CN106808095A - 激光加热摩擦焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及摩擦焊接领域，提出了一种激光加热摩擦焊接方法，具体是指在进行焊接之前先用激光照射工件端面使其表层处于高温或微熔状态，然后再迅速进行摩擦和顶锻过程，使液态金属和部分热塑性金属被挤出，最后经扩散和再结晶形成连接。该方法综合利用了激光能量密度高、空域和时域精确可控的独特优势以及摩擦焊接头质量优、生产效率高等特征，产生的有益效果在于：以外部输入能量作为主能量源，极大减小了摩擦焊所需的压力和扭矩、降低了对焊接设备的要求；拓展了传统摩擦焊的加工范围：可焊物理化学特性差异大的异种材料，刚性小的薄壁类、小直径工件，摩擦系数低、带有表面层、高温强度高的工件。

Description

激光加热摩擦焊方法

技术领域

本发明涉及摩擦焊接领域，提供了一种以激光外加能量为主热源的新型复合摩擦焊接方法。

背景技术

摩擦焊具有接头质量好、焊接尺寸精度高、绿色高效、适合焊接异种材料等独特优势在航空航天、石油化工、电力电子、汽车工业等行业得到了广泛应用。众所周知，摩擦焊是利用工件间相互摩擦产生的摩擦热来实现焊接的，为了产生足够的摩擦热量，焊接过程会在工件间施加很大的压力并产生很大的摩擦扭矩，从而焊接设备复杂而笨重，而对于焊件则有较高的强度和刚度要求。对于薄壁类的管状、盘状和片状等截面积小的工件，会因卡具的夹持力和摩擦压力而导致工件被压扁、失稳等现象，同时因截面积过小而不能产生足够的摩擦热，因而这类工件不太适合采用摩擦焊接。

受摩擦焊机主电机功率的限制，摩擦焊工件结合面尺寸难以大幅增加，针对这种不足，就有了感应加热摩擦焊，导电加热摩擦焊，火焰加热摩擦焊等辅助热源的摩擦焊，这些辅助加热方式虽然在一定程度上增加了接头热量，但缺点也很明显：加热区大，加热区域不易控制，热影响区软化严重，操作不便，火焰加热还可能使焊缝大量增碳。

摩擦焊虽然在异种材料连接领域具有独特优势，但固有特性决定了其在进行以下材料焊接时仍存在很大困难：高温强度高、塑形低、导热性好的材料；物理性能差异大的异种材料，如不锈钢-铜，硬质合金-钢等，活性金属(如钛、锆)-钢等；表面存在氧化膜或有镀膜、渗层等；摩擦系数太小(如铸铁、黄铜等)的材料。

通常情况下摩擦焊都不能添加焊接材料，这对提高异种接头质量来说是一种缺憾，因为很多异种金属需依靠中间添加材料来缓冲组织和性能的差异。

综上，摩擦焊虽可获得良好的接头质量和高的焊接效率，但由于其对焊接材料和焊接结构的选择性致使传统摩擦焊的应用范围仅限于一些特定的行业和产品，应用面严重受限。

发明内容

为弥补传统摩擦焊的不足，本发明提供一种激光加热摩擦焊接方法，基本原理是指利用激光加热代替工件间的摩擦生热，待工件表面达到一定的温度后再接入摩擦焊的正常通道，通过摩擦压力和摩擦扭矩使工件热塑性层产生沿结合面的流动和机械挖掘作用，最后阶段在顶锻力作用下塑性金属通过相互扩散和再结晶过程使两侧待焊工件牢固焊接在一起。

本发明的具体技术方案是：

一种激光加热摩擦焊新方法，采用激光直接照射运动侧工件待焊位置，使其表面快速升温并处于热塑性或表面微熔状态，随后静止侧工件对运动侧工件进行挤压和相互摩擦，高温区塑性金属发生塑性变形并沿结合面被挤出形成飞边，原来结合面处的表层金属、氧化膜和夹杂物被挤出，剩下的洁净金属在顶锻力的作用下紧密接触并经界面扩散和再结晶形成有效连接。在整个焊接过程中对高温区域金属辅以惰性气体保护，防止工件的高温氧化。

