CN105364314B - 一种对于FeSiB非晶带材获得非晶接头的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及非晶材料、焊接技术领域，具体涉及一种对于FeSiB非晶带材获得非晶接头的焊接方法，属于非晶材料连接技术。该方法针对Fe基非晶合金带材尺寸受限，以及材料脆、极薄，可焊性差等问题，采用微脉冲激光技术成功获得了完全非晶态接头。其步骤为：将FeSiB非晶合金带材试样表面打磨，清洗，吹干；在自行设计的专用夹具上采用一端夹紧，另一端压平的方式将母材固定，侧吹Ar气保护焊接熔池；采用微脉冲激光技术进行搭接焊接，对脉冲功率P、脉冲宽度T、脉冲频率F等工艺参数进行优化，获得完全非晶态的焊接接头。本发明具有以下优点：焊接工装简单、焊接效率高、成本低，接头质量好，且接头为完全非晶态特征。

Description

一种对于FeSiB非晶带材获得非晶接头的焊接方法
技术领域
本发明属于非晶材料连接技术，涉及非晶材料、焊接技术领域，具体涉及一种对于FeSiB非晶带材获得非晶接头的方法，。
背景技术
非晶合金材料是近年来发展起来的一种新型材料，与晶体材料相比，非晶材料具有其无法比拟的优异性能，如高强度、高弹性极限、高硬度、良好的抗腐蚀性能和软磁性能。在众多非晶合金系中，铁基非晶合金强度高、耐蚀耐磨性能及软磁性能优异，成本低廉，具有广泛的工业应用。FeSiB非晶合金具有优异的软磁性能，目前已应用于电子电气、电力、汽车、航空航天等行业，实现了产业化和商业化。但是由于非晶材料的固有特性，FeSiB非晶合金也比较脆、韧性小、不易加工和切割、可焊性差等，制约了其更广泛的应用。
目前国内外一些研究者对铁基非晶合金的焊接进行了试探性研究，比如大连理工大学闫鸿浩教授(Conbustion, Explosion, and Shock Waves, 2008, 44: 491-496)利用爆炸焊技术将20-120层Fe78B13Si9和Fe40Ni40P14B6以交替叠层方式制备成块体非晶合金，北京大学刘凯欣教授(Applied Surface Science, 2009, 255: 9343-9347)将铁基非晶带材Fe40Ni40P14B6焊接在铝合金表层，南昌大学付艳恕(稀有金属材料与工程, 2011, 40: 164- 168)等以镍为中间层对Fe基非晶合金进行爆炸焊，以及深圳大学的凌世全采用微电阻电焊焊接了Fe78B13Si9 (焊接学报，2013, 34:45-49)，结果表明在极窄工艺参数范围内，非晶基体并未晶化。然而，上述研究报道，主要倾向采用焊接方法制备非晶合金材料，而且焊接接头形式单一、工艺复杂、成本较高。脉冲微激光焊作为一种精密的连接方法，具有功率密度高、焊缝窄、冷却速度快和变形小等优点，特别适合超薄材料的焊接；国内外目前尚未见铁基非晶激光焊接的相关技术报道，以及相关专利申请。
发明内容
为了解决FeSiB非晶带材焊接难、应用受限的问题，本发明提出了一种对于FeSiB非晶带材获得非晶接头的方法，该方法通过专用焊接工装设计、工艺参数优化，获得完全非晶态、形成及质量优异的焊接接头。
为了实现上述目标，本发明的技术方案是采用微脉冲激光焊技术，通过专用焊接工装设计、工艺参数优化，实现FeSiB非晶带材接头的完全非晶态焊接，一种对于FeSiB非晶带材获得非晶接头的方法，其特征在于方法步骤如下：
（1）焊前准备阶段；根据焊接工装夹具的特点，选用铁基非晶合金焊件，将焊接试样的表面用砂纸打磨，去除表面氧化层和污渍，然后采用无水乙醇清洗、吹干，防止生锈；激光焊接前先对焊机预热10～20分钟，激光束偏转α倾斜入射到试样表面，采用侧吹纯度为99.9%氩气保护气的方式抑制等离子体，保护焊接熔池，侧吹角度应小于λ；
（2）装配夹持阶段；根据试验材料薄、焊后易变形、需快冷等因素，设计紫铜焊接夹具，采用一端夹紧，另一端压平的方式，即在铁基非晶带材的焊接位置两端加入压片，同时必须保持压平；夹紧片、压平片和底部材料为均为紫铜板，如图2；
