CN109128507A - 利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法，属于异种金属的连接技术领域。通过数值计算的方法精确的控制激光的功率及照射位置从而实现扩散焊的连接，解决了在一些特殊的焊接结构或焊接位置所造成的无法直接加热待焊区域进行焊接的问题。焊接前对焊缝的温度场及应力场进行数值计算，以便于在实际焊接过程中对激光束照射的位置以及激光功率的精确选择。采用激光作为热源，通过精准控制激光焦点位置，实现特殊结构的扩散连接，最终得到成形良好，力学性能良好的焊缝。

Description

利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法

技术领域

本发明涉及异种金属的连接技术领域，特别涉及一种利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法，通过数值计算的方法精确的控制激光从而实现特殊焊接结构或焊接位置的扩散焊连接。

背景技术

随着汽车、航空航天工业等领域的高速发展以及全球资源及能源的紧缺，对于材料的轻量化及其综合性能要求越来越高，为了同时满足这些要求，并且还要保证一定的强度，在同种或异种金属材料的连接过程中，往往会出现较为复杂的结构，使得焊接过程变得较为复杂和困难，尤其是激光焊接的过程中，复杂的结构使得激光无法直接照射在待焊区域，为了完成这类特殊结构的焊接，需要制造特殊的夹具以及特殊的焊机，并且经过复杂的工艺步骤才能完成焊接，严重的影响了生产效率，增加了生产成本。

目前，对于异种金属特殊结构的焊接多采用钎焊或扩散焊的方法，例如对蜂窝板的焊接，通常采用钎焊的方法将起支撑作用的蜂窝状或其他形式的骨架焊接到外板上，但是这种方式无法保证钎料铺展的均匀性，在两板间有可能会产生大量的间隙，严重影响性能。在进行扩散焊接时，一般情况下需要对工件整体加热，并不适用于大中型结构，针对这样的结构件，通常需要设计特殊的加热炉或其他特殊的焊接设备，造成了生产成本的增加，工艺步骤的复杂性增加，并且不能保证每个焊接接头都具有良好的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法，解决在特殊情况下焊接过程中效率低、过程复杂以及接头性能差等问题。本发明通过数值计算的方法精确的控制激光从而实现特殊焊接结构或焊接位置的扩散焊连接，通过在焊接前对焊缝的温度场进行数值计算，以便于在实际焊接过程中对激光光束照射的位置以及激光功率的精确选择。扩散焊接要求待焊区域不熔化且温度达到材料熔化温度的0.6-0.8倍，在焊接的过程中需要待焊面紧密接触并且保持一定的压力，因此在扩散焊技术中，加热和加压是必要的技术手段。本发明采用激光作为热源，在待焊面附近进行局部加热，通过热传导加热待焊面至扩散焊所需温度，由于焊前工件各个方向的自由度已被夹具约束，在激光加热的过程中，金属的体积膨胀使得待焊面上会保持一定的压力，满足扩散所需要的条件。

本发明的上述目的通过以下技术方案实现：

利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法，包括如下步骤：

步骤（1）、建立模型进行数值计算，确定激光束加热位置：根据焊接的母材种类与焊接结构，利用有限元软件对焊缝的温度场及热循环进行计算，确定激光束照射的位置；

步骤（2）、焊前处理：焊接前先去除金属表面的油污、氧化膜及毛刺，将待焊接的板材用砂纸打磨平整、光滑，最后清洗吹干待用；

步骤（3）、根据不同的材料、焊接结构以及激光照射的位置，选取装夹位置与方法进行焊接，不直接加热待焊区域，而是采用激光照射母材的方式通过热量传导在待焊区域形成扩散焊接头；

步骤（4）、根据数值计算结果，调节激光照射位置与焊缝的间距以及激光功率，得到焊接工艺参数，获得成形良好、性能可靠的扩散焊接头。

异种金属，即母材之间的热导率相差3倍以下，激光照射在任一母材上；异种金属，即母材之间的导热率相差3倍以上，则激光仅照射在热导率低的母材上，根据不同的材料及结构建立对应的模型并划分网格，建立热源模型并设定参数，根据焊接温度场的计算结果确定激光束可以偏离待焊面的范围以及位置。

