CN110238523A - 一种非晶合金、其激光焊接方法以及焊接辅助装置 - Google Patents

一种非晶合金、其激光焊接方法以及焊接辅助装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种非晶合金、其激光焊接方法以及焊接辅助装置，涉及激光焊接技术领域。非晶合金激光焊接方法包括：将待焊件进行激光焊接并对焊缝处进行冷却，在激光焊接时根据如下公式调节热输入E，热输入E＝T×E0；其中：热输入E为激光功率和焊接速度之间的比值，单位为J/mm，激光功率单位为W，焊接速度单位为mm/s；T为待焊件的实际厚度，单位为mm；E0为待焊件的基础厚度为1mm时对应的基础热输入，且基础热输入为5.5‑6.2J/mm。焊接辅助装置能够在焊接过程中对待焊件进行冷却，使热影响区的热量快速传导，有利于解决非晶接头晶化问题。

Description

一种非晶合金、其激光焊接方法以及焊接辅助装置
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域，且特别涉及一种非晶合金、其激光焊接方法以及焊接辅助装置。
背景技术
非晶合金具有高强度、高硬度、耐腐蚀等优点，在消费电子、医疗器械、汽车制造等领域具有可观的应用价值。随着应用需求的提高，非晶合金朝着大尺寸和与晶态材料的复合使用的方向发展。但由于非晶合金的制备需要急速冷却，而急速冷却只有在非晶合金尺寸较小时才能够实现，所以非晶合金尺寸目前都比较小，一般在毫米或厘米级。另外在室温下，承受过高的剪切力时，非晶合金中裂纹会迅速扩展最后导致其像玻璃一样发生毁灭性的脆断。这种脆断特性限制了非晶合金的机加工，从而不能通过机加工的方式实现大尺寸非晶合金的组合装配以及与晶态材料的复合使用。这些问题大大限制了非晶合金在工程领域内的应用，因此，开发非晶合金的连接技术能够有效解决非晶合金尺寸较小问题，对于非晶合金的广泛应用具有重要意义。
然而，由于非晶合金内部原子处于亚稳态，且材料热稳定性差，在焊接过程中长时间处于高于玻璃转化温度的条件下，容易产生晶化现象，导致其力学性能急剧下降，从而削弱了非晶合金的优异性能，制约了非晶合金在工程应用中的发展。非晶合金焊接方法主要有摩擦焊、闪光焊、爆炸焊、扩散焊、电子束焊和激光焊等。其中，激光焊接具有高能量密度热源，具有焊速快、热影响区小等优点，可利用激光焊接技术对镍基、镁基和钛基等非晶合金进行高效焊接。然而，非晶合金焊接需要解决焊缝的晶化问题，以保证焊接接头具备非晶的优异性能，尽管通过现有工艺优化能够实现具有良好形貌的焊接接头，但是焊缝中的晶化问题仍然难以完全解决。因此，非晶合金的激光焊接技术需进一步改进。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非晶合金及其激光焊接方法，旨在避免焊缝晶化问题的出现。
本发明的另一目的在于提供一种焊接辅助装置，其能够在焊接过程中对待焊件进行冷却，其能够使热影响区的热量快速传导，有利于解决非晶接头晶化问题。
本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。
本发明提出了一种非晶合金激光焊接方法，包括如下步骤：
将待焊件进行激光焊接并对焊缝处进行冷却，在激光焊接时根据如下公式调节热输入E，热输入E＝T×E0；
其中：热输入E为激光功率和焊接速度之间的比值，单位为J/mm，激光功率单位为W，焊接速度单位为mm/s；T为待焊件的实际厚度，单位为mm；E0为待焊件的基础厚度为1mm时对应的基础热输入，且基础热输入为5.5-6.2J/mm；
优选地，在T≤1mm时，控制焊接速度为125-135mm/s，激光功率为720-750W；
优选地，在1mm≤T<2mm时，控制焊接速度为120-140mm/s，激光功率为1500-1550W；
优选地，在2mm≤T<3mm时，控制焊接速度为120-135mm/s，激光功率为2200-2250W。
本发明还提出一种用于实施上述非晶合金激光焊接方法的焊接辅助装置，包括冷却装置主体，冷却装置主体的顶部为焊接平台，冷却装置主体上设置有冷却剂进口、冷却剂出口和连通冷却剂进口和冷却剂出口的冷却剂内部通道。
