CN106513991A - 一种泡沫铝合金板的激光焊按方法 - Google Patents

Abstract

一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，包括以下步骤：S1、根据泡沫铝合金板尺寸，建立几何模型、设定加工轨迹；S2、对泡沫铝合金块体进行表面处理；S3、设定激光器加工参数；S4、激光器按照S1设定的加工轨迹对泡沫铝合金块体表面对接处进行熔化焊接；S5、将步骤S4所得的泡沫铝合金板翻转180°，重复步骤S4，直至完成泡沫铝合金块表面对接处的焊接接合；S6、对步骤S5所得泡沫铝合金板进行清洁、干燥处理并储存。本发明通过优化工艺参数，精确控制泡沫铝合金板的尺寸、规格，可对不同厚度、尺寸规格的泡沫铝合金块体进行直接激光熔化焊接，具有可控性高，同时也能保证焊缝接头处的结构性能同泡沫铝合金的性能具有一致性。

Description

一种泡沫铝合金板的激光焊按方法

技术领域

本发明涉及激光制备功能结构材料技术领域，具体涉及一种泡沫铝合金板的激光焊按方法。

背景技术

泡沫铝合金是一种结构与功能一体化的新型材料，其以铝或铝合金为基体，通过在基体中掺加添加剂后经过发泡工艺而成。其内部含有大量气孔，孔隙率为40％～90％左右，同时兼有金属和气泡特征。泡沫铝合金有很多优异的性能，比如密度小、高吸收冲击能强、耐高温、防火功用强、抗腐蚀、隔音降噪、导热率低、电磁屏蔽性高、耐候性强、有过滤功能、易加工、易装置、成型精度高、可进行外表涂装，具有优秀的物理性能、化学性能和力学性能以及可回收性。泡沫铝合金的这些优异性能使其在当今的材料领域具有宽广的使用前景，是非常具有开发前景的工程材料，特别是在交通运输工业，航天事业和建筑构造工业等方面，可以用作轻质装潢建筑材料、阻燃材料、轻化工催化剂、热交换器，起到隔音消声、电磁屏蔽、减震抗冲击等作用，是一种应用面较广的结构-功能一体化材料。

泡沫铝合金很容易进行机械加工，能被电锯切割成不同的规格和尺寸，能较为容易地对泡沫铝合金进行钻孔和铆接，也能对泡沫铝合金进行弯曲和压花，还能用黏接剂将泡沫铝合金进行粘接。但在要求比较高的应用场合，为了保证材料性能的一致性，需要进行焊接，由于泡沫铝合金独特的结构特性，使得它的焊接具有较大难度，也较难焊接成型。

针对泡沫铝合金焊接成型度差的问题，加快了对泡沫铝合金焊接方法的研究，现有专利如：泡沫铝夹芯复合板的焊接方法(申请号：200810018812.3)、采用可发泡钎料焊接泡沫铝及铝合金的方法(申请号：200810124682.1)、一种泡沫铝刮擦振动焊接方法(申请号：200810209758.0)、一种泡沫铝材料的瞬间液相扩散焊接方法(申请号：201010298238.9)、一种泡沫铝绿色包装材料的激光焊接方法及其应用(申请号：201210149957.3)等，以上专利提供的泡沫铝的焊接方法，一方面受限于泡沫铝合金的尺寸大小，另一方面也不能保证焊缝接头处的性能同泡沫铝合金一致。

因此，针对上述技术限制，同时充分发挥泡沫铝合金的优异性能，有必要提出一种更为简单、可控的泡沫铝合金板的激光焊按方法，以实现泡沫铝合金的良好焊接，扩大泡沫铝合金板的应用范围。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的提供一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，采用激光直接熔化焊接，摒弃了传统利用在真空中进行钎焊的方法，突破了对焊接尺寸和设备规格的限制。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，包括以下步骤：

