CN106964899A - 一种激光深熔‑钎焊连接异种材料的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光深熔‑钎焊连接异种材料的方法，其激光焊接头、高压气柱喷嘴与保护气体喷管能相对母材移动，当母材背面温度达到或超过母材气化的温度值时，转动激光焊接头与高压气柱喷嘴，使得激光焊接头相对工件上表面倾斜，高压气柱喷嘴垂直对准工件上表面，并控制高压气柱喷嘴供气阀门，使高压气柱喷嘴喷射惰性气体气柱贯穿焊接小孔。在本发明中，采用高压微细气柱辅助维持小孔，优化了激光能量在焊接小孔深度方向上的均匀分布，避免了激光能量溢出损失，实现了异种材料无坡口激光深熔‑钎焊连接。

Description

一种激光深熔-钎焊连接异种材料的方法
技术领域
本发明提供的一种激光深熔-钎焊连接异种材料的方法，属于异种材料连接技术领域。尤其适用于熔点相差较大的异种材料的连接，如钢与铝合金，钛合金与铝合金等等的连接，可以获得高性能连接接头。
背景技术
伴随世界各国节能减排政策的出台，轻量化设计理念及低碳环保的产品越来越受到消费者的青睐。同时，随着新材料、新工艺的发展，异种材料的复合结构在航空航天、汽车、机车等运载工具领域已然表现出了巨大的应用前景。然而，面对如此大的应用前景，首先要解决的就是异种材料的连接问题。对于异种材料，大多数情况下由于两者的材料热物理、化学性能差异较大，熔化焊接时在连接界面会产生大量脆性的金属间化合物或共晶体，严重影响连接接头的力学性能。
为了避免异种材料在液态下发生冶金反应，人们提出用固态焊接方法进行异种材料的连接，如摩擦焊、爆炸焊、扩散焊、磁脉冲焊和超声波焊等。这些固态焊接方法能够实现异种材料的连接，但其适用范围较小，存在各种各样的局限性而难以满足生产应用要求。
为了实现异种材料的良好连接，人们提出熔-钎焊方法连接异种材料，这种焊接方法是使异种材料中的一种材料或填充焊丝材料受热熔化，而另一种材料却处在固态下，即对一种材料是熔焊，而对另一种材料是钎焊。对于搭接接头，利用这种焊接方法可以实现良好连接。而利用填丝熔钎焊接方法焊接对接接头，沿板厚方向存在较大温度差，导致高熔点材料上下表面钎料铺展极不均匀，往往要在对接边开设一定形状的坡口，如，“V”形、“K”形和“Y”坡口等，方可使得钎料在高熔点材料上下表面均匀铺展。因此，目前这种熔钎焊接方法不适宜于异种材料的可靠对接连接。
发明内容
在本发明的目的是解决异种材料对接熔钎焊接时，在高熔点板材一侧表面钎料铺展不均匀，导致接头力学性能较差的问题。
本发明的技术方案是提供一种激光深熔-钎焊连接异种材料的方法，其特征在于。
步骤1：采用有机溶剂除去第一母材和第二母材上下表面和对接端面的杂质，并采用专用激光焊接夹具装夹可靠。
步骤2：激光焊接头固定在焊接机械手上，可随机械手旋转任意角度。
步骤3：高压气柱喷嘴与激光焊接头相连，两者所成夹角α为5°~ 30°。
步骤4：焊接保护气体喷管与激光焊接头相连，与工件表面所成夹角β为15°~ 60°。
步骤5：将红外温度传感器安装在焊接平台下方，要求焊接起始阶段能实时采集到母材背面温度。
步骤6：启动激光焊接系统，保护气体喷管吹送保护气体，激光束垂直辐照第一母材上表面。
步骤7：红外温度采集系统将红外传感器获取的图像信号转化为视频电信号，图像采集卡将视频信号转化为数字信号存储在计算机内存中，当温度超过母材气化的温度值时，计算机向控制系统发出偏转角度的信号，通过I/O单元发给机器人控制系统，焊接机械手末端轴旋转，使得高压气柱喷嘴处于竖直方向。
