CN107378248A - 基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法 - Google Patents

基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法，包括以下步骤：调节激光焊接头，使激光焊接头发出激光光束的轴线与竖直方向的夹角为0°～10°，然后在氩气的保护下，通过电阻加热板对待焊板材的待焊区域进行预热，使待焊板材上待焊区域的温度高于母材的韧脆转变温度；开启激光器，采用梯形脉冲波形对激光器进行功率调制，激光器发出的激光脉冲沿焊接方向进行移动，完成待焊板材的焊接，得焊接后的工件，完成基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接，该焊接方法能够改善钼和钼合金脉冲激光焊接过程中的小孔稳定性，抑制气孔缺陷，提高钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊焊缝质量。

Description

基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法
技术领域
本发明属于焊接技术领域，涉及一种基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法。
背景技术
钼及钼合金是高温难熔金属合金，具有高强度、膨胀系数小、导电性好及耐腐蚀等特点，广泛运用在国防军工、航空航天和民用等领域，并已用于各种高新产品的研发：应用于半导体陶瓷基板、核燃料用UO2的烧结板材的耐高温抗变形钼板；应用于军工、电子电器工业、核能源设备以及医疗器械领域的高性能TZM钼合金板材；以及应用于电子束溅射靶材、离子注入机零件、半导体散热元件的高纯钼板材等。
钼及钼合金材料作为结构件实际使用时往往需要焊接，但其焊接面临以下主要问题：由气体杂质污染引起的性能变化和热循环造成的显微结构变化，出现的缺陷主要是气孔和裂纹。一方面，常温下钼及其合金较稳定，520℃以上开始缓慢氧化且随温度的升高其吸收氧的能力显著上升，当气体吸入量高时易引起焊缝气孔。另一方面，钼及钼合金在熔钎焊高温条件下，由于再结晶过程以及无固态相变，致使晶粒粗大。晶粒粗大致使钼及钼合金焊缝的力学性能不理想。焊接时焊点区域因高温作用而产生热应力，形成显微缺陷(如气孔)在热应力作用进一步发展，导致焊接裂纹倾向增大，甚至引发脆断。
激光焊接作为一种低热输入的精密焊接方法，用于钼及钼合金焊接具有多重优势。其激光光源能量密度高，热输入小，焊接速度快，可获得热影响区小、晶粒相对细小的焊缝。而脉冲激光作为非连续的周期性激光热源，又有其特点。脉冲焊接过程中，后一个脉冲对前一个脉冲的二次加热作用，会使两个脉冲光斑重叠区域的晶粒发生重熔，相较于连续激光焊，可起到细化晶粒的作用。
相较于传统焊接，脉冲激光焊虽然一定程度上可以有效地改善钼及钼合金焊接过程中晶粒粗大的问题，但由于钼及钼合金本身的理化特性和激光焊的特点，气孔问题仍然明显。在激光焊接中，为得到一定熔深的焊缝，焊接模式为“深熔焊”，其本质特征是在焊接时存在匙孔效应。即激光功率大于阈值时，母材表面迅速熔化及气化，随之产生的高温金属蒸汽对金属表面施加反冲作用力，克服液态金属的表面张力并把熔融的金属吹向四周，形成匙孔。由于匙孔的存在，熔池对激光的吸收率大大提高，使焊缝熔深得到极大提高。但匙孔在焊接过程中处于开放状态，熔池会卷入气体，再加上钼及钼合金高温下对氧气、氮气的吸收率急剧提升，因此钼及钼合金激光焊接过程中熔池易卷入气体；同时焊接过程中熔池处于周期性变化，液态金属从前沿向后沿流动，加上金属蒸发造成的扰动，有可能将小孔拦腰折断，使卷入熔池的气体滞留在焊缝当中而产生气孔。图5为不进行波形调制下的钼及钼合金脉冲激光焊缝表面形貌及横截面显微组织，可以观察到焊缝表面成型差，横截面中存在明显的气孔，因此需要设计出一种焊接方法，以改善小孔的稳定性，抑制气孔缺陷，提高焊缝的质量。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法，该焊接方法能够改善钼和钼合金脉冲激光焊接过程中的小孔稳定性，抑制气孔缺陷，提高钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊焊缝质量。
为达到上述目的，本发明所述的基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法包括以下步骤：
