CN110052701A - 一种增加异种金属激光焊熔深的吸光涂料及激光焊方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于增加铝铜异种金属激光焊熔深的吸光涂层及激光焊工艺方法，所述吸光涂层采用涂敷碳基吸光涂料的方式形成。通过表面形成吸光涂层，同时结合铜在上铝在下的工艺方法，有效地解决了传统激光焊方法工艺复杂、激光利用率低、生产效率低等缺点，能够有效提高激光焊生产效率和熔深，同时提高焊接接头的力学性能。

Description

一种增加异种金属激光焊熔深的吸光涂料及激光焊方法
技术领域
本发明涉及新能源动力电池领域铝铜异种金属的焊接技术领域，尤其涉及一种铝铜异种金属的激光焊技术领域。
背景技术
随着人们对动力电池能量密度和续航里程的要求越来越高，一种有效的途径就是不同的部位选用不同的材料，以最优的材料和结构设计达到降低成本、重量、提高能量密度和续航里程的目的。其中的代表就是铝铜异种金属的连接。激光焊由于其能量密度高、焊接速度快、热输入小、焊接变形小等优点，广泛应用于异种金属的焊接。然而，铝和铜的发射率高，使得这两种金属对于激光功率吸收率较低，铝铜异种金属搭接焊时很容易出现虚焊、未熔合、熔深浅等问题，导致接头拉伸强度较低。
目前大多企业或研究机构不用涂层或使用的涂料含有较多水分，涂抹后需要烘干或长时间才能晾干，而且对激光的吸收率不超过85％。虽然也能达到铝铜激光焊的目的，但是存在工艺复杂(比如控制间隙)、涂料干燥时间长、吸收率不高、效率低等缺点，不利于对激光焊生产效率的提高和激光能量利用率的提高。
公开号为CN105414804B的中国专利中公开了一种激光焊接增强涂层及其波形在铜、铝焊接中的应用，一方面使用一种激光焊接增强涂层，该激光焊接增强涂层以炭黑为主染料、硼砂、橡胶类成膜剂、水为溶剂、羧甲基纤维素作为分散剂制成，增强焊材对激光束能量的吸收，降低焊材对激光的反射；另一方面激光脉冲波形采用梯形脉冲波进行焊接，使激光束能量逐渐进入被焊件，起到预热作用。然而该方法采用含水分较多的增强涂层，存在上述涂料干燥时间长、吸收率不高的缺点，并且采用的特殊激光脉冲波形进行焊接，使得该方法对设备要求较高、操作工艺复杂。
公开号为CN108817660A的中国专利公开了一种铜铝焊接的激光焊接方法，该方法中对铜件和铝件进行定位，使铜件与铝件之间形成有焊缝；通过高频调制脉冲点焊对所述焊缝进行焊接，使激光束作用于所述焊缝处气化以形成熔池；以及通过控制所述脉冲点焊的占空比，以预定焊接速度进行焊接，同时对所述焊缝吹保护气体。此方法采用高频脉冲激光焊实现的铝铜异种金属的激光焊，一方面铝铜对光的反射率高吸收率低熔池较浅，另一方面对激光焊设备的要求较高，必须具备高频脉冲功能。
发明内容
本发明针对现有技术中的上述缺陷，提供了一种增加铝铜激光焊熔深的工艺方法，旨在解决传统激光焊方法工艺复杂、激光利用率低、生产效率低等缺点，能够有效提高激光焊生产效率和熔深，同时提高焊接接头的力学性能。
为了解决上述技术问题，本发明提出如下技术方案：
一种用于增加铝铜异种金属激光焊熔深的工艺方法，包括以下步骤：
步骤一，剪板制作试件，制作铝铜异种金属激光焊所需的铝板和铜板试件；
步骤二，待焊件的表面激光清洗，清洗去除待焊件表面的油污和氧化膜；
步骤三，焊件装夹，将待焊件清洗后的金属安装到装夹上；
步骤四，涂敷吸光涂层，在清理干净的待焊接件表面形成所述吸光涂层，涂层厚度不超过0.2mm；
步骤五，激光焊接，对形成所述吸光涂层的金属表面进行激光焊接，激光能量密度不小于6.01×105w/cm2，且不大于1.47×106w/cm2。
进一步地，所述吸光涂层可以通过涂敷吸光涂料的方式形成。所述吸光涂料包括碳基材料、橡胶成膜剂、硼砂和有机溶剂，各组分的重量百分比为：碳基材料85％～90％、有机溶剂5％～9％、橡胶成膜剂3％～5％、硼砂 1％～2％，所述吸光涂层的吸收率高于95％；优选地，所述碳基材料为石墨或炭黑中的一种或多种；优选地，所述有机溶剂为丙烯酸酯或乙酸乙酯或乙酸丁酯中的一种或多种
进一步地，剪板制作试件包括用剪板宽度、长度均不小于1mm的数控剪板机剪切厚度均为0.3mm的T2铜板和1060纯铝，尺寸为100mm× 20mm。
进一步地，待焊件的表面激光清洗包括用平均功率不低于100W、脉冲频率不低于105Hz激光清洗设备清除待焊试件表面的油污和氧化膜，至可见金属光泽。
进一步地，其特征在于：焊件装夹具体为将铝板放置在铜板的下面，用快速压紧机构压紧铜板和铝板，间隙不大于0.1mm。
进一步地，激光焊接操作条件为激光功率不低于2000W的YAG/光纤激光焊对试板进行焊接，激光功率W＝1700w～1850w，离焦量f＝0mm，光斑直径d＝0.4mm～0.6mm，保护气体流量Q＝25L/min，焊接速度 v＝120mm/s～160mm/s。
本发明的有益效果是：
铜在铝上避免了铝的过热和烧损，铜的熔点高于铝的熔点，当激光功率密度大于易形成深熔焊8.5×106w/cm2时易形成深熔焊，熔深可达母材总厚度的100％。
本发明采用石墨涂料，比炭黑涂料的吸光率提高了10％，从而增加了激光的利用率，同样功率的激光焊工艺，焊接深度也增加。