步骤8：机器人控制系统发信号控制高压喷嘴供气阀门，高压气柱喷嘴喷射惰性气体气柱贯穿焊接小孔，激光焊接头、高压气柱喷嘴和保护气体喷管同步移动，继续施焊。
步骤9：达到焊接末端点时，关闭高压气柱喷嘴开关，关闭激光发生器，关闭保护气体开关，焊接机械手复位，完成焊接过程。
进一步地，在步骤1中，第一母材为低熔点板材，如铝合金。
进一步地，在步骤1中，第二母材为高熔点板材，如钢材、钛合金。
进一步地，在步骤3中，高压气柱喷嘴与激光焊接头所成夹角α为15°~ 25°。
进一步地，在步骤4中，焊接保护气体喷管与工件表面所成夹角β为30°~ 60°。
进一步地，在步骤6中，激光束垂直辐照第一母材上表面，与对接端面距离d为0.2~ 1 mm。
进一步地，在步骤8中，高压喷射的惰性气体气柱直径小于焊接小孔直径。
本发明的有益效果。
（1）本发明中采用高压微细气柱辅助维持小孔，优化了激光能量在焊接小孔深度方向上的均匀分布，从而使得高熔点母材一侧表面钎料铺展均匀性大大提高，改善了接头力学性能。
（2）本发明的技术方案避免了激光穿透焊接激光能量穿过小孔产生的溢出损失，提高激光的能量利用率40%以上，因此，在获得同样焊缝熔深的情况下，可以减小激光功率，从而降低成本。
（3）本发明中由于采用微细高压气柱辅助焊接，高压气柱吹散小孔上方以及小孔内部大部分金属和等离子体，很大程度上减少了金属和等离子体对激光的辐射和吸收，提高了激光利用率。
（4）在本发明中高压微细气柱维持小孔，激光只要用来熔融母材，进而可以降低激光能量的输入，减小焊接变形。
（5）在本发明中高压微细气柱吹走小孔内金属和金属颗粒，减少焊接飞溅。
附图说明
图1是本发明实施例所述种激光深熔-钎焊连接异种材料的方法涉及的设备与母材布置示意图。
图2是本发明实施例所述激光焊接起始阶段未熔透时焊接区示意图。
图3是本发明实施例所述激光焊接刚熔透时焊接区示意。
图4是本发明实施例所述气柱辅助激光焊接区示意图。
图5是图1中沿焊接方向投影图。
其中：1、第一母材，2、第二母材、3、保护气体喷管，4、固定支架，5、高压气柱喷嘴，6、焊接头，7、激光束，8、机械手，9、计算机，10、温度传感器，11、焊接方向，12、金属颗粒，13、金属蒸汽/光致等离子体，14、焊接小孔，15、焊接熔池，16、高压气柱，17、凝固焊缝，18、传输光纤，19、激光发生器。
具体实施方式
如图1所示，本发明实施例使用的激光焊接系统包括激光发生器19、传输光纤18、焊接机械手8、通过传输光纤18与激光发生器19连接且安装于焊接机械手8的激光焊接头6、高压气柱喷嘴5、保护气体喷管3、温度传感器10。
高压气柱喷嘴与保护气体喷管均和激光焊接头通过固定支架4相连，使激光焊接头、高压气柱喷嘴与保护气体喷管能相对母材同步移动，激光焊接头、高压气柱喷嘴与保护气体喷管设置为均对准焊接位置。
温度传感器10置于焊接起始点下方用于实时采集母材背面温度。
机械手控制系统能控制焊接机械手使激光焊接头旋转任意角度。
如图2至图5所示，本实施例所述一种激光深熔-钎焊连接异种材料的方法包括以下具体步骤。
步骤1：采用有机溶剂除去第一母材和第二母材上下表面和对接端面的杂质,并采用专用激光焊接夹具装夹可靠。
进一步，步骤1中，第一母材为铝合金；第二母材为镀锌钢板。
