述方法获得的金属薄板激光深熔焊焊缝的形貌为沙漏形（X形），其焊缝区横切面面积为0.7598mm²，以相同激光焊接工艺条件下所获得的焊缝横切面面积来评价激光能量利用率，实例一中的激光能量利用率较常规焊接方法（对比例一）提高了15.05%。

实例二。

实例二中所用金属薄板试样、粉末片、激光设备及激光工艺参数、激光焊接方法均与实例一所述相同，其与实例一不同之处在于其所用反射垫板为用酒精棉球清洁表面油污等污染物后的市购轧制6061铝合金板（表面呈亮白色）。按照前述实施例一中所述的步骤逐一实施焊接，获得的激光深熔焊金属薄板横截面形貌如图4所示。从图4中可以看出，采用本发明所述方法获得的金属薄板激光深熔焊焊缝的形貌为沙漏形（X形），其焊缝区横切面面积为0.8948mm²，以相同激光焊接工艺条件下所获得的焊缝横切面面积来评价激光能量利用率，实例二中的激光能量利用率较常规焊接方法（对比例一）提高了35.49%。

实例三。

根据实施例一的参数范围对实例一、二中的参数进行调整后采用激光焊接，实验证明均能得到理想的沙漏形（X形）焊缝。

本发明的原理是（以压片预置法为例）：

如图1所示，根据激光束与粉末片材料相互作用导致金属材料升温情况，可以将本发明所述实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊过程分为以下几个阶段：（1）粉末片吸收激光能量，粉末和基体（金属薄板）熔化，形成焊接熔池，但还没有形成小孔，见图1（a）；（2）随着粉末片吸收的能量越来越高，金属材料汽化，金属蒸汽的反冲力作用在熔池表面也越强烈，就会使熔融金属表面下陷形成小孔，见图1（b）；（3）已形成的小孔增加了激光束与金属材料相互作用面积，金属材料吸收能量率会明显提高，从而更大的反冲力使液态金属下凹形成深熔穿透小孔，形成穿透小孔瞬间激光束将会辐射在反射垫板上，反射垫板会将激光束进一步反射回去，见图1（c）；（4）反射垫板将激光束反射给基体（金属薄板），相当于在基体（金属薄板）焊接区背面增加了一个辅助热源，最后形成稳定的深熔小孔焊接，焊接区获得单面焊接双面成形的效果，见图1（d）。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (8)

1.一种实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法，其特征是：在激光施焊金属薄板的背面增设反射垫板，以利用反射垫板将激光全熔透穿透金属薄板瞬间的激光反射回焊接区，从而对焊接区进行二次加热进而实现单面焊接获得双面成形的沙漏形即X形焊缝；所述的方法主要由以下步骤组成：

步骤1：清洁待焊接表面；

步骤2：固定反射垫板；该过程包括：首先，选择对激光具有反射作用的金属板，将其切割成形状及尺寸能够包容整个焊接区的反射垫板；然后，在激光施焊金属薄板的背面固定反射垫板，固定后的反射垫板需能够包容整个焊接区，且固定后的反射垫板与金属薄板之间的间隙为0.05~0.25mm；

步骤3：激光焊接金属薄板；该过程包括：首先，将已固定好反射垫板的激光施焊金属薄板正面朝上固定在激光焊接平台上；然后，根据金属薄板材质和厚度选择合适的激光焊接工艺参数进行激光单面焊接即可。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的清洁待焊接表面时先用碱性溶液除去金属薄板待焊接表面的油污，烘干后用砂纸打磨待焊接表面以去除表面氧化层；然后，用酸性溶液对打磨后的金属薄板进行酸洗；最后，再用无水乙醇对其进行超声波清洗，清洗后的金属薄板烘干待用。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征是所述的碱性溶液为体积百分比5%~10%NaOH+余量酒精或丙酮溶液，所述酸性溶液以每升计由30-40ml氢氟酸、300ml硝酸和余量的去离子水混合而成。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征是所述的反射垫板为铝合金板，且使用前需对表面进行清洁以去除污染物。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征是激光焊接金属薄板时采用填材激光焊接或无填材激光焊接，其中填材激光焊接中填充材料时采用预置粉末法或采用同步送粉或同步送丝法。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征是所述的预置粉末法采用粘结预置法或采用压片预置法。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征是采用压片预置法时预置粉末片的厚度为金属薄板厚度的1/2~3/2；激光工艺参数为光纤激光器在零离焦量状态下采用20~30mm/s的扫描速度，400~500W的激光功率。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征是预置粉末片的厚度为金属薄板厚度的2/3。