（3）激光焊接阶段；采用功率为80W的脉冲激光进行搭接焊接，采用单一变量方法对脉冲功率百分比P、脉冲宽度T、脉冲频率F、脉冲能量E等工艺参数进行优化，获得非晶态焊接接头。
本发明所述步骤(1)中选用铁基非晶合金焊件的规格为Lmm×Wmm×Hμm（L:长度、W:宽度、H:厚度），非晶材料长度L根据所需自由确定，宽度W为20~60mm，厚度H为25~30μm。
所述步骤(2)中自行设计的夹具包括夹紧部位、压平部位、装置底座和铜质垫片；装置底座上设置铜质垫片，铜质垫片安装有夹紧部位和压平部位，Fe-Si-B非晶带材至于二部位之间；所述压平方式为滚压或平压；所述自行设计的夹具材料均为紫铜。
本发明所述步骤(1)中倾斜角α为4~6 o，侧吹氩气纯度为99.9%，侧吹角度λ为30 o~45o。
本发明所述步骤(3)中脉冲功率百分比P为6%~12%、脉冲宽度T为1.3~2.1ms、脉冲频率F为1~3Hz，脉冲能量E为0.9J~1.3J。
本发明所述步骤(3)中激光为脉冲式，接头形式为搭接，如图1。
本发明所述接头特征为完全非晶态。
本发明具有以下优点：（1）本发明解决了铁基非晶合金焊接过程易开裂、变形，特别是易晶化的问题，能获取完全非晶态的焊接接头；（2）本发明焊接工装简单、工艺参数范围宽、适应性强、焊接成本低。
附图说明
图1为本发明Fe-Si-B非晶带材激光焊的搭接示意图。
图2为本发明夹持装置示意图。
图3为本发明Fe-Si-B非晶带材激光焊焊缝宏观形貌图。
图4为本发明Fe-Si-B非晶带材激光焊接头横截面形貌图。
图5为本发明Fe-Si-B非晶带材微激光焊接接头的微区-X射线衍射图。
图6为本发明Fe-Si-B非晶带材微激光焊接接头显微硬度分布曲线图。
图1中：A—Fe-Si-B非晶带材母材，B—Fe-Si-B非晶带材搭接区，W—母材宽度。
图2中：1—Fe-Si-B非晶带材 2—夹紧部位 3—压平部位 4—装置底座，5—铜质垫片。
图3中：（a）焊缝宏观形貌，（b）局部焊缝放大的形貌。
图4中：（a）P:9%、T：1.7 （b）P：9%、T：1.5 （c）P：6%、T:1.7。
图5中：（a）不同脉宽下微激光焊接接头的微区-X射线衍射图。
（b）不同功率下微激光焊接接头的微区-X射线衍射图。
图6中：（a）不同脉宽下焊接接头截面的显微硬度分布。
（b）不同功率下焊接接头截面的显微硬度分布。
具体实施方式
对本发明所提出的实施方式做进一步的详细说明：
实施例：本发明的焊接工艺过程如下：
焊接设备：意大利SISMA公司的L80型Nd:YAG脉冲激光焊机，光斑直径为Φ0.3mm，表面聚焦，焊接速度为0.3m/min，氩气流量为8L/min，改变脉冲功率P、脉宽T、脉冲频率F。
一、焊前准备阶段
根据焊接工装夹具的特点，采用铁基非晶合金试样的规格为40mm×15mm×25μm。将焊接试样的表面用砂纸打磨，去除表面氧化层和污渍，然后采用无水乙醇清洗并吹干，防止生锈。激光焊接前先对焊机预热20分钟，激光束偏转5o倾斜入射到试样表面，采用侧吹纯度为99.9%的氩气保护气的方式抑制等离子体，保护焊接熔池，侧吹角度为30 o ~45 o；
二、装配夹持阶段
装配方式如图1所示，根据试验材料为25μm厚的带材、焊后变形、冷却条件等因素考虑设计夹持方式；夹持方式如图2所示，采用一端夹紧，另一端压平的方式，既在铁基非晶带材的焊接位置两端加入压片，同时必须保持压平，夹紧片、压平片和底部材料为均为铜板，这种夹持方式的优点是在焊接过程中可以有效控制带材焊后变形、便于材料散热和加入冷却介质。
三、激光焊接阶段
采用功率为80W的脉冲激光进行焊接，脉冲功率百分比P为6%~12%、脉冲宽度T为1.3~2.1ms、脉冲频率F为1~3Hz，脉冲能量E为0.9J~1.3J，获得最佳工艺参数范围。
四、测试方法阶段
