CN104227220A - 一种基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊方法及装置 - Google Patents

Abstract

一种基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊方法及装置，涉及高速冲击焊接领域，其特征是高能短脉冲激光器发出脉冲激光，激光束经透镜聚焦形成一定直径大小光斑透过透明PC板辐照在黑漆层，产生高温高压的等离子体诱导产生冲击波驱动飞片发生局部弯曲变形并与工件高速碰撞，将工件表层的微纳米颗粒直接植入焊接界面，实现飞片和工件的点状冷焊。本发明在激光冲击点焊接过程中将微纳米颗粒相植入飞片和工件的焊接界面，可以有效避免热影响区和金属间化合物的产生，显著改善焊接界面材料的力学性能，提高焊件的连接强度。此外，本发明还可以精确控制焊点尺寸，且装置简单，适用于不同规格板料的大面积点焊。

Description

一种基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊方法及装置

技术领域

本发明属于高速冲击焊接领域。尤其是一种应用了纳米颗粒增强效应和激光诱导冲击波加载的焊接技术，具体地说是一种适用于飞片厚度在微米级尺度范围的大面积冲击点焊方法和装置。

背景技术

点焊是一种高速、经济的连接方法，适用于制造可采用搭接、接头不要求气密、厚度小于3mm的冲压、轧制的薄板构件。常用的点焊技术包括电阻点焊和激光点焊，其原理为通过电阻热和激光辐照，将中心区域接触的金属快速加热至高塑性或熔化状态，形成一个透镜状的液态熔池，并继续保持一定压力，待金属冷却后形成焊点。然而，电阻点焊和激光点焊的焊接件在焊点区域存在热影响区和金属间化合物，其严重影响了焊件连接的强度和使用寿命。

公告号为US 8084710(B2)的专利 Low-temperature laser spot impact welding without contact中提出了一种高速冲击焊接方法，其原理是激光照射到不透明的涂层变成高温高压的等离子体，产生冲击波驱动飞片材料高速撞击工件实现焊接。然而，这种焊接工艺需要一定的冲击角度，因此飞行距离极大，在高速冲击下空气阻力的作用极大的影响了焊接质量，且仅适用于单点焊接很难应用于工业生产。论文“Laser shock welding of aluminum/aluminum and aluminum /copper plates”研究也发现，当输入的激光能量过大时焊接界面区域仍会存在热影响区，此外，焊件的拉伸剪切强度相比于基材来说还很低，测试的失效位置通常发生在焊接区域，焊件的使用寿命受到了极大限制。

因此，发展一种不存在热影响区和金属间化合物，焊接区域材料力学性能优异连接强度较高，焊点表面质量优越，并且适用于飞片的厚度范围在微米尺度内的大面积高速冲击点焊技术具有重要意义和广泛的应用前景。 

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的不足，发明一种基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊方法，同时提供一种相配套的点焊装置。

本发明的技术方案之一是：

一种基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊方法，其基本步骤为：（1）用砂纸打磨飞片和工件待焊接表面去除氧化层，并用酒精将其洗净晾干。（2）用无机粘结剂将纳米颗粒均匀地轻涂在工件待焊接表面，所述纳米颗粒层厚度为0.1~0.5mm，自然干燥。（3）用厚度为3~5mm的PC板做约束层，并在其表面喷涂一层厚度为0.1mm左右的黑漆作为吸收层。用腈基丙烯酸酯粘合剂将飞片和涂有黑漆的约束层表面紧密粘结。（4）通过计算机控制三坐标移动平台移动至初始焊接工位。激光器发出脉冲激光，激光束经透镜聚焦形成一定直径光斑透过透明PC板辐照在黑漆层，产生高温高压等离子体诱导形成冲击波并在透明PC板的约束作用下驱动飞片发生局部弯曲变形，并以高速和工件碰撞形成点焊连接，微纳米颗粒层受飞片超高速，超高应变率冲击加载作用植入焊接界面，可以避免热影响区和金属间化合物的产生，有效地改善焊接界面区域材料的力学性能，如增大显微硬度，弹性模量等，并提高焊接件的拉伸剪切强度。（5）通过计算机控制三坐标移动平台移动至后续的焊接工位，重复步骤（4）的焊接工艺，可实现大面积冲击点焊。

优选地，所述焊点尺寸可以通过光斑直径，激光能量和飞片飞行距离等工艺参数实现精确控制。通过计算机控制三坐标移动平台的水平面内的XY方向移动可以对焊点的位置进行精确调节。