1)对待焊板材进行预处理，再将待焊板材通过夹具夹持于基座上，其中，基座上开设有底槽，底槽内设置有电阻加热板，待焊板材覆盖于底槽上，待焊板材的材质为钼或钼合金；
2)将气体保护罩扣合于待焊板材上，再向气体保护罩及底槽内通入氩气，并调节激光焊接头，使激光焊接头发出激光光束的轴线与竖直方向的夹角为0°～10°，然后在氩气的保护下，通过电阻加热板对待焊板材的待焊区域进行预热，使待焊板材上待焊区域的温度高于母材的韧脆转变温度；
3)开启激光器，采用梯形脉冲波形对激光器进行功率调制，激光器发出的激光脉冲沿焊接方向进行移动，完成待焊板材的焊接，得焊接后的工件；
4)关闭激光器，通过电阻加热板对焊接后工件上的焊接区域进行加热并保温，并维持氩气保护直至工件冷却至室温为止，完成基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接。
钼合金为钼钨合金、合金元素含量小于等于2wt％的钼合金、或第二相掺杂物含量小于等于2wt％的钼合金。
待焊板材的厚度为1-2mm。
步骤1)中对待焊板材进行预处理的具体操作为：将待焊板材通过砂纸进行打磨，去除待焊板材表面的氧化物及杂质，再使用丙酮进行擦洗。
氩气的纯度为99.999％。
步骤2)中向气体保护罩内通入流量为30L/min-40L/min的氩气；
步骤2)中向底槽内通入流量为20L/min-30L/min的氩气。
步骤2)中通过电阻加热板对待焊板材的待焊区域进行预热，使待焊板材上待焊区域的温度预热至450℃-550℃。
PP*tP＝n*K*E，其中，PP为激光器发出的激光脉冲的峰值功率，tP为激光脉冲波形处于峰值的持续时间，n为待焊板材的厚度，E为理论上待焊板材被焊透所需的能量，当待焊板材的材质为钼时，则K＝0.9-1.0；当待焊板材的材质为钼钨合金时，则K＝1.4-1.6。
激光脉冲波形中上升沿的持续时间ti＝b*tP，其中，b＝0.2-0.6；
激光脉冲波形中下降沿的持续时间td＝d*tP，其中，d＝0.4-0.8。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法在具体操作时，通过采用梯形脉冲波形对激光器进行功率调制，激光器发出的激光脉冲沿焊接方向进行移动，完成待焊板材的焊接，从而使激光脉冲具有上升阶段、峰值阶段及下降阶段，在一个脉冲周期内，激光功率上升阶段产生的高温金属蒸汽对金属表面施加的反冲作用力，相较于无调制情况下的反冲作用力更缓和，防止熔池中的液态金属因反冲力过大而克服重力形成飞溅，因此小孔形成较为稳定；峰值阶段中，激光继续输入，小孔变深，达到一定的熔深以满足工件焊接需求；下降阶段，激光以一定速率降低，小孔周围熔池液流回流，冷却凝固后形成焊缝，可防止在无调制情况下，因激光功率突然降低至0而产生扰动，造成小孔坍塌，形成气孔，从而有效的提高钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊焊缝质量。另外，本发明中焊接结束后，通过电阻加热板对焊接后工件上的焊接区域进行加热并保温，并维持氩气保护直至工件冷却至室温为止，以防止焊缝氧化，提高焊缝的质量。经检测，本发明的到的焊缝强度可以达到母材抗拉强度的60％以上。
附图说明
图1为本发明的立体焊接示意图；
图2为本发明的二维焊接示意图；
图3为本发明采用的梯形激光脉冲波形图；
图4为实施例一中采用的常规矩形激光脉冲波形图；
图5a为实施例一得到的钼及钼合金脉冲激光焊缝表面的形貌图；
图5b为实施例一得到的钼及钼合金脉冲激光焊缝的横截面形貌图；
图6为实施例二中采用的梯形激光脉冲波形图；
图7a为实施例二得到的钼及钼合金脉冲焊缝表面形貌图；
图7b为实施例二得到的钼及钼合金脉冲焊缝的横截面形貌图；
图8为实施例三中采用的梯形激光脉冲波形图；
图9a为实施例三得到的钼及钼合金脉冲焊缝表面形貌图；
图9b为实施例三得到的钼及钼合金脉冲焊缝的横截面形貌图。
其中，1为待焊板材、2为基座、3为气体保护罩、4为激光焊接头、5为电阻加热板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1，本发明所述的基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法包括以下步骤：
1)对待焊板材1进行预处理，再将待焊板材1通过夹具夹持于基座2上，其中，基座2上开设有底槽，底槽内设置有电阻加热板5，待焊板材1覆盖于底槽上，待焊板材1的材质为钼或钼合金；