S1、根据所需制备的泡沫铝合金板的尺寸，建立几何模型、设定加工轨迹并制作相应的夹具；

S2、对泡沫铝合金块体进行表面处理；

S3、设定激光器激光加工参数；

S4、激光器按照S1设定的加工轨迹对两块泡沫铝合金块体表面对接处进行熔化焊接加工；

S5、将步骤S4所得的泡沫铝合金板翻转180°，重复步骤S4，直至完成两块泡沫铝合金块表面对接处的焊接接合，制得所需泡沫铝合金板；

S6、对步骤S5所得的泡沫铝合金板拆除夹具进行清洁、干燥处理并储存。

优选的，所述步骤S1具体包括，根据泡沫铝合金板的尺寸数据，建立几何模型，设定加工轨迹，采用夹具对相邻的两块泡沫铝合金块体进行夹持定位，并用建筑玻璃覆盖焊接处的焊缝；所述尺寸数据包括：泡沫铝合金块体的孔径大小、面积大小，加工轨迹即为扫描轨迹。

优选的，所述泡沫铝合金块体的孔径为0μm≤D≤5000μm，其中D为泡沫铝合金块体泡沫孔的平均直径。

优选的，所述步骤S2中的泡沫铝合金块体为泡沫铝-硅合金块体、泡沫铝块体、泡沫铝-锰合金块体、泡沫铝-锌合金块体、泡沫铝-铜合金块体、泡沫铝-镁合金块体的其中一种；所述表面处理步骤为利用氢氧化钠溶液作为清洁剂对泡沫铝合金块体进行表面清洗，然后使用钢丝刷对表面焊接区域进行清理，经过无水酒精清洗，并使用冷风吹干。

优选的，所述步骤S3中的激光器采用波长范围为800～1070nm的固体激光器。

优选的，所述步骤S3中的激光加工参数为：

激光光斑直径500μm≤d≤5000μm，激光能量2000W≤P≤6000W，扫描速度20mm·s^-1≤V≤66mm·s^-1。

优选的，所述激光光斑直径d、激光能量P符合关系式：

其中P_density为激光能量系数，P_density≥240W·mm^-2。

优选的，所述步骤S4中，对两块泡沫铝合金块体表面对接处使用焊接添加料进行激光熔化焊接；所述焊接添加料为铝-硅混合粉末，其中硅的百分含量为7％≤Si％≤13％，且混合有镁粉，其百分含量为0％≤Mg≤1％，同时需要添加TiH₂，其百分含量为0.2％＜TiH₂％≤1％，在使用前进行球磨1～2h。

优选的，所述步骤S5中，当泡沫铝合金块体的厚度10mm＜h≤20mm时，将步骤S4所得的泡沫铝合金板进行翻转180°操作。

优选的，所述步骤S6具体包括，将步骤S5所得的泡沫铝合金板放置在蒸馏水中施加超声波进行震荡清洗，冷风吹干后放置在干燥皿中进行储藏。

与现有技术相比，本发明提供的一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，通过优化工艺参数，精确控制泡沫铝合金板的尺寸、规格，可对不同厚度、尺寸规格的泡沫铝合金块体进行直接激光熔化焊接，具有可控性高，同时也能保证焊缝接头处的结构性能同泡沫铝合金的性能具有一致性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的泡沫铝合金板的激光焊按方法的流程图；

图2为本发明提供的泡沫铝合金板的激光焊按方法的焊接示意图。

附图中涉及的附图标记和组成部分说明：

1、激光束；2、建筑玻璃；3、泡沫铝合金块体；4焊接添加料。

具体实施方式

现有的泡沫铝的焊接方法，一方面受限于泡沫铝合金的尺寸大小，另一方面也不能保证焊缝接头处的性能同泡沫铝合金一致。

因此，针对上述技术限制，同时充分发挥泡沫铝合金的优异性能，本发明提供一种更为简单、可控的泡沫铝合金板的激光焊按方法，以实现泡沫铝合金的良好焊接，扩大泡沫铝合金板的应用范围。

