CN105414804B - 激光焊接增强涂层和波形在铜、铝焊接中的应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光焊接中使用的增强涂层和焊接波形，主要应用在铜和铝的焊接中，能够有效的解决铜、铝这类热传导系数高且反射率高的金属的激光焊接问题，增强被焊金属对激光的吸收率，并采用0.5mm后的金属铜板和铝板进行实验，在其表面涂覆增强涂层，且将波形调整为有预热区的梯形波对其焊接，实用效果良好。

Description

激光焊接增强涂层和波形在铜、铝焊接中的应用

技术领域

本发明涉及一种铜和铝的激光焊接增强涂层和脉冲输出波形，具体地采用梯形脉冲波形能够有效解决铜和铝焊接过程中反射率高、热传导快对激光输出能量利用率低，而导致激光焊接机无法焊接的问题，本发明属于机械加工领域。

背景技术

激光焊接技术无机械接触，焊接速度快，热量输入小，因此热影响区面积小，焊接结束工件变形程度小，适用于精密设备以及薄板金属焊接。对于铜和铝的激光焊接技术，由于铜和铝的热导率相对普通碳钢大6-12倍，且铜和铝的反射率较高，因此在吸收相同热量的条件下，会损失掉大量的热而无法将热量全部集中于焊缝处，导致铜和铝很难熔化。对于这个问题，目前主要的解决方案是对要焊接的铜材进行预热，但是这在焊接之前多加一道工艺，操作复杂且提高生产成本。

本专利为解决这个问题主要从以下两个方面出发，首先，研发了一种焊接涂层，焊缝处具有该涂层能够降低焊缝的热导率，减弱铜和铝对激光的反射作用，提高涂层下面金属对激光的吸收能力，从而降低热量损失，使焊缝处的金属铜迅速熔化，达到焊接目的。另一方面通过改善焊接波形进行调整，最终设定梯形脉冲波形进行焊接，前期能量由小逐步变大，这样会增加一个预热区，减小能量在工件中由于热传导损失的能量，焊接效果较好。

发明内容

铜和铝焊接过程中由于自身热导率高造成的激光束热量散失大，无法集中于焊缝处从而被焊金属不易熔化，导致焊接效果不佳。为解决这个问题，本专利发明一种涂层，作用于被焊金属表面，改善焊接效果。

配制焊接涂层材料，主要采用炭黑为主染料、硼砂、橡胶类成膜剂、水为溶剂、羧甲基纤维素作为分散剂。以一定比例混合，搅拌成浆料。将要焊接的铜和铝工件先用小铁刷轻轻打磨，去掉表面氧化层，再放入丙酮溶液中采用超声波清洗机进行清洗，五分钟后取出，吹干。将配置好的涂料涂覆在清洗好的工件表面，晾干，准备焊接。

采用激光峰值功率，激光脉宽，激光脉冲波形以及激光频率都相同的前提下，取厚度为0.5mm的两块铜板，将其裁成3cm*3cm正方形试样，一块清洗后涂覆好涂层材料，一块没做任何处理，采用激光焊接机进行焊接。焊接后效果图如图1所示，左图有涂层，右图无涂层。

从图中可以清晰的发现，没有处理的铜板焊接之后焊缝较浅，处理之后的铜板焊缝明显更深，说明涂层明显增强了铜板对激光束能量的吸收率。采用同样的方法再对铝板进行处理，结果如图2所示，左图有涂层，右图无涂层，同样说明涂层增强了焊件对激光束能量的吸收率。

另外，影响激光焊接铜和铝的参数主要有激光焊接峰值功率、输出脉冲波形、激光频率、激光脉宽等。本专利还对激光焊接机的输出脉冲波形进行相关研究。

激光照射到材料表面时，一部分被材料表面反射，其余部分进入材料后，部分被材料吸收，还有一部分则透过材料。辐射照度为I₀的激光穿过厚度为x的等离子体后，辐射照度衰减至I_x，表示为

（1）

其中，I₀—材料表面（x=0）处吸收的辐射照度，A—材料对激光的线性吸收系数。

（2）

其中，—20时电阻率，T—温度，—电阻温度系数，—激光波长。

激光焊接机在一定的时间内向外发出的总的激光能量为E，它是一个关于照度、焊件厚度以及焊件面积和时间之间的函数，具体关系可表示为

（3）

其中，E—激光发出的能量积累，S—焊件面积，t—时间。

激光焊接机发散出的能量主要有以下三种去向，其一是扩散到空气中，其二是被焊接反射，其三才会在焊件中传播，激光总能量和时间以及传播途径之间的关系满足菲克第二定律：

(4)

其中C—能量在空气中的扩散系数；D—能量在被焊材料中的扩散系数；R—能量的反射系数。

则最后归纳为焊接表面温度主要是以下几个参数的函数：

（5）

其中，T—温度，I—辐射照度为I₀的激光穿过厚度为x的等离子体辐射照度，

C—能量在空气中的扩散系数，D—能量在被焊材料中的扩散系数，

R—能量的反射系数，t—时间。

由上述公式可知，采用激光焊接金属时，只需知道能量在空气中的扩散系数、能量在被焊材料中的扩散系数、能量的反射系数以及辐射照度为I的激光穿过厚度为x的等离子体后辐射照度I，即可计算出焊件焊接后所能达到的温度，因此只需控制各变量保证到达被焊件的熔点即可实现焊接。