对于蜂窝板结构的焊接，激光照射在外板，对外板进行加热，通过热传导对蜂窝状支撑板进行加热，与外板之间形成扩散焊缝。

采用将激光光斑向一侧母材偏移的方式进行焊接，偏移的距离为0.6-4mm，通过热传导的方式对另一侧母材进行加热，最终形成扩散焊缝。

接头待焊接面加工成45°斜面，增加接触面积，从而增加扩散连接的面积；同时激光照射角度与斜面角度相同，平行于斜面入射进行焊接。

步骤（4）中所述的焊接工艺参数是：激光功率2~6kw，焊接速度为140~220mm/min，通过对功率或偏移距离的调节控制扩散焊焊缝的扩散层厚度及焊缝成形效果。

本发明的有益效果在于：

（1）焊接过程效率高，焊接过程稳定，焊缝表面成形美观，无裂纹、气孔以及接头间隙未填满等缺陷。

（2）在蜂窝板结构的焊接过程中，不使用钎料，从而避免钎料铺展不均匀或接头间隙未填满等缺陷，用激光作为热源，提高生产效率及焊缝成形质量。

（3）在大型结构件的对接接头中，不需使用大型加热炉对整个结构进行整体加热就可以实现扩散连接，用激光作为热源，并不需要额外的机构对工件施加压力，这样可以提高生产效率，降低生产成本。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为铝合金/钛合金接头温度场计算结果图；

图2、图3为铝合金/钛合金焊接过程及接头截面示意图；

图4为不锈钢/钛合金接头温度场计算结果图；

图5、图6为不锈钢/钛合金焊接过程及接头截面示意图；

图7为不锈钢/钛合金斜面接头温度场计算结果图；

图8、图9为不锈钢/钛合金斜面接头焊接过程及接头截面示意图。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。

参见图1至图9所示，本发明的利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法，通过数值计算的方法精确的控制激光的功率及照射位置从而实现扩散焊的连接，解决在一些特殊的焊接结构或焊接位置所造成的无法直接加热待焊区域进行焊接的问题。焊接前对焊缝的温度场及应力场进行数值计算，以便于在实际焊接过程中对激光束照射的位置以及激光功率的精确选择。采用激光作为热源，通过精准控制激光焦点位置，实现特殊结构的扩散连接，最终得到成形良好，力学性能良好的焊缝。包括如下步骤：

步骤（1）、建立模型进行数值计算，确定激光束加热位置：根据焊接的母材种类与焊接结构，利用有限元软件对焊缝的温度场及热循环进行计算，确定激光束照射的最佳位置；

步骤（2）、焊前处理：焊接前先去除金属表面的油污、氧化膜及毛刺等，将待焊接的板材用砂纸打磨平整、光滑，最后清洗吹干待用；

步骤（3）、根据不同的材料、焊接结构以及激光照射的位置，选取合适的装夹位置与方法进行焊接，不直接加热待焊区域，而是采用激光照射母材的方式通过热量传导在待焊区域形成扩散焊接头；

步骤（4）、根据数值计算结果，调节激光照射位置与焊缝的间距以及激光功率，得到最佳焊接工艺参数，获得成形良好、性能可靠的扩散焊接头。

所述步骤（1）中，如果异种金属（母材）的热导率相差不大，则激光可以照射在任一母材上；如果异种金属的导热率相差较大，则激光仅可以照射在热导率较低的母材上，否则无法应用此方法；如果异种金属都有比较高的热导率，则同样不适合用此种方法进行焊接。根据不同的材料及结构建立对应的模型并划分网格，建立热源模型并设定参数，根据焊接温度场的计算结果确定激光束可以偏离待焊接面的最大范围以及最佳位置。

步骤（2）中，将待焊金属板依次用600#、1000#和2000#砂纸进行打磨。

步骤（3）中，对于蜂窝板结构的焊接，激光照射在外板，对外板进行加热，通过热传导对蜂窝状支撑板进行加热，与外板之间形成扩散焊缝。对于大型结构需要实现对接接头的扩散连接，采用将激光光斑向一侧母材偏移的方式进行焊接，偏移的距离为0.6-4mm，通过热传导的方式对另一侧母材进行加热，最终形成扩散焊缝。对于大型结构需要实现对接接头的扩散连接，接头待焊接面加工成45°斜面，增加接触面积，从而增加扩散连接的面积；同时激光照射角度与斜面角度相同，平行于斜面入射进行焊接。

步骤（4）中激光光斑向母材金属的一侧偏移，距离待焊面0.6-4mm，激光功率2-6kw，焊接速度为140-220mm/min，通过对功率或偏移距离的调节可以控制扩散焊焊缝的扩散层厚度及焊缝成形效果。

实施例1：

蜂窝板结构焊接，T型接头。

参见图1所示，建立铝合金/钛合金异种金属角接接头模型，焊接前对焊接接头温度场进行数值计算，得到接头内的温度分布情况，确定激光照射位置如图1所示，激光功率为4-6kw，焊接速度为140-220mm/min。

参见图2及图3所示，采用本发明的方法进行铝合金/钛合金异种金属T型接头的焊接，将铝合金板1和钛合金板2固定在夹具上，激光束沿焊接轨迹3进行焊接，激光照射在外板钛合金板2，对其进行加热，使部分金属4熔化，通过热传导对蜂窝状支撑板进行加热，与外板之间形成扩散焊缝，得到扩散层5。