本发明还提出一种非晶合金，其应用上述非晶合金激光焊接方法焊接而得；优选地，非晶合金的焊缝为非晶化焊缝。
本发明实施例提供一种非晶合金及其激光焊接方法的有益效果是：其通过在激光焊接时对待焊件进行冷却，并通过调控激光功率和焊接速度，使焊接过程的热影响区在焊接过程中热量快速传导，避免了非晶接头晶化问题的出现。
本发明还提供了一种用于实施上述非晶合金激光焊接方法的焊接辅助装置，其能够在焊接过程中对待焊件进行冷却，使热影响区的热量快速传导，有利于解决非晶接头晶化问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明实施例提供的焊接辅助装置的正视方向的内部结构图；
图2为图1中焊接辅助装置的侧视图；
图3为图1中焊接辅助装置的俯视图；
图4为非晶合金接头截面形貌表征图；
图5为非晶合金接头X射线衍射表征图；
图6为无壳体保护下的焊缝实物图；
图7为有壳体保护下的焊缝实物图；
图8为对比例中未焊透的焊缝实物图；
图9为对比例中未焊透的焊缝实物图；
图10为对比例中晶化严重的焊缝实物图。
图标：100-焊接辅助装置；101-焊接平台；102-夹紧固定螺丝；110-冷却装置主体；111-冷却剂进口；112-冷却剂出口；113-冷却剂内部通道；114-焊缝凹槽；120-固定夹具；121-第一夹具；122-第二夹具；130-壳体；131-保护气进口；140-底座。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
下面对本发明实施例提供的一种非晶合金、其激光焊接方法以及焊接辅助装置进行具体说明。
本发明实施例提供的一种非晶合金激光焊接方法，其包括如下步骤：将待焊件进行激光焊接并对焊缝处进行冷却，在激光焊接时根据如下公式调节热输入E，热输入E＝T×E0；其中：热输入E为激光功率和焊接速度之间的比值，单位为J/mm，激光功率单位为W，焊接速度单位为mm/s；T为待焊件的实际厚度，单位为mm；E0为待焊件的基础厚度为1mm时对应的基础热输入，且基础热输入为5.5-6.2J/mm。
需要说明的是，发明人通过在激光焊接的同时对待焊件的焊缝处进行冷却，并调控激光功率和焊接速度，使热输入E控制在一定范围内，能够使非晶合金的焊接部位特别是热影响区的热量快速传导，从而避免了非晶接头晶化问题的出现。
具体地，根据待焊件的厚度调节热输入E，如厚度为2mm时实际热输入为基础热输入的2倍，即11-12.4；如厚度为1.5mm时实际热输入为基础热输入的1.5倍，即8.25-9.3。非晶合金的实际厚度与基础厚度的比值与实际热输入与基础热输入的比值相适应即大致相等。
优选地，在T≤1mm时，控制焊接速度为125-135mm/s，激光功率为720-750W；优选地，在1mm≤T<2mm时，控制焊接速度为120-140mm/s，激光功率为1500-1550W；优选地，在2mm≤T<3mm时，控制焊接速度为120-135mm/s，激光功率为2200-2250W。在待焊件的厚度不同时，焊接速度和激光功率的取值范围也控制在一定的范围内为宜。
优选地，对焊缝处进行冷却是将待焊件置于冷却装置上，其中，冷却装置上设置有冷却剂通道；优选地，冷却装置的材质为黄铜、紫铜或黄金。通过黄铜或黄金材质的冷却装置提升热传导速率，能够进一步将热影响区的热量快速传导。
优选地，待焊件与冷却装置的接触面上设置有用于与焊缝位置对应的焊缝凹槽，焊缝凹槽能够避免在焊接过程中待焊件和冷却装置焊接为一起。
具体地，冷却剂的温度为10-20℃；优选地，冷却剂为冷却水或液氮。在其他实施例中也可以为冷却用油等冷却介质，一般满足不和冷却装置的材质发生反应的介质均可作为冷却剂使用。一般冷却装置的进液口和出液口与压缩机连接，将冷却剂通入冷却装置中的内部管道并形成流通回路。
优选地，焊接过程在保护气的气氛中进行，保护气的气氛避免了氧气的存在，能够防止焊接接头氧化。在一些实施例中，保护气为氩气等惰性气体，均能够起到防止接头氧化的效果。
具体地，非晶合金选自锆基合金、镁基合金、铁基合金、镍基合金和铝基合金中的任意一种。以上几种非晶合金均适合于本发明实施例中提供的焊接方法，能够有效解决非晶接头晶化问题。