参见图1所示，具体括以下步骤：

S1、根据泡沫铝合金块体的尺寸数据，建立几何模型，设定加工轨迹，采用夹具对相邻的两块泡沫铝合金块体进行夹持定位，并用建筑玻璃覆盖焊接处的焊缝。其中尺寸数据包括：泡沫铝合金块体的孔径大小、面积大小，加工轨迹即为扫描轨迹。

本发明泡沫铝合金块体的孔径为0μm≤D≤5000μm，其中D为泡沫铝合金块体泡沫孔的平均直径。

S2、对泡沫铝合金块体进行表面处理。本发明制备所采用的泡沫铝合金块体为泡沫铝-硅合金块体、泡沫铝块体、泡沫铝-锰合金块体、泡沫铝-锌合金块体、泡沫铝-铜合金块体、泡沫铝-镁合金块体的其中一种。

表面处理的步骤为，利用氢氧化钠溶液作为清洁剂对泡沫铝合金块体进行表面清洗，然后使用钢丝刷对表面焊接区域进行清理，经过无水酒精清洗，并使用冷风吹干。

S3、设定激光器激光加工参数。

本发明所采用的激光器为波长范围为800～1070nm的固体激光器。根据本方法制备的泡沫铝合金板的孔径大小及泡沫铝合金块体的自身属性，设定激光加工参数为：

激光光斑直径500μm≤d≤5000μm，其中激光光斑直径与泡沫铝合金板的泡沫孔平均直径之间的关系为D＜d，激光能量2000W≤P≤6000W，扫描速度20mm·s^-1≤V≤66mm·s^-1。

激光光斑直径d、激光能量P符合关系式：

其中P_density为激光能量系数，P_density≥240W·mm^-2，d、P的上限由该关系式限定。

S4、激光器按照S1设定的加工轨迹对两块泡沫铝合金块体表面对接处进行熔化焊接加工。在两块泡沫铝合金块体表面对接处使用焊接添加料进行激光熔化焊接，焊接添加料为铝-硅混合粉末，其中硅的百分含量为7％≤Si％≤13％，且混合有镁粉，其百分含量为0％≤Mg≤1％，同时需要添加TiH₂，其百分含量为0.2％＜TiH₂％≤1％，在使用前进行球磨1～2h。

参见图2所示，在两块泡沫铝合金块体3的对接处设置焊接添加料4，然后将建筑玻璃2覆盖在焊接处，激光束1扫描焊缝区域，实现两块泡沫铝合金块体3的焊接。

S5、由于步骤S4中焊接可能造成两块泡沫铝合金块体的焊缝处焊接不均匀，因此当泡沫铝合金块体的厚度10mm＜h≤20mm时，将步骤S4所得的泡沫铝合金板翻转180°，重复步骤S4，直至完成两块泡沫铝合金块表面对接处的焊接接合，制得所需泡沫铝合金板。

S6、将步骤S5所得的泡沫铝合金板放置在蒸馏水中施加超声波进行震荡清洗，冷风吹干后放置在干燥皿中进行储藏。

下面将通过具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

S1、根据泡沫铝合金板的尺寸数据，建立几何模型，设定加工轨迹，采用夹具对相邻的两块泡沫铝合金块体进行夹持定位，并用建筑玻璃覆盖焊接处的焊缝。其中尺寸数据包括：泡沫铝合金块体的孔径大小、面积大小，加工轨迹即为扫描轨迹。