通过本发明的方法进行铝合金/钛合金焊接，焊接过程效率高，焊接过程稳定，焊缝表面成形美观，无裂纹、气孔以及接头间隙未填满等缺陷。在焊接过程中，不使用钎料，从而避免钎料铺展不均匀或接头间隙未填满等缺陷，用激光作为热源，提高生产效率及焊缝成形质量。

实施例2：

大型结构件焊接，对接接头。

参见图4所示，建立不锈钢/钛合金异种金属对接接头模型，对接头温度场进行数值计算，得到接头内的温度分布情况，确定工艺参数：激光功率为2-5kw，焊接速度为160-200mm/min。

参见图5及图6所示，采用本发明的方法进行不锈钢/钛合金异种金属的焊接，将钛合金板2和不锈钢板6固定在夹具上，激光束沿焊接轨迹3进行焊接，将激光光斑向钛合金板一侧偏移，距离待焊面0.6-4mm，熔化钛合金母材上部分金属4，通过从钛合金板一侧传导的热量使接触面的温度升高，产生扩散反应，形成扩散焊接头，得到扩散层5。

通过本发明的方法进行不锈钢/钛合金焊接，焊接过程效率高，焊接过程稳定，焊缝表面成形美观，无裂纹或气孔等缺陷。在大型结构件的对接接头中，不需使用大型加热炉对整个结构进行整体加热就可以实现扩散连接，用激光作为热源，提高了生产效率，降低了生产成本。

实施例3：

大型结构件焊接，45°斜面对接接头。

参见图7所示，建立不锈钢/钛合金异种金属对接接头模型，接头待焊面加工成45°斜面，增加接触面积，从而增加扩散连接的面积。同时激光照射角度需与斜面角度相同，平行于斜面入射，对接头温度场进行数值计算，得到接头内的温度分布情况，确定工艺参数，激光功率为3-6kw，焊接速度为160-220mm/min。

参见图8及图9所示，采用本发明的方法进行不锈钢/钛合金异种金属的焊接，将钛合金板2和不锈钢板6固定在夹具上，激光束沿焊接轨迹3进行焊接，将激光光斑向钛合金板1一侧偏移，距离待焊面0.6-4mm，熔化钛合金母材上部分金属4，通过从钛合金板一侧传导的热量使接触面的温度升高，形成扩散焊接头，得到扩散层5。

通过本发明的方法进行不锈钢/钛合金焊接，焊接过程效率高，焊接过程稳定，增加了扩散层的面积，提高了接头的强度，焊缝表面成形美观，无裂纹或气孔等缺陷，不需使用大型加热炉以实现扩散连接，用激光作为热源，提高了生产效率，降低了生产成本。

以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤（1）、建立模型进行数值计算，确定激光束加热位置：根据焊接的母材种类与焊接结构，利用有限元软件对焊缝的温度场及热循环进行计算，确定激光束照射的位置；

步骤（2）、焊前处理：焊接前先去除金属表面的油污、氧化膜及毛刺，将待焊接的板材用砂纸打磨平整、光滑，最后清洗吹干待用；

步骤（3）、根据不同的材料、焊接结构以及激光照射的位置，选取装夹位置与方法进行焊接，不直接加热待焊区域，而是采用激光照射母材的方式通过热量传导在待焊区域形成扩散焊接头；

步骤（4）、根据数值计算结果，调节激光照射位置与焊缝的间距以及激光功率，得到焊接工艺参数，获得成形良好、性能可靠的扩散焊接头。

2.根据权利要求1所述的利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法，其特征在于：异种金属，即母材之间的热导率相差3倍以下，激光照射在任一母材上；异种金属，即母材之间的导热率相差3倍以上，则激光仅照射在热导率低的母材上，根据不同的材料及结构建立对应的模型并划分网格，建立热源模型并设定参数，根据焊接温度场的计算结果确定激光束可以偏离待焊面的范围以及位置。

3.根据权利要求1所述的利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法，其特征在于：对于蜂窝板结构的焊接，激光照射在外板，对外板进行加热，通过热传导对蜂窝状支撑板进行加热，与外板之间形成扩散焊缝。

4.根据权利要求1所述的利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法，其特征在于：采用将激光光斑向一侧母材偏移的方式进行焊接，偏移的距离为0.6-4mm，通过热传导的方式对另一侧母材进行加热，最终形成扩散焊缝。

5.根据权利要求1所述的利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法，其特征在于：接头待焊接面加工成45°斜面，增加接触面积，从而增加扩散连接的面积；同时激光照射角度与斜面角度相同，平行于斜面入射进行焊接。

6.根据权利要求1所述的利用激光实现异种金属蜂窝板结构的扩散焊连接方法，其特征在于：步骤（4）中所述的焊接工艺参数是：激光功率2~6kw，焊接速度为140~220mm/min，通过对功率或偏移距离的调节控制扩散焊焊缝的扩散层厚度及焊缝成形效果。