2)将气体保护罩3扣合于待焊板材1上，再向气体保护罩3及底槽内通入氩气，并调节激光焊接头4，使激光焊接头4发出激光光束的轴线与竖直方向的夹角为0°～10°，然后在氩气的保护下，通过电阻加热板5对待焊板材1的待焊区域进行预热，使待焊板材1上待焊区域的温度高于母材的韧脆转变温度；
3)开启激光器，采用梯形脉冲波形对激光器进行功率调制，激光器发出的激光脉冲沿焊接方向进行移动，完成待焊板材1的焊接，得焊接后的工件；
4)关闭激光器，通过电阻加热板5对焊接后工件上的焊接区域进行加热并保温，并维持氩气保护直至工件冷却至室温为止，完成基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接。
钼合金为钼钨合金、合金元素含量小于等于2wt％的钼合金、或第二相掺杂物含量小于等于2wt％的钼合金。
待焊板材1的厚度为1-2mm。
步骤1)中对待焊板材1进行预处理的具体操作为：将待焊板材1通过砂纸进行打磨，去除待焊板材1表面的氧化物及杂质，再使用丙酮进行擦洗。
氩气的纯度为99.999％。
步骤2)中向气体保护罩3内通入流量为30L/min-40L/min的氩气；
步骤2)中向底槽内通入流量为20L/min-30L/min的氩气。
步骤2)中通过电阻加热板5对待焊板材1的待焊区域进行预热，使待焊板材1上待焊区域的温度预热至450℃-550℃。
PP*tP＝n*K*E，其中，PP为激光器发出的激光脉冲的峰值功率，tP为激光脉冲波形处于峰值的持续时间，n为待焊板材1的厚度，E为理论上待焊板材1被焊透所需的能量，当待焊板材1的材质为钼时，则K＝0.9-1.0；当待焊板材1的材质为钼钨合金时，则K＝1.4-1.6。
激光脉冲波形中上升沿的持续时间ti＝b*tP，其中，b＝0.2-0.6；
激光脉冲波形中下降沿的持续时间td＝d*tP，其中，d＝0.4-0.8。
本发明中的梯形脉冲波形为图3所示，所述激光脉冲在初始阶段ti时间内激光功率迅速从0上升至峰值PP，然后在tp时段对待焊区域进行熔化焊接，最后激光功率在td时段内从PP下降至零；所述激光脉冲的峰值阶段功率PP、ti、tp及td之间由钼及钼合金的板厚及材料属性决定的，并呈一定比例关系。
实施例一
焊接一块纯钼板，尺寸为100x40x2mm；具体的，先将待焊的钼板用砂纸打磨干净，除去金属表面的氧化物及杂质，露出金属光泽。然后使用丙酮擦洗钼板；将钼板置于基座2上，并使用夹具装夹紧；焊前向气体保护罩3及基座2的底槽里通入纯度为99.999％的高纯氩气，正面气体流量为30L/min，背面气体流量为30L/min。调整激光焊接头4，使激光光束的中轴线与竖直方向夹角为5°。在氩气保护下，电阻加热板5将待焊区域预热至500℃；开启激光器，采用如图4所示的常规矩形脉冲波形对激光器进行功率调制，沿焊接方向进行焊接，其中，峰值功率阶段PP＝2500W，脉宽t＝10ms，焊接结束后，切断激光输出，电阻加热板5持续加热到焊接结束后2min，氩气保护持续到工件冷却至室温。获得表面成形不平整、气孔缺陷数量多、尺寸大的钼及钼合金焊缝，其中，焊缝表面形貌和横截面显微形貌如图5a及图5b所示。
实施例二
焊接一块纯钼板，尺寸为100x40x2mm；具体的，先将待焊的钼板用砂纸打磨干净，除去金属表面的氧化物及杂质，露出金属光泽，然后使用丙酮擦洗钼板，将钼板置于基座2上，并使用夹具装夹紧，焊前向气体保护罩3及基座2的底槽里通入纯度为99.999％的高纯氩气，正面气体流量为30L/min，背面气体流量为30L/min；调整激光焊接头4，使激光光束的轴线与竖直方向夹角为5°。在氩气保护下，通过电阻加热板5将待焊区域预热至500℃。开启激光器，采用如图6所示的梯形脉冲波形对激光器进行功率调制，沿焊接方向进行焊接，峰值功率阶段PP＝2100W，脉宽t＝15ms，峰宽tP＝6ms，上升阶段时间ti＝3ms，下降阶段时间td＝4ms，焊接结束后，切断激光输出，电阻加热板5持续加热到焊接结束后2min，氩气保护持续到工件冷却至室温，获得表面成形规则平整、气孔缺陷显著减少的钼及钼合金焊缝，其中，焊缝表面形貌和横截面形貌如图7a及图7b所示。
实施例三