本实施例中泡沫铝合金块体的孔径为D＝500μm，其中D为泡沫铝合金块体泡沫孔的平均直径。

S2、对泡沫铝合金块体进行表面处理。本实施例制备所采用的泡沫铝合金块体为泡沫铝-硅合金块体，泡沫铝-硅合金块体的厚度为5mm。

表面处理的步骤为，利用氢氧化钠溶液作为清洁剂对泡沫铝-硅合金块体进行表面清洗，然后使用钢丝刷对表面焊接区域进行清理，经过无水酒精清洗，并使用冷风吹干。

S3、设定激光器激光加工参数。

本实施例所采用的激光器为波长范围为808nm的固体激光器。根据本实施例制备的泡沫铝合金板的孔径大小及泡沫铝-硅合金块体的自身属性，设定激光加工参数为：

激光光斑直径d＝600μm，其中激光光斑直径与泡沫铝合金板的泡沫孔平均直径之间的关系为D＜d，扫描速度V＝20mm·s^-1。

激光光斑直径d、激光能量P符合关系式：

其中P_density为激光能量系数，P_density＝240W·mm^-2，由该关系式得出激光能量P＝2000W。

S4、激光器按照S1设定的加工轨迹对两块泡沫铝-硅合金块体表面对接处进行熔化焊接加工。在两块泡泡沫铝-硅合金块体表面对接处使用焊接添加料进行激光熔化焊接，焊接添加料为铝-硅混合粉末，其中硅的百分含量为Si％＝7％，且混合有镁粉，其百分含量为Mg＝0％，同时需要添加TiH₂，其百分含量为TiH₂％＝0.3％，使用前进行球磨1h。

参见图2所示，在两块泡沫铝合金块体3的对接处设置焊接添加料4，然后将建筑玻璃2覆盖在焊接处，激光束1扫描焊缝区域，实现两块泡沫铝合金块体3的焊接。

S5、由于步骤S4中焊接可能造成两块泡沫铝-硅合金块体的焊缝处焊接不均匀，因此当泡沫铝-硅合金块体的厚度10mm＜h≤20mm时，由于本实施例中泡沫铝-硅合金块体的厚度小于10mm，因此焊接使不需要翻转180°，直接重复步骤S4，直至完成两块泡沫铝-硅合金块体表面对接处的焊接接合，制得所需泡沫铝合金板。

S6、将步骤S5所得的泡沫铝合金板放置在蒸馏水中施加超声波进行震荡清洗，冷风吹干后放置在干燥皿中进行储藏。

实施例二：

本实施例与实施例一不同之处在于,本实施例所采用的泡沫铝合金块体为泡沫铝-锰合金块体，其泡沫孔的孔径为D＝1000μm，采用波长为900nm的固体激光器，泡沫铝-锰合金块体的厚度为9mm，扫描速度V＝30mm·s^-1，激光光斑直径d＝1200μm，按照关系式进行计算，得出激光能量P＝3000W。

实施例三：

本实施例与实施例一不同之处在于,本实施例所采用的泡沫铝-锌合金块体的泡沫孔的孔径为D＝2000μm，采用波长为900nm的固体激光器，泡沫铝-锌合金块体的厚度为12mm，扫描速度V＝40mm·s^-1，激光光斑直径d＝2500μm，按照关系式进行计算，得出激光能量P＝4000W。

步骤S4中所用的焊接添加料铝-硅粉末中，硅的百分含量为Si％＝10％，且混合有镁粉，其百分含量为Mg＝0.6％，同时添加TiH₂，其百分含量为TiH₂％＝0.8％，使用前进行球磨1.5h。

焊接时，泡沫铝-锌合金块体的厚度在10～20mm间，因此在完成步骤S4后，需要进行翻转180°，采用同一激光加工参数，进行再次焊接。

实施例四：

本实施例与实施例一不同之处在于,本实施例所采用的泡沫铝-铜合金块体的泡沫孔的孔径为D＝4000μm，采用波长为1070nm的固体激光器，泡沫铝-铜合金块体的厚度为18mm，扫描速度V＝55mm·s^-1，激光光斑直径d＝5000μm，按照关系式进行计算，得出激光能量P＝5500W。

步骤S4中所用的焊接添加料铝-硅粉末中，硅的百分含量为Si％＝13％，且混合有镁粉，其百分含量为Mg＝1％，同时添加TiH₂，其百分含量为TiH₂％＝1％，使用前进行球磨2h。