与传统摩擦焊技术相比，本发明的优势是：

焊接主要能量由激光提供，从而不受摩擦生热对材料特性、工件形状以及摩擦力大小的限制，可根据待焊工件材质和结构形状灵活设置激光加热位置、加热强度及加热时间。与火焰加热、感应加热以及电阻加热相比，激光加热功率密度高，加热区域、强度精确可控。焊接时配合以激光功率、加热面积、加热时间和移动速度等加工参数，工件表面温度和加热厚度均高度可控。另外，还可通过将激光束整形成多光斑、异形光斑或采用振镜扫描光束的方式实现大面积不同形状的激光均匀加热。从而理论上可以焊接截面很大的工件。

由于施加在工件上的摩擦压力和顶锻力较传统摩擦焊大大减小，因而对于常规摩擦焊难以施焊的薄壁件，超小直径管材、丝材；摩擦系数低、散热速度快的材料；特殊材质如高熔点、高淬透性的合金硬质合金、粉末冶金、陶瓷、玻璃等性能差异很大的异种材料；表面有镀层、渗层的材料；截面和形状相差悬殊的管-板、棒-板、棒-棒、管-棒、丝-板等结构和材料都可实现有效焊接。

工件在激光加热过程中可能有局部熔化现象，但在摩擦和顶锻过程中液相很快被挤出，真正实现连接的是后续处于热塑性状态的金属，所以最终的连接实质上依然保持摩擦焊的固相连接本质，焊接接头质量高，不会产生与材料熔化和凝固相关的焊接缺陷。

该焊接方法由于激光加热区体量小，焊接过程材料挤出量少，结合适当的坡口形状可实现焊后小余量甚至无余量加工。

与传统摩擦焊不能添加焊接材料相比，本发明提出的摩擦焊方法可在激光加热阶段往焊缝中加入多种形式的焊材(如粉末、丝材、箔、镀渗层等)，为调控焊缝组织和性能提供了一条行之有效的通道。

总之，该发明提出的激光加热摩擦焊接方法集成了激光加热和摩擦焊的优点而避免了各自的局限，该焊接方法具有焊接设备简单、接头质量好，生产效率高和绿色环保等明显优势，该方法丰富和扩展了摩擦焊的内容和种类，扩大了摩擦焊的应用范围，是一种应用前景广阔的新型固相焊接技术。

附图说明

图1为本发明所述典型激光加热摩擦焊接方法及装置示意图。

图2为本发明所述典型单侧(旋转侧)激光加热摩擦焊原理示意图。

图3为本发明所述带保护气装置和端面激光加热位置示意图。

图4为本发明所述四种不同的激光整形光斑图。

图5为本发明所述单激光双侧加热反向旋转摩擦焊原理示意图。

图6为本发明所述双激光双侧加热反向旋转摩擦焊原理示意图。

图7为本发明所述利用工件自身坡口反射加热摩擦焊示意图。

图8为本发明所述带封底(钝边)的单侧激光加热摩擦焊示意图。

图9为本发明所述带添加粉末材料的激光加热摩擦焊示意图。

图10为本发明所述双激光加热摩擦焊示意图。

图11为本发明所述带中间体的双侧激光加热摩擦焊示意图。

图12为本发明所述振镜扫描光束加热线性摩擦焊示意图。

图13为本发明所述激光加热摩擦焊效果图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式是按如下方式进行的：

1、对待焊管件的端面进行去氧化膜、污物处理直到工件表面露出金属本色为止。

2、如图1，将待焊工件件稳固装卡在卡盘上，工件1和工件2待焊端面预留1mm间隙，打开电源使工件1旋转，旋转速度为500r/min，检查工件同轴度、圆跳度。

3、如图2，光束偏转角(激光束与工件端面夹角)设置为20°，光斑大小为0.5mm²～40mm²之间，激光功率为1000W。如图3，调整激光作用位置在圆环切线附近，在焊接区域设置氩气保护，气体流量为30L/min，气体保护范围为角向150°。

4、开启激光加热工件1～3s钟，然后工件2以5m/min的速度对工件1进行挤压并相互摩擦，摩擦压力大小为1MPa，经0.5s后停止旋转同时施加5MPa的顶锻力并保持3s。

