CN105904084A - 一种激光诱导铝热焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种激光诱导铝热焊接方法，包括：(1)在下焊块上铺置一层铝热焊料；(2)上焊块与下焊块之间形成夹角空间；(3)激光束从夹角空间倾斜射入，聚焦在铝热焊料的一端，铝热焊料熔化，上焊块与下焊块的表面也发生薄层熔化，形成铝热焊料熔池，待铝热反应进行完全；(4)关闭激光，随着上焊块的第二端下压操作，将推动铝热反应的液态焊料铺展在整个上焊块与下焊块之间的焊接面，而焊渣被挤出焊缝，上焊块与下焊块完全贴合；(5)凝固后形成焊接接头。本发明中激光诱导铝热焊接过程的精细操作使得铝热反应顺序受控进行，液态焊料铺展均匀，有利于熔池中的气泡溢出，焊渣挤出焊缝，解决传统铝热焊接方法容易产生的气孔、夹杂缺陷。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种激光诱导铝热焊接方法。
背景技术
铝热焊的基本原理是通过铝和氧化铁的还原反应，将氧化铁中的铁还原。铝热焊剂一经点燃，燃烧就会自行进行，蔓延至整个反应体系，反应产物为Fe和Al2O3。3种铝热化学反应方程式为：
3FeO+2Al＝3Fe+Al2O3+833.9kJ
Fe2O3+2Al＝Al2O3+2Fe+828.9kJ
3Fe3O4+8Al＝4Al2O3+9Fe+3232.4kJ
铝热焊料是由还原剂金属铝、氧化剂氧化铁以及其他添加合金元素按一定比例混合而成的。焊接时，铝热焊料由点火剂点燃，引起强烈的化学反应，反应产生大量的热，形成高温(约3000℃)，使铝热焊料熔化翻腾，反应产生的熔融铁液沉于底部，而铝被氧化，构成以氧化铝为基的熔渣上浮。当铁液直接浇注到被焊接零件损伤的开裂处(或焊接接头处)，高温铁液将断口表面熔化，又作为填充金属填充零件损伤开裂处间隙(或焊接接头)，冷却凝固后形成热熔焊接接头。
然而，目前的传统铝热焊技术仍然存在以下一些缺点：1)需要专用的焊料铝热反应工具和引燃工具，比如铝热焊锅等。2)液态熔融铁液流动不均匀，形成的焊缝厚度不均，进而导致接头不同区域的力学、电学性质不均匀；3)由于冶金过程不完全，焊缝易出现气泡、夹杂等缺陷。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种能够显著提高焊缝质量的激光诱导铝热焊接方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种激光诱导铝热焊接方法，包括如下步骤：
(1)在下焊块的待焊接位置预先铺置一层铝热焊料；
(2)将上焊块的第一端放置在下焊块上并贴近铝热焊料位置，第二端与下焊块保持距离，即上焊块与下焊块之间形成一夹角空间；
以上焊块与下焊块的交线为Y轴，以上焊块与下焊块交线的一个端点为原点，在下焊块的上表面建立XOY直角坐标系；
所述铝热焊料沿Y轴方向的长度L与上焊块沿Y轴方向的长度L’相等，所述铝热焊料沿X轴方向的宽度W与上焊块沿X轴方向的宽度W’相等；
(3)激光束从所述夹角空间倾斜射入，使得激光束聚焦在铝热焊料的一端，若铝热焊料的长度L大于激光束聚焦光斑直径，则激光束沿Y轴方向快速扫描铝热焊料，引燃铝热焊料，使铝热焊料熔化，此时上焊块与下焊块的表面也同时发生薄层熔化，形成铝热焊料熔池，待铝热反应进行完全；
(4)关闭激光，使上焊块的第二端下压，即绕第一端旋转，使上焊块与下焊块之间夹角减小，上焊块挤压焊接熔池，推动铝热焊料熔融液体均匀向前铺展在下焊块表面；随着上焊块的第二端下压操作，最终将推动铝热反应的液态焊料铺展在整个上焊块与下焊块之间的焊接面，而焊渣被挤出焊缝，上焊块与下焊块完全贴合；
(5)对上焊块施加垂直于焊接面的压力，上焊块与下焊块贴合的熔化焊缝位置迅速降温，发生凝固，形成焊接接头。
优选的，步骤(2)中还可以在上焊块的第一端设置一止推块，用于防止上焊块的第一端位置发生变化。
优选的，步骤(3)中还可以控制激光束聚焦照射或按预设轨迹扫描铝热焊料，即按特定位置、顺序点燃铝热焊料，使得铝热焊料的能量分布精密可控。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明利用激光束顺序点燃铝热焊料形成条状熔池，铝热反应产物焊渣则通过快速挤压形成的液面孤波而向前运动，直至铝热反应的液态焊料铺展在待焊面上，而焊渣被挤出焊缝，上下焊块贴合并冷却凝固。这种激光诱导铝热焊接过程的精细操作使得铝热反应顺序受控进行，液态焊料铺展均匀，有利于熔池中的气泡溢出，焊渣挤出焊缝，解决传统铝热焊接方法容易产生的气孔、夹杂缺陷。
2、本发明利用激光束点燃铝热焊料，熔池温度高，并使得上下焊件表面在铝热焊料反应热作用下发生薄层熔化，液态焊料熔池在挤压过程中搅拌作用强，使得焊缝区的冶金反应充分，焊接头工艺质量好，力学性能高。
3、本发明的激光束聚焦光斑小、加热升温极为快速，铝热焊料的点燃快速可靠，且点燃位置、顺序、能量分布精密可控，使得其特别适合于异种材料的精密熔钎焊，焊接速度快，容易实现自动化。