在一个激光脉冲当中，焊材表面温度随时间的变化大致分为以下几个区域，分别是预热区域、焊接区域、冷却区域，如图3所示。

由于激光输出速度快，所以激光焊接具有急冷急热的特点，如果在一个脉冲波形中，一开始就将温度增加到峰值功率，就导致焊件表面温度升高随时间变化如图4所示，即预热区所占比例较小，预热时间短，这在焊接碳钢材料时，由于碳钢的热传导系数相对铜和铝较小，因此在焊接过程能量不会由于热传导和反射作用损失掉，进而可实现碳钢的焊接。但是对于金属铜和金属铝这类热传导系数比较高且反射能量较强的金属焊接，则能量大部分就会被热传导和金属反射作用消耗掉，而无法提供足够的热量以使焊件达到熔化温度，导致焊件无法熔化。但是如果一味将焊接区脉宽降到很短，激光作用时间过短，能量来不及扩散，又达不到有效熔深，无法实现焊接，并且很容易产生液态金属飞溅，甚至穿透破坏焊件。因此，本专利就以上问题，找到了一种有效的激光焊接金属铜和铝的脉冲波形参数。

金属铜和金属铝由于自身热传导系数相对碳钢比较高，且自身对激光的反射作用较大，因此当热量到达工件表面会迅速扩散，导致能量损失，降低焊接的效率。为了减弱这种热扩散，就需要在一个脉冲当中，减少焊接区所占的时间，即采用短脉冲波焊接，由于使焊件熔化的温度是固定不变的，所以焊材熔化需要的能量就是固定不变的，即焊材确定就可以确定所需的能量。这就需要在保证能量的前提下减小焊接区所占的时间，也就需要提高激光焊接机的峰值功率，才能实现金属铜和铝这种热传导系数高的材料的焊接，即采用如图5所示右侧波形。

由于矩形波在一个短脉冲波中，预热区所占的比例为0，会导致能量突然增大到最大值，达不到有效熔深，这样会造成焊件表面出现金属飞溅甚至会穿透，因此，为了解决这个问题，在一个短脉冲波中需要加宽预热区所占的比例，于是本专利设计了图6所示的激光脉冲波形，对其进行焊接。

为了验证焊接效果，本专利选用T2纯铜为例，将0.5mm厚的铜板裁成3cm*3cm正方形，采用超声波清洗机清洗，打磨，涂层，待焊。分别采用矩形波和梯形波进行焊接，焊接结束后将试样进行冷却，并观察焊缝宏观形貌，焊接效果对比如图7所示。从图中可见，梯形波焊缝均匀，呈金黄色，焊缝较深。矩形波焊缝粗糙，部分区域出现飞溅，焊缝周边有毛刺，且激光熔斑粗大出现金属飞溅处较多，且部分区域有烧灼痕迹。

四、附图说明

图1是相同焊接参数对铜板焊接，左侧有涂层右侧无涂层效果对比图；

图2是相同焊接参数对铝板焊接，左侧有涂层右侧无涂层效果对比图；

图3是一个激光脉冲当中，焊材表面温度随时间变化示意图；

图4是矩形脉冲波形图及焊材表面温度随时间变化示意图；

图5是矩形高频脉冲波波形图及焊材表面温度随时间变化示意图；

图6是梯形脉冲波波形图及焊材表面温度随时间变化示意图；

图7是梯形波（左）和矩形波（右）焊接效果对比图；

图8是一个激光脉冲中预热区所占比例为33%时梯形波示意图；

图9是一个激光脉冲中预热区所占比例为33%时梯形波焊接实际效果图。

五、具体实施方法

激光焊接所采用的涂层采用炭黑所占比例为80%、硼砂1%、橡胶类成膜剂所占比例为5%、羧甲基纤维素所占比例为4%、水为溶剂。将以上材料混合，采用制浆设备搅拌成均匀浆料，涂抹在待焊铜件上，干燥后水分含量少于0.5%，准备焊接。梯形波当中选择一种在一个脉冲当中预热区所占比例为33%的梯形波，这种脉冲波形初始能量很低，渐渐上升，给工件一个预热过程，使工件达到最大能量状态时不至于由于热传导作用损失大量能量，提高能量的利用率，适用于相对较厚且面积较大的焊接工件。激光脉冲波形设置为这种梯形波，对被焊铜件进行焊接，脉冲波形如图8所示，焊接结果如图9所示。

Claims (4)

1.一种激光焊接铜和铝的工艺，其特征是：一方面使用一种激光焊接增强涂层，增强焊材对激光束能量的吸收，降低焊材对激光的反射，这种激光焊接增强涂层以炭黑为主染料、硼砂、橡胶类成膜剂、水为溶剂、羧甲基纤维素作为分散剂制成，涂层成份其比例为炭黑75%-90%，硼砂0.5%-2%，橡胶类成膜剂3%-10%，羧甲基纤维素3%-5%；另一方面激光脉冲波形采用梯形脉冲波进行焊接，使激光束能量逐渐进入被焊件，起到预热作用。

2.根据权利要求1所述的激光焊接铜和铝的工艺，涂层厚度为20um-50um。

3.根据权利要求1所述的激光焊接铜和铝的工艺，在一个脉冲波当中，预热区所占的比例在20%-100%。

4.根据权利要求1所述的激光焊接铜和铝的工艺，在一个脉冲波当中，脉宽的宽度为5ms-40ms。