焊接一块钼钨合金板，尺寸为200x60x1mm，具体的，先将待焊的钼板用砂纸打磨干净，除去金属表面的氧化物及杂质，露出金属光泽，然后使用丙酮擦洗钼板；将钼板置于基座2上，并使用夹具装夹紧；焊前向气体保护罩3和基座2的底槽里通入纯度为99.999％的高纯氩气，正面气体流量为40L/min，背面气体流量为20L/min；调整激光焊接头4，使激光光束的中轴线与竖直方向夹角为5°。在氩气保护下，通过电阻加热板5将待焊区域预热至450℃。开启激光器，采用如图8所示的梯形脉冲波形对激光器进行功率调制，沿焊接方向进行焊接。峰值功率阶段PP＝1500W，脉宽t＝20ms，峰宽tP＝8ms，上升阶段时间ti＝3ms，下降阶段时间td＝6ms，焊接结束后，切断激光输出，电阻加热板5持续加热到焊接结束后2min，氩气保护持续到工件冷却至室温，获得表面成形规则平整、气孔缺陷显著减少的钼及钼合金焊缝，其中，焊缝表面形貌和横截面形貌如图9a及图9b所示。

Claims (9)

1.一种基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)对待焊板材(1)进行预处理，再将待焊板材(1)通过夹具夹持于基座(2)上，其中，基座(2)上开设有底槽，底槽内设置有电阻加热板(5)，待焊板材(1)覆盖于底槽上，待焊板材(1)的材质为钼或钼合金；
2)将气体保护罩(3)扣合于待焊板材(1)上，再向气体保护罩(3)及底槽内通入氩气，并调节激光焊接头(4)，使激光焊接头(4)发出激光光束的轴线与竖直方向的夹角为0°～10°，然后在氩气的保护下，通过电阻加热板(5)对待焊板材(1)的待焊区域进行预热，使待焊板材(1)上待焊区域的温度高于母材的韧脆转变温度；
3)开启激光器，采用梯形脉冲波形对激光器进行功率调制，激光器发出的激光脉冲沿焊接方向进行移动，完成待焊板材(1)的焊接，得焊接后的工件；
4)关闭激光器，通过电阻加热板(5)对焊接后工件上的焊接区域进行加热并保温，并维持氩气保护直至工件冷却至室温为止，完成基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接。
2.根据权利要求1所述的基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法，其特征在于，钼合金为钼钨合金、合金元素含量小于等于2wt％的钼合金、或第二相掺杂物含量小于等于2wt％的钼合金。
3.根据权利要求1所述的基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法，其特征在于，待焊板材(1)的厚度为1-2mm。
4.根据权利要求1所述的基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法，其特征在于，步骤1)中对待焊板材(1)进行预处理的具体操作为：将待焊板材(1)通过砂纸进行打磨，去除待焊板材(1)表面的氧化物及杂质，再使用丙酮进行擦洗。
5.根据权利要求1所述的基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法，其特征在于，氩气的纯度为99.999％。
6.根据权利要求1所述的基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法，其特征在于，步骤2)中向气体保护罩(3)内通入流量为30L/min-40L/min的氩气；
步骤2)中向底槽内通入流量为20L/min-30L/min的氩气。
7.根据权利要求1所述的基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法，其特征在于，步骤2)中通过电阻加热板(5)对待焊板材(1)的待焊区域进行预热，使待焊板材(1)上待焊区域的温度预热至450℃-550℃。
8.根据权利要求1所述的基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法，其特征在于，PP*tP＝n*K*E，其中，PP为激光器发出的激光脉冲的峰值功率，tP为激光脉冲波形处于峰值的持续时间，n为待焊板材(1)的厚度，E为理论上待焊板材(1)被焊透所需的能量，当待焊板材(1)的材质为钼时，则K＝0.9-1.0；当待焊板材(1)的材质为钼钨合金时，则K＝1.4-1.6。
9.根据权利要求1所述的基于波形调制的钼及钼合金对接接头的脉冲激光焊接方法，其特征在于，
激光脉冲波形中上升沿的持续时间ti＝b*tP，其中，b＝0.2-0.6；
激光脉冲波形中下降沿的持续时间td＝d*tP，其中，d＝0.4-0.8。
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