优选地，所述透明PC板材具有高透光性，韧性好，作为约束层材料，既能保持对等离子体的约束作用又能防止约束层板材破裂影响冲击效果。

优选地，所述基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊方法通过计算机控制三坐标移动工作台的水平竖直动作，可以满足不同尺寸规格的飞片和工件的装夹，以及飞片飞行距离的精确控制。

优选地，所述激光器为脉宽8~10纳秒的超短脉冲激光器，其激光能量为3~50焦耳; 光斑直径控制在3~10毫米。飞片和工件均为常用金属材料，如铝，铜，钛，不锈钢等，其中飞片厚度需控制在0.1~0.5毫米。微纳米颗粒种类为碳化硅（SiC）和碳化钛（TiC）等，其尺度为10~100纳米。

本发明的技术方案之二是：

一种基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊装置，其特征在于它由控制系统、激光发生系统，焊接系统三部分组成。具体包括计算机、激光控制器、脉冲ND:YAG激光器、聚焦透镜、压紧块、透明PC板、黑漆层、飞片、三坐标移动工作台、三坐标移动平台、纳米颗粒层、工件、三坐标移动工作台控制器、三坐标移动平台控制器；其中激光控制器、三坐标移动工作台控制器、三坐标移动平台控制器均与计算机采用电联接；黑漆层均匀地涂在透明PC板，飞片和黑漆层用腈基丙烯酸酯粘合剂粘紧安装在三坐标移动工作台，并用压块固定压紧。用无机粘结剂将纳米颗粒层轻涂在工件的待焊接表面，自然干燥。

本发明的创新之处在于利用激光诱导产生冲击波驱动飞片发生局部弯曲变形，并以高速与工件碰撞，在焊接界面注入纳米颗粒的同时完成了点状的冶金结合。由于焊接界面存在植入的纳米颗粒，因此可以避免焊接界面区域产生热影响区和金属间化合物，有效改善焊接界面区域材料的力学性能（例如提高硬度，弹性模量等），从而有效地提高焊件的连接强度和延长使用寿命。此外，焊点的位置尺寸和形状尺寸可以通过计算机控制激光能量、光斑直径、飞片的飞行距离和三坐标移动平台的水平移动实现精确控制。

本发明的有益效果是：

第一、本发明能够在焊接界面两侧植入纳米颗粒相，可以避免热影响区和金属间化合物的产生，改善焊接界面区域材料的力学性能，如增大显微硬度，弹性模量等，并提高焊件的连接强度和使用寿命。

第二、本发明能够实现厚度在微米级尺度的飞片的大面积点焊，焊点的形状尺寸和位置尺寸可以精确控制，并实现批量化生产，具有广大的工业应用前景。

本发明还可以精确控制焊点尺寸，且装置简单，适用于不同规格板料的大面积点焊。

附图说明

图1是本发明的大面积激光冲击点焊装置的结构示意图。

图2是本发明的大面积激光冲击点焊原理示意图。

图3是利用本发明的方法和装置得到的大面积激光冲击点焊焊接件示意图。

图中：

1-计算机，2-激光控制器，3-脉冲ND:YAG激光器，4-聚焦透镜，5-压块， 6-透明PC板，7-黑漆层， 8-飞片，9-三坐标移动工作台，10-三坐标移动平台，11-纳米颗粒层，12-工件，13-三坐标移动工作台控制器， 14-三坐标移动平台控制器，15-等离子体，16-焊点。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1所示。

一种基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊方法，它包括以下步骤：

（1）用砂纸打磨飞片和工件待焊接表面去除氧化层，并用酒精将其洗净晾干。

（2）用无机粘结剂将纳米颗粒均匀地轻涂在工件待焊接表面，所述纳米颗粒层厚度为0.1~0.5mm，自然干燥。

（3）用厚度为3~5mm的PC板做约束层，并在其表面喷涂一层厚度为0.1mm左右的黑漆作为吸收层。用腈基丙烯酸酯粘合剂将飞片和涂有黑漆的约束层表面紧密粘结。

（4）通过计算机控制三坐标移动平台移动至初始焊接工位。激光器发出脉冲激光，激光束经透镜聚焦形成一定直径光斑透过透明PC板辐照在黑漆层，产生高温高压等离子体冲击波并在透明PC板的约束作用下驱动飞片发生局部弯曲变形，并以高速和工件碰撞。微纳米颗粒层受飞片超高速，超高应变率冲击加载作用植入焊接界面，实现飞片和工件的点焊连接，可以避免热影响区和金属间化合物的产生，有效地改善焊接界面区域材料的力学性能，如增大显微硬度，弹性模量等，并提高焊接件的拉伸剪切强度。