本发明技术方案通过涂敷吸光涂层，同时结合铜在上铝在下的工艺方法，能够有效提高激光焊生产效率和熔深，同时提高焊接接头的力学性能。
附图说明
图1为本发明的铝铜异种金属激光焊工艺方法示意图。
图2为本发明的铝铜异种金属激光焊焊缝横截面图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
1.石墨涂料的制作：
石墨涂料的制作：用天平按重量百分比称量石墨90％、丙烯酸酯5％、橡胶3％、硼砂2％放在烧杯用进行混合，搅拌均匀即可用于涂覆；
2.剪板制作试件：用剪板宽度、长度均不小于1mm的数控剪板机剪切厚度均为0.3mm的铜T2和铝1060，尺寸为100mm×20mm；
3.待焊件的表面激光清洗：用平均功率不低于200W、脉冲频率105Hz 激光清洗设备清除待焊试件表面的油污和氧化膜，见金属光泽；
4.焊件装夹：将铝板放置在铜板的下面，用快速压紧机构压紧铜板和铝板，间隙不大于0.1mm(用塞尺测量)；
5.石墨涂料的涂覆：用毛刷将吸收材料均匀涂抹于待焊位置两侧宽度不小于2mm，黑色吸收材料刚刚覆盖待焊位置即可，涂层厚度0.2mm；
6.激光焊接：采用Nd：YAG/光纤激光焊对试板进行焊接，工艺参数范围如下：激光功率W＝1700w，离焦量f＝0mm，光斑直径d＝0.4mm，保护气体流量Q＝25L/min，焊接速速v＝135mm/s。
激光焊接设备为英国GSI集团公司生产的JK2003SM型激光器， JK2003SM型Nd：YAG固体激光器的各项参数如表1所示：
表1 JK2003SM型Nd：YAG固体激光器的参数
图2为本实施例条件下铜铝异种金属激光焊接焊缝横截面的照片。本发明技术方案将激光的利用率提高了10％，结合铜在上铝在下的工艺方法将熔深从原来的60％提高到了100％，接头强度由原来母材强的51％提高到了母材强度的73％。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种用于增加铝铜异种金属激光焊熔深的工艺方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一，剪板制作试件，制作铝铜异种金属激光焊所需的铝板和铜板试件；
步骤二，待焊件的表面激光清洗，清洗去除待焊件表面的油污和氧化膜；
步骤三，焊件装夹，将待焊件清洗后的金属装夹到工作台上；
步骤四，涂覆吸光涂层，在清理干净的待焊接件表面形成所述吸光涂层，涂层厚度不超过0.2mm；
步骤五，激光焊接，对形成所述吸光涂层的金属表面进行激光焊接，激光能量密度不小于6.01×105w/cm2，且不大于1.47×106w/cm2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述吸光涂层可以通过毛刷涂敷、喷涂、浸渍的方式形成。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述吸光涂料包括碳基材料、橡胶成膜剂、硼砂和有机溶剂，各组分的重量百分比为：碳基材料85％～90％、有机溶剂5％～9％、橡胶成膜剂3％～5％、硼砂1％～2％，所述吸光涂层的吸收率高于95％；所述碳基材料为石墨或炭黑中的一种或多种；所述有机溶剂为丙烯酸酯或乙酸乙酯或乙酸丁酯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：剪板制作试件包括用剪板宽度、长度均不小于1mm的数控剪板机剪切厚度均为0.3mm的T2铜板和1060纯铝，尺寸为100mm×20mm。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：待焊件的表面激光清洗包括用平均功率不低于100W、脉冲频率不低于105Hz激光清洗设备清除待焊试件表面的油污和氧化膜，至可见金属光泽。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：焊件装夹具体为将铝板放置在铜板的下面，用快速压紧机构压紧铜板和铝板，间隙不大于0.1mm。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于：激光焊接操作条件为激光功率不低于2000W的YAG/光纤激光焊对试板进行焊接，激光功率W＝1700w～1850w，离焦量f＝0mm，光斑直径d＝0.4mm～0.6mm，保护气体流量Q＝25L/min，焊接速度v＝120mm/s～160mm/s。
8.一种增加异种金属激光焊熔深的吸光涂料，其特征在于，所述吸光涂料包括碳基材料、橡胶成膜剂、硼砂和有机溶剂，各组分的重量百分比为：碳基材料85％～90％、有机溶剂5％～9％、橡胶成膜剂3％～5％、硼砂1％～2％，所述吸光涂层的吸收率高于95％。
9.根据权利要求8所述的吸光涂料，其特征在于，所述碳基材料为石墨或炭黑中的一种或多种；所述有机溶剂为丙烯酸酯或乙酸乙酯或乙酸丁酯中的一种或多种。
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