步骤2：激光焊接头固定在焊接机械手上，可随机械手旋转任意角度；
步骤3：高压气柱喷嘴与激光焊接头相连，两者所成夹角α为15°~ 25°。
步骤4：焊接保护气体喷管与激光焊接头相连，与工件表面所成夹角β为30°~ 60°。
步骤5：将红外温度传感器安装在焊接平台下方，要求焊接起始阶段能实时采集到母材背面温度。
步骤6：启动激光焊接系统，保护气体喷管吹送保护气体，激光束垂直辐照第一母材上表面。
进一步地，步骤6中，激光束垂直辐照第一母材上表面，与对接端面距离d为0.2 ~1 mm。
步骤7：红外温度采集系统将红外传感器获取的图像信号转化为视频电信号，图像采集卡将视频信号转化为数字信号存储在计算机内存中，当温度超过母材气化的温度值时，计算机向控制系统发出偏转角度的信号，通过I/O单元发给机器人控制系统，焊接机械手末端轴旋转，使得高压气柱喷嘴处于竖直方向。
步骤8：机器人控制系统发信号控制高压喷嘴供气阀门，高压气柱喷嘴喷射惰性气体气柱贯穿焊接小孔，激光焊接头、高压气柱喷嘴和保护气体喷管同步移动，继续施焊。
步骤9：达到焊接末端点时，关闭高压气柱喷嘴开关，关闭激光发生器，关闭保护气体开关，焊接机械手复位，完成焊接过程。

Claims (6)

1.一种激光深熔-钎焊连接异种材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用有机溶剂除去第一母材和第二母材上下表面和对接端面的杂质,并采用专用激光焊接夹具装夹可靠；
步骤2：激光焊接头固定在焊接机械手上，可随机械手旋转任意角度；
步骤3：高压气柱喷嘴与激光焊接头相连，两者所成夹角α为15°~ 25°；
步骤4：焊接保护气体喷管与激光焊接头相连，与工件表面所成夹角β为30°~ 60；
步骤5：将红外温度传感器安装在焊接平台下方，要求焊接起始阶段能实时采集到母材背面温度;
步骤6：启动激光焊接系统，保护气体喷管吹送保护气体，激光束垂直辐照第一母材上表面；
步骤7：红外温度采集系统将红外传感器获取的图像信号转化为视频电信号，图像采集卡将视频信号转化为数字信号存储在计算机内存中，当温度超过母材气化的温度值时，计算机向控制系统发出偏转角度的信号，通过I/O单元发给机器人控制系统，焊接机械手末端轴旋转，使得高压气柱喷嘴处于竖直方向；
步骤8：机器人控制系统发信号控制高压喷嘴供气阀门，高压气柱喷嘴喷射惰性气体气柱贯穿焊接小孔，激光焊接头、高压气柱喷嘴和保护气体喷管同步移动，继续施焊；
步骤9：达到焊接末端点时，关闭高压气柱喷嘴开关，关闭激光发生器，关闭保护气体开关，焊接机械手复位，完成焊接过程。
2.根据权利要求1所述的激光深熔-钎焊连接异种材料的方法，其特征在于：步骤1中，第一母材为低熔点板材。
3.根据权利要求1所述的激光深熔-钎焊连接异种材料的方法，其特征在于：步骤1中，第一母材为高熔点板材。
4.根据权利要求1所述的激光深熔-钎焊连接异种材料的方法，其特征在于：步骤3中，高压气柱喷嘴与激光焊接头两者所成夹角α为15°~ 25°。
5.根据权利要求1所述的激光深熔-钎焊连接异种材料的方法，其特征在于：步骤4中，保护气体喷管与工件表面所成夹角β为30°~ 60°。
6.根据权利要求1所述的激光深熔-钎焊连接异种材料的方法，其特征在于：步骤8中，高压喷射的惰性气体气柱直径小于焊接小孔直径。
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