（5）通过计算机控制三坐标移动平台移动至后续的焊接工位，重复步骤（4）的焊接工艺，可实现大面积冲击点焊。

上述方法中：激光器为脉宽8~10纳秒的超短脉冲激光器，其激光能量为3~50焦耳; 光斑直径控制在3~10毫米。飞片和工件均为常用金属材料，如铝，铜，钛，不锈钢等，其中飞片厚度需控制在0.1~0.5毫米。微纳米颗粒种类为碳化硅（SiC）和碳化钛（TiC）等，其尺度为10~100纳米。

下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

图1所示为本发明所述的一种基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊方法及装置的一个实施例。基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊装置可分为控制系统、激光发生系统和焊接系统三个系统。具体包括计算机1、激光控制器2、脉冲ND:YAG激光器3、聚焦透镜4、压紧块5、透明PC板6、黑漆层7、飞片8、三坐标移动工作台9、三坐标移动平台10、纳米颗粒层11、工件12、三坐标移动工作台控制器13、三坐标移动平台控制器14；其中激光控制器2、三坐标移动工作台控制器12、三坐标移动平台控制器13均与计算机1采用电气连接；高能短脉冲激光器3发出脉冲激光经聚焦透镜4聚焦形成一定直径光斑；黑漆层7均匀地涂在透明PC板6，飞片8和黑漆层7用腈基丙烯酸酯粘合剂粘紧安装在三坐标移动工作台9，并用压块5固定压紧；采用无机粘结剂将纳米颗粒层11轻涂在工件12的待焊接表面，自然干燥。通过计算机1控制三坐标移动工作台9的水平和竖直方向运动可以实现不同尺寸规格的工件11和飞片8的装夹，以及飞片飞行距离的精确控制。通过计算机1控制三坐标移动平台10水平方向XY移动可实精确控制焊点位置。

图2为第一个焊接工位的激光冲击点焊的原理图，图中激光束透过透明PC板6辐照在黑漆层7，形成高温高压等离子体14诱导产生冲击波，在透明PC板7的约束作用下冲击波驱动飞片8发生局部弯曲变形，并以高速和工件11碰撞，使表层材料达到原子间距，并在高压下实现材料的点状冶金结合。微纳米颗粒层受飞片超高速，超高应变率冲击加载作用植入焊接界面，可以避免热影响区和金属间化合物的产生，有效地改善焊接界面区域材料的力学性能，并提高焊接件的拉伸剪切强度。其中，作为约束层的透明PC板7具有高透光性和极强的韧性，在等离子体冲击波的作用下不易发生脆性破裂可以充分起到保压的作用。

图3为最终的焊件图，如图所示，三坐标移动平台10以一定的速度从第一个焊接点位移动到最终的焊接点位，依据上述激光冲击点焊原理可以实现较为平整，表面质量较高的点焊连接，其中焊点16的尺寸由光斑直径，激光能量和飞片的飞行距离等工艺参数可以实现精确控制，焊点的位置尺寸则由三坐标移动平台10水平方向XY移动进行调整确定。

具体实施例一：工件选择厚度为1毫米的2024铝合金，飞片选择100微米的T2紫铜。首先将飞片和工件的待焊接表面用2000#金相砂纸打磨，并用酒精将其洗净晾干。用无机粘结剂（如硅酸钠粘合剂）将粒度为50纳米的碳化硅颗粒均匀地涂到工件的焊接表面，纳米颗粒涂层厚度为0.05毫米。选择涂有黑漆厚度为3毫米的透明PC板做约束层，用腈基丙烯酸酯粘合剂将飞片和涂有黑漆的约束层表面紧密粘结。待工件，飞片和约束层组成的焊接系统安装好，并调整三坐标移动平台至预设的焊接工位，采用强脉冲Nd:YAG激光器发出脉冲激光，其激光能量为6焦耳，调整焊接装置和透镜之间的距离得到直径为3毫米光斑，飞片飞行距离为0.6毫米。黑漆层吸收脉冲激光产生等离子体诱导产生冲击波驱动T2紫铜板材发生局部弯曲变形，并以高速和工件2024铝合金发生碰撞，在高压下实现冶金结合。纳米颗粒层由于受到飞片的高速高应变率冲击作用植入焊接界面。之后，水平移动三坐标移动平台至预设焊接位置重复上述焊接工艺，完成大面积激光冲击点焊。