在一些实施例中，在进行焊接之前，将待焊件进行表面处，以去除表面杂质。优选地，表面处理过程包括：对非晶合金表面进行打磨，再进行超声清洗。对非晶合金表面进行打磨依次采用240目、1000目和2000目的砂纸进行打磨；超声清洗过程是采用无水乙醇进行超声震荡3-5min。通过对表面打磨以去除表面氧化物及粘附污染物。
请参照图1-图3，本发明实施例还提供了一种用于实施上述非晶合金激光焊接方法的焊接辅助装置100，包括冷却装置主体110，冷却装置主体110的顶部为焊接平台101，冷却装置主体110上设置有冷却剂进口111、冷却剂出口112和连通冷却剂进口111和冷却剂出口112的冷却剂内部通道113。通过在冷却装置主体110上的焊接平台101上进行焊接，能够在焊接过程中对待焊件进行冷却，特别是使焊缝处的热量快速散失。
优选地，焊接平台101上设置有与待焊件焊缝相对应的焊缝凹槽114，焊缝凹槽114能够避免在焊接过程中待焊件和冷却装置焊接为一起。优选地，冷却剂内部通道113为蛇形，蛇形的通道能够使冷却装置的整体温度更加均匀，进一步提升了散热速率。
在一些实施例中，焊接平台101上设置有用于固定待焊件的固定夹具120，固定夹具120与焊接平台101可拆卸连接，当需要焊接时将固定夹具120拆卸下来使待焊件的焊缝对准焊缝凹槽114，然后再将固定夹具120进行安装固定，防止待焊件在焊接过程中发生位移。具体地，固定夹具120可以通过夹紧固定螺丝102进行固定。
优选地，固定夹具120包括第一夹具121和与第一夹具121相对应的第二夹具122，第一夹具121和第二夹具122分别位于焊缝凹槽114的两侧，第一夹具121靠近第二夹具122的一侧端面为斜面，第二夹具122靠近第一夹具121的一侧端面为斜面。在第一夹具121和第二夹具122之间形成焊接的空间，便于进行焊接；将第一夹具121和第二夹具122的端面设置为斜面，可以进一步增大焊接的空间，使焊接过程更加方便。
焊接辅助装置100还包括壳体130和固定于壳体130内腔的底座140，冷却装置主体110固定于底座140上，壳体130上设置有保护气进口131，壳体130的顶壁上设置有供激光穿过的焊接开口(图未示)。壳体130为焊接过程提供气体保护腔，将壳体130和冷却装置主体110设置为一体是一种新型的焊接辅助装置。壳体130可以为透明的亚克力材料，便于观察到壳体130内腔的工作情况。
本发明实施例还提供了一种非晶合金，其应用上述晶合金激光焊接方法焊接而得；优选地，非晶合金的焊缝为非晶化焊缝。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
以下具体实施例采用本发明中提供的焊接辅助装置100，但是显然焊接方法并不依赖于焊接辅助装置100，只要对焊接处起到冷却效果并控制焊接参数就能够达到避免焊缝晶化的效果。
实施例1
本实施例提供一种非晶合金激光焊接方法，其包括以下步骤：
(1)依次采用240目、1000目、2000目砂纸对非晶合金进行打磨，再浸入无水乙醇中，超声振荡3min。(2)把厚度为1mm的两个锆基合金待焊件装夹于冷却装置主体(材质为黄铜)的焊接平台上，焊缝与焊缝凹槽对准，通过夹具及螺丝夹紧固定。(3)将冷却装置主体的进水口与出水口与压缩机连接，将冷却水通入冷却装置中的内部管道，并形成流通回路，冷却水的温度为10℃。(4)将氩气从进气口通入壳体中，持续进气10分钟，待装置内的空气完全排出。(5)进行激光焊接，激光从壳体上方的空槽入射至焊缝位置，焊接过程持续通入氩气，激光功率为720W，焊接速度130.9mm/s(即热输入E为5.5J/mm)。
实施例2
本实施例提供一种非晶合金激光焊接方法，其包括以下步骤：
(1)把厚度为1mm的两个镁基合金待焊件装夹于冷却装置主体(材质为黄金)的焊接平台上，焊缝与焊缝凹槽对准，通过夹具及螺丝夹紧固定。(2)将冷却装置主体的进水口与出水口与压缩机连接，将冷却液氮通入冷却装置中的内部管道，并形成流通回路，冷却水的温度为20℃。(3)将氩气从进气口通入壳体中，持续进气20分钟，待装置内的空气完全排出。(4)进行激光焊接，激光从壳体上方的空槽入射至焊缝位置，焊接过程持续通入氩气，激光功率为750W，焊接速度120.1mm/s(即热输入E为6.2J/mm)。