采用 MR5000 倒置显微镜观察焊缝成形及接头截面金相组织，不同参数所得焊缝形貌如图3所示，接头横截面形貌如图4所示；采用Bede-D1微区- X 射线衍射仪(XRD)对焊接接头进行物相分析，采用Cu靶，加速电压为40KV，电流为40mA，衍射范围为20º~80°，衍射速度为4º/min，步长0.02º，焊接接头微区- X 射线衍射图如图5所示；采用HVS-50型硬度仪对焊接接头各区域的显微硬度进行测试，点距为0.05mm，加载载荷为100gf，加载时间为10s，不同参数所得接头显微硬度分布曲线如图6所示，采用INSTRON5540 型电子精密拉伸实验机对接头抗拉强度进行测试，试验温度为常温，拉伸速率为0.4mm/min。
五、结果分析阶段
试验结果表明：在本专利要求的工艺参数范围内，能获得成形良好、完全非晶态的焊接接头，如图2所示。但脉宽过低，焊缝熔透量较少，焊缝成形较差；功率过小，熔宽较窄；随着脉宽增大，焊缝宽度变宽，随着功率升高，焊缝出现裂纹的几率增多；脉宽过宽，焊接过程不稳定，焊缝表面易出现烧穿缺陷；功率过高，焊缝表面成形差，易出现裂纹缺陷。当脉冲能量一定时，采用低功率高脉宽的焊接过程则较为稳定，焊缝成形更容易控制，焊接效果较好。不同参数下焊接接头横截面形貌如图4所示，脉宽越小，熔宽就越窄，功率越低，熔宽也越窄，并且更加明显，焊接接头横截面形貌良好，无裂纹、气孔等缺陷。FeSiB非晶带材及不同参数下焊接接头的X射线衍射如图5所示，焊接接头衍射图谱与母材均为“馒头状”的漫衍射峰，表明微激光焊接后接头保持了非晶态特征。焊接接头横截面的平均硬度分布如图6所示，焊缝区的硬度高于母材，低于热影响区；随着功率的增加，接头的硬度先增大后减小，接头焊缝区的平均硬度约为1000HV。
在此说明书中，本发明已参照特定的实施例作了阐述。但是，激光焊接工艺参数可以根据母材厚度作出各种修改和变换，并不背离本发明体现的应用范围。因此，本说明书是说明性的而非限制性的。

Claims (7)

1.一种对于FeSiB非晶带材获得非晶态接头的焊接方法，其特征在于所述方法包括以下步骤：
（1）焊前准备阶段；根据焊接工装夹具的特点，选用铁基非晶合金焊件，将焊接试样的表面用砂纸打磨，去除表面氧化层和污渍，然后采用无水乙醇清洗、吹干，激光焊接前先对焊机预热10～20分钟，激光束偏转α倾斜入射到试样表面，采用侧吹氩气保护气的方式抑制等离子体，保护焊接熔池，侧吹角度应小于λ；
（2）装配夹持阶段；根据试验材料薄、焊后易变形、需快冷及其它因素，设计紫铜焊接夹具；采用一端夹紧，另一端压平的方式，即在铁基非晶带材的焊接位置两端加入压片，同时必须保持压平；
（3）激光焊接阶段；采用功率为80W的脉冲激光进行焊接，采用单一变量方法对脉冲功率百分比P、脉冲宽度T、脉冲频率F、脉冲能量E工艺参数进行优化，获得非晶态焊接接头。
2.根据权利要求1所述的一种对于FeSiB非晶带材获得非晶态接头的方法，其特征在于：所述步骤(1)中选用铁基非晶合金焊件的规格为Lmm×Wmm×Hμm，非晶材料长度L根据所需自由确定，宽度W为20~60mm，厚度H为25~30μm。
3.根据权利要求1所述的一种对于FeSiB非晶带材获得非晶态接头的方法，其特征在于：所述步骤(1)中倾斜角α为4~6 o，侧吹氩气纯度为99.9%，侧吹角度λ为30 o ~45 o。
4.根据权利要求1所述的一种对于FeSiB非晶带材获得非晶态接头的方法，其特征在于：所述步骤(2)中自行设计的夹具包括夹紧部位、压平部位、装置底座和铜质垫片；装置底座上设置铜质垫片，铜质垫片安装有夹紧部位和压平部位，Fe-Si-B非晶带材至于二部位之间；所述压平方式为滚压或平压；所述自行设计的夹具均为紫铜。
5.根据权利要求1所述的一种对于FeSiB非晶带材获得非晶态接头的方法，其特征在于：所述步骤(3)中脉冲功率百分比P为6%~12%、脉冲宽度T为1.3~2.1ms、脉冲频率F为1~3Hz，脉冲能量E为0.9~1.3J。
6.根据权利要求1所述的一种对于FeSiB非晶带材获得非晶态接头的方法，其特征在于：所述步骤(3)中激光为脉冲式，接头形式为搭接。
7.根据权利要求1所述的一种对于FeSiB非晶带材获得非晶态接头的方法，其特征在于：所得焊接接头为完全非晶态。
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