5、待工件冷却后剔除飞边完成焊接。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：激光光斑形状除圆形以外，还可以是多光斑、矩形光斑、弧形光斑等，如图4，其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：一束激光同时加热两个旋转方向相反的工件1和工件2，如图5，其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：激光束1加热工件区，激光束2加热工件2，如图6，其它步骤和参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式三不同的是：工件1和工件2均开斜坡口，坡口角度互补，角度大小在0°～60°之间，如图7，其它步骤和参数与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：工件1和工件2旋转方向相反，工件1开带封底(钝边)坡口，钝边厚度在0.5～2之间，用在背面少飞边或无飞边的场合，如图8，其它步骤和参数与具体实施方式一或具体实施方式二相同。

具体实施方式七：如图9，本实施方式与具体实施方式一不同的是：在激光加热的同时向工件端面喷送合金粉末，其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：在工件端面同时施加2～4束激光，如图10是两束激光的情况，其它步骤和参数与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：如图11所示，本实施方式与具体实施方式一不同的是：对于长径比较大的工件，两个工件均不便转动，或工件1和工件2为异种材料，为提高焊缝性能而需要加过渡片状材料的情况，采用在两个工件间加中间体的方法，焊接时工件1和工件2不动，而中间体旋转，激光加热位置在中间体的两个侧面，中间体上可设置带尖角凹槽结构，便于焊完清除，其它步骤和参数与具体实施方式一或具体实施方式二相同。

具体实施方式十：如图12所示，本实施方式与具体实施方式一不同的是：摩擦焊方法是线性摩擦焊，工件1运动方式是往复运动而不是旋转运动，激光束加热工件1和工件2待焊区是通过振镜扫描加热的方式而不是激光束静止工件运动。

本发明技术方法不局限于以上所述具体实施方式，还包括各具体实施方式间的任意组合。

Claims (8)

1.激光加热摩擦焊接方法，其特征在于，具体步骤为：两个待焊工件焊前预留间隙，激光通过间隙加热旋转侧工件端面；或者一对摩擦副中两个工件同时反向运动或旋转，激光同时对两个工件端面进行加热；

待工件端面被加热至热塑性态或微熔态时，两侧工件相互靠近并进行挤压和摩擦使处于液态或热塑性态的金属被挤出，然后停止激光加热和工件运动并对施加顶锻力，最终通过两侧金属的机械咬合、扩散和再结晶过程形成连接。

2.根据权利要求1所述的激光加热摩擦焊接方法，其特征在于：适用的摩擦焊种类包括连续驱动旋转摩擦焊、惯性摩擦焊、线性摩擦焊或轨道摩擦焊。

3.根据权利要求1所述的激光加热摩擦焊接方法，其特征在于：在焊接过程中同时对高温区金属进行惰性气体保护。

4.根据权利要求1所述的激光加热摩擦焊接方法，其特征在于：激光入射角度为0°～60°度之间，工件预留缝隙为0.3～20mm；气体流量在5L/min-80L/min之间，工件旋转速度在50r/min～5000r/min之间，工件相对移动速度在0.2～100m/min之间，激光总功率为100W～60000W之间，光斑大小为之间，工件间压力在0.2Mpa～60Mpa之间。

5.按照权利要求1和所述的激光加热摩擦焊接方法，其特征在于：焊接坡口形式为I型、V型、X型、单边K型或斜I型。

6.按照权利要求1和所述的激光加热摩擦焊接方法，其特征在于：激光加热点由1-6个组成,这些光斑由一束激光分割而来或由不同的几台激光器提供；激光加热光斑形状是圆形、矩形、弧形、抛物线型，功率密度分布为高斯型、平顶分布和内凹型。

7.按照权利要求1和所述的激光加热摩擦焊接方法，其特征在于：在工件结合面处添加材料，添加材料形式为粉末、丝材、箔、镀层、涂层或渗层。

8.按照权利要求1和所述的激光加热摩擦焊接方法，其特征在于：焊接材料是金属-金属，金属-非金属或非金属-非金属。