该方法处理后，得到了3毫米左右的焊点，焊点的表面质量较好，通过光学显微镜观察焊接截面，发现焊接界面区域材料中有受冲击植入的纳米颗粒，并且，焊接界面不存在热影响区和金属间化合物。通过显微硬度测试发现，焊接界面区域材料的硬度较基材有较大提高。

具体实施例二。

本具体实施例二与具体实施例一的区别在于纳米颗粒的粒度为10纳米，涂层厚度为0.1毫米，飞片厚度为250微米，激光光斑直径为7毫米，能量为3焦耳，焊接效果与本具体实施例一相近似。

具体实施例三。

本具体实施例三与具体实施例一的区别在于纳米颗粒为碳化钛，粒度为100纳米，涂层厚度为0.5毫米，飞片厚度为500微米，激光光斑直径为10毫米，能量为50耳，焊接效果与本具体实施例一相近似。

具体实施例四。

更换具体实施例一至三中使用的飞片及工件材料（均为金属材料）重复实验，所得结果更好或近似。

所述实施例为本发明的优选的实施方式，但发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (6)

1.一种基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊方法，其特征是它包括以下步骤：

（1）用砂纸打磨飞片和工件待焊接表面以去除氧化层，并用酒精将其洗净晾干； 

（2）用无机粘结剂将纳米颗粒均匀地涂履在工件待焊接表面，自然干燥，所述纳米颗粒涂层的厚度为0.1~0.5mm；

（3）用PC板做约束层，并在其表面喷涂一层厚度为0.1mm左右的黑漆作为吸收层；用粘合剂将飞片和涂有黑漆的约束层表面粘结在一起；

（4）通过计算机控制三坐标移动平台移动至初始焊接工位；激光器发出脉冲激光，激光束经透镜聚焦形成光斑透过透明PC板辐照在黑漆层，产生高温高压等离子诱导产生体冲击波并在透明PC板的约束作用下驱动飞片发生局部弯曲变形，并以高速撞击工件；微纳米颗粒层受飞片超高速，超高应变率冲击加载作用植入焊接界面，实现飞片和工件的点焊连接，避免了热影响区和金属间化合物的产生，有效地改善焊接界面区域材料的力学性能，增大显微硬度，弹性模量，并提高焊接件的拉伸剪切强度；

（5）通过计算机控制三坐标移动平台移动至后续的焊接工位，重复步骤（4），直到完成全部焊接点的冲击焊接，实现大面积冲击点焊。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于焊点的形状尺寸通过光斑直径，激光输入能量和飞片飞行距离实现精确控制，焊点的位置尺寸通过三坐标移动平台水平面内X,Y方向移动进行调节。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于透明PC板的厚度为3~5mm，它既能保持高透光性，又具有极高的冲击韧性，可以避免约束层在大激光能量作用下破裂影响冲击焊接效果。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述激光器为脉宽8~10纳秒的超短脉冲激光器，其激光能量为3~50焦耳，光斑直径控制在3~10毫米；飞片和工件均为金属材料，其中飞片厚度需控制在0.1~0.5毫米；所述纳米颗粒种类为碳化硅（SiC）和碳化钛（TiC），其尺度为10~100纳米。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于通过计算机控制三坐标移动工作台控制器，控制三坐标移动工作台的水平竖直动作，可以满足不同尺寸规格的飞片和工件的装夹，以及飞片飞行距离的精确控制，可以实现不同尺寸规格和焊接要求的大面积点状冷焊。

6.一种基于纳米颗粒增强的大面积激光冲击点焊装置，其特征在于它包括计算机（1）、激光控制器（2）、脉冲ND:YAG激光器（3）、聚焦透镜（4）、压紧块（5）、透明PC板（6）、黑漆层（7）、飞片（8）、三坐标移动工作台（9）、三坐标移动平台（10）、纳米颗粒层（11）、工件（12）、三坐标移动工作台控制器（13）和三坐标移动平台控制器（14）；其中激光控制器（2）、三坐标移动工作台控制器（13）、三坐标移动平台控制器（14）均与计算机（1）电气连接；黑漆层（7）均匀地涂在透明PC板（6），飞片（8）和黑漆层（7）采用粘合剂粘紧安装在三坐标移动工作台（9），并采用压块（5）固定压紧；纳米颗粒层（11）通过无机粘结剂涂履在工件（12）的待焊接表面，工件（12）固定安装在三坐标移动平台（10）；受控于激光控制器（2）的脉冲ND:YAG激光器（3）以及用于对脉冲ND:YAG激光器（3）发出的激光进行聚焦的聚焦透镜（4）均位于透明PC板（6）的上方。