4、本发明利用激光作为点燃工具加热铝热焊料，无须传统方法所需的铝热焊锅等专用焊料铝热反应工具和引燃工具，对铝热焊料配方本身也没有限制，可以适用于多种添加合金元素，即工艺和材料的适用性更广，生产成本低，柔性化程度高。
附图说明
图1为铝热焊料的铺置示意图；
图2为上焊块的位置示意图；
图3为上焊块与下焊块的俯视图；
图4为激光束照射示意图；
图5为焊接接头示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供了一种激光诱导铝热焊接方法，包括如下步骤：
(1)如图1所示，在下焊块1(母材)的待焊接位置预先铺置一层铝热焊料2；
(2)如图2所示，将上焊块3的第一端放置在下焊块1上并贴近铝热焊料2位置，第二端与下焊块1保持距离，即上焊块3与下焊块1之间形成一夹角为0～60度的夹角空间；
如图3所示，以上焊块3与下焊块1的交线为Y轴，以上焊块3与下焊块1交线的一个端点为原点，在下焊块1的上表面建立XOY直角坐标系；
所述铝热焊料2沿Y轴方向的长度L与上焊块3沿Y轴方向的长度L’相等，所述铝热焊料2沿X轴方向的宽度W与上焊块3沿X轴方向的宽度W’相等；所铺设的铝热焊料2的厚度为0.5mm～5mm。
优选的，还可以在上焊块3的第一端设置一止推块，防止上焊块3的第一端位置发生变化。
(3)如图4所示，激光束4从所述夹角空间倾斜射入，使得激光束4聚焦在铝热焊料2的一端，若铝热焊料2的长度L大于激光束聚焦光斑直径，则激光束4沿Y轴方向快速扫描铝热焊料2，引燃铝热焊料2，使铝热焊料2熔化，此时上焊块3与下焊块1的表面也同时发生薄层熔化，形成铝热焊料熔池，待铝热反应进行完全；
优选的，可以控制激光束4聚焦照射或按预设轨迹扫描铝热焊料2，即按特定位置、顺序点燃铝热焊料2，使得铝热焊料的能量分布精密可控。
(4)关闭激光，使上焊块3的第二端下压，即绕第一端旋转，使上焊块3与下焊块1之间夹角减小，上焊块3挤压焊接熔池，推动铝热焊料熔融液体均匀向前铺展在下焊块1表面，根据流体力学，快速挤压将在铝热焊料熔池表面产生液面孤波，铝热反应产物焊渣浮于熔池表面则通过孤波推动而向前运动，随着上焊块3的第二端下压操作，最终将推动铝热反应的液态焊料铺展在整个上焊块3与下焊块1之间的焊接面，而焊渣被挤出焊缝，上焊块3与下焊块1完全贴合(夹角为0)；
(5)对上焊块3施加垂直于焊接面的压力，上焊块3与下焊块1贴合的熔化焊缝位置迅速降温，发生凝固，形成焊接接头，如图5所示。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。
Claims (3)
1.一种激光诱导铝热焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在下焊块(1)的待焊接位置预先铺置一层铝热焊料(2)；
(2)将上焊块(3)的第一端放置在下焊块(1)上并贴近铝热焊料(2)位置，第二端与下焊块(1)保持距离，即上焊块(3)与下焊块(1)之间形成一夹角空间；
以上焊块(3)与下焊块(1)的交线为Y轴，以上焊块(3)与下焊块(1)交线的一个端点为原点，在下焊块(1)的上表面建立XOY直角坐标系；
所述铝热焊料(2)沿Y轴方向的长度L与上焊块(3)沿Y轴方向的长度L’相等，所述铝热焊料(2)沿X轴方向的宽度W与上焊块(3)沿X轴方向的宽度W’相等；
(3)激光束(4)从所述夹角空间倾斜射入，使得激光束(4)聚焦在铝热焊料(2)的一端，若铝热焊料(2)的长度L大于激光束聚焦光斑直径，则激光束(4)沿Y轴方向快速扫描铝热焊料(2)，引燃铝热焊料(2)，使铝热焊料(2)熔化，此时上焊块(3)与下焊块(1)的表面也同时发生薄层熔化，形成铝热焊料熔池，待铝热反应进行完全；
(4)关闭激光，使上焊块(3)的第二端下压，即绕第一端旋转，使上焊块(3)与下焊块(1)之间夹角减小，上焊块(3)挤压焊接熔池，推动铝热焊料熔融液体均匀向前铺展在下焊块(1)表面；随着上焊块(3)的第二端下压操作，最终将推动铝热反应的液态焊料铺展在整个上焊块(3)与下焊块(1)之间的焊接面，而焊渣被挤出焊缝，上焊块(3)与下焊块(1)完全贴合；
(5)对上焊块(3)施加垂直于焊接面的压力，上焊块(3)与下焊块(1)贴合的熔化焊缝位置迅速降温，发生凝固，形成焊接接头。
2.根据权利要求1所述的激光诱导铝热焊接方法，其特征在于，步骤(2)中还可以在上焊块(3)的第一端设置一止推块，用于防止上焊块(3)的第一端位置发生变化。
3.根据权利要求1所述的激光诱导铝热焊接方法，其特征在于，步骤(3)中还可以控制激光束(4)聚焦照射或按预设轨迹扫描铝热焊料(2)，即按特定位置、顺序点燃铝热焊料(2)，使得铝热焊料的能量分布精密可控。
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