焊接时，泡沫铝-铜合金块体的厚度在10～20mm间，因此在完成步骤S4后，需要进行翻转180°，采用同一激光加工参数，进行再次焊接。

综上所述，本发明提供的一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，通过优化工艺参数，精确控制泡沫铝合金板的尺寸、规格，可对不同厚度、尺寸规格的泡沫铝合金块体进行直接激光熔化焊接，具有可控性高，同时也能保证焊缝接头处的结构性能同泡沫铝合金的性能具有一致性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、根据所需制备的泡沫铝合金板的尺寸，建立几何模型、设定加工轨迹并制作相应的夹具；

S2、对泡沫铝合金块体进行表面处理；

S3、设定激光器激光加工参数；

S4、激光器按照S1设定的加工轨迹对两块泡沫铝合金块体表面对接处进行熔化焊接加工；

S5、将步骤S4所得的泡沫铝合金板翻转180°，重复步骤S4，直至完成两块泡沫铝合金块表面对接处的焊接接合，制得所需泡沫铝合金板；

S6、对步骤S5所得的泡沫铝合金板拆除夹具进行清洁、干燥处理并储存。

2.根据权利要求1所述的一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，其特征在于：所述步骤S1具体包括，根据泡沫铝合金板的尺寸数据，建立几何模型，设定加工轨迹，采用夹具对相邻的两块泡沫铝合金块体进行夹持定位，并用建筑玻璃覆盖焊接处的焊缝；所述尺寸数据包括：泡沫铝合金块体的孔径大小、面积大小，加工轨迹即为扫描轨迹。

3.根据权利要求2所述的一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，其特征在于：所述泡沫铝合金块体的孔径为0μm≤D≤5000μm，其中D为泡沫铝合金块体泡沫孔的平均直径。

4.根据权利要求1所述的一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，其特征在于：所述步骤S2中的泡沫铝合金块体为泡沫铝-硅合金块体、泡沫铝块体、泡沫铝-锰合金块体、泡沫铝-锌合金块体、泡沫铝-铜合金块体、泡沫铝-镁合金块体的其中一种；所述表面处理步骤为利用氢氧化钠溶液作为清洁剂对泡沫铝合金块体进行表面清洗，然后使用钢丝刷对表面焊接区域进行清理，经过无水酒精清洗，并使用冷风吹干。

5.根据权利要求1所述的一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，其特征在于：所述步骤S3中的激光器采用波长范围为800～1070nm的固体激光器。

6.根据权利要求1所述的一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，其特征在于：所述步骤S3中的激光加工参数为：

激光光斑直径500μm≤d≤5000μm，激光能量2000W≤P≤6000W，扫描速度20mm·s^-1≤V≤66mm·s^-1。

7.根据权利要求6所述的一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，其特征在于：所述激光光斑直径d、激光能量P符合关系式：

$P=\frac{P_{density}{\mathrm{\πd}}^2}{4}$

其中P_density为激光能量系数，P_density≥240W·mm^-2。

8.根据权利要求1所述的一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，其特征在于：所述步骤S4中，对两块泡沫铝合金块体表面对接处使用焊接添加料进行激光熔化焊接；所述焊接添加料为铝-硅混合粉末，其中硅的百分含量为7％≤Si％≤13％，且混合有镁粉，其百分含量为0％≤Mg≤1％，同时需要添加TiH₂，其百分含量为0.2％＜TiH₂％≤1％，在使用前进行球磨1～2h。

9.根据权利要求1所述的一种泡沫铝合金板的激光焊按方法，其特征在于：所述步骤S5中，当泡沫铝合金块体的厚度10mm＜h≤20mm时，将步骤S4所得的泡沫铝合金板进行翻转180°操作。

10.根据权利要求1所述的一种激光制备泡沫铝夹芯板的方法，其特征在于：所述步骤S6具体包括，将步骤S5所得的泡沫铝合金板放置在蒸馏水中施加超声波进行震荡清洗，冷风吹干后放置在干燥皿中进行储藏。