实施例3
本实施例提供一种非晶合金激光焊接方法，其包括以下步骤：
(1)依次采用240目、1000目、2000目砂纸对非晶合金进行打磨，再浸入无水乙醇中，超声振荡5min。(2)把厚度为2mm的两个铁基合金待焊件装夹于冷却装置主体(材质为紫铜)的焊接平台上，焊缝与焊缝凹槽对准，通过夹具及螺丝夹紧固定。(3)将冷却装置主体的进水口与出水口与压缩机连接，将冷却水通入冷却装置中的内部管道，并形成流通回路，冷却水的温度为10℃。(4)将氩气从进气口通入壳体中，持续进气10分钟，待装置内的空气完全排出。(5)进行激光焊接，激光从壳体上方的空槽入射至焊缝位置，焊接过程持续通入氩气，激光功率为730W，焊接速度60.1mm/s(即热输入E为12.1J/mm)。
实施例4
本实施例提供一种非晶合金激光焊接方法，其包括以下步骤：
(1)依次采用240目、1000目、2000目砂纸对非晶合金进行打磨，再浸入无水乙醇中，超声振荡5min。(2)把厚度为1.5mm的两个镍基合金待焊件装夹于冷却装置主体(材质为黄铜)的焊接平台上，焊缝与焊缝凹槽对准，通过夹具及螺丝夹紧固定。(3)将冷却装置主体的进水口与出水口与压缩机连接，将冷却水通入冷却装置中的内部管道，并形成流通回路，冷却水的温度为10℃。(4)将氩气从进气口通入壳体中，持续进气10分钟，待装置内的空气完全排出。(5)进行激光焊接，激光从壳体上方的空槽入射至焊缝位置，焊接过程持续通入氩气，激光功率为710W，焊接速度78.9mm/s(即热输入E为9J/mm)。
对比例1
本对比例提供一种非晶合金激光焊接方法，其采用现有的焊接方法，不借助本申请中的焊接辅助装置，也不进行接头处冷却，其他工艺参数与实施例1相同，具体为：
依次采用240目、1000目、2000目砂纸对非晶合金进行打磨，再浸入无水乙醇中，超声振荡3min。对厚度为1mm的锆基合金待焊件进行激光焊接，焊接过程中在氩气气氛中进行，激光功率为720W，焊接速度130.9mm/s(即热输入E为5.5J/mm)。
对比例2
本对比例提供一种非晶合金激光焊接方法，其具体过程与实施例1大致相同，不同之处在于：辅助焊接装置无壳体保护，焊接过程不通入氩气。
对比例3
本对比例提供一种非晶合金激光焊接方法，其具体过程与实施例1大致相同，不同之处在于：激光功率为720W，焊接速度160mm/s(即热输入E为4.5J/mm)。
对比例4
本对比例提供一种非晶合金激光焊接方法，其具体过程与实施例1大致相同，不同之处在于：激光功率为720W，焊接速度103mm/s(即热输入E为7.0J/mm)。
对比例5
本对比例提供一种非晶合金激光焊接方法，其具体过程与实施例1大致相同，不同之处在于：激光功率为500W，焊接速度91mm/s(即热输入E为5.5J/mm)。
对比例6
本对比例提供一种非晶合金激光焊接方法，其具体过程与实施例1大致相同，不同之处在于：激光功率为900W，焊接速度164mm/s(即热输入E为5.5J/mm)。
对比例7
本对比例提供一种非晶合金激光焊接方法，其具体过程与实施例1大致相同，不同之处在于：待焊件为厚度为1.5mm的锆基合金。
对比例8
本对比例提供一种非晶合金激光焊接方法，其具体过程与实施例1大致相同，不同之处在于：待焊件为厚度为2.5mm的锆基合金。
试验例1
将实施例1和对比例1中焊接得到的合金材料进行采用扫描电镜进行形貌表征，结果见图4。
由图4可知，无冷却辅助的非晶合金接头热影响区中存在严重的晶化现象，而利用冷却辅助手段的接头中未观察到晶化现象。
试验例2
将实施例1和对比例1中焊接得到的合金材料进行采用X射线衍射进行表征，结果见图5。
由图5可知，在无冷却辅助的接头中出现明显的尖锐衍射峰，而在冷却辅助焊接而得的接头中仅有一个非晶“馒头峰”，进一步证实本发明提出的方法有利于抑制非晶合金在焊接过程中发生晶化。
试验例3
将实施例1和对比例2中的焊缝状态，结果见图6和图7。图6为无壳体保护下的焊缝状态图，焊缝发黑且凹凸不平；图7为实施例1中有壳体保护下的焊缝状态图，焊缝外观光亮平整。
试验例4
将实施例1-4和对比例3-8得到的焊缝进行对比，经测试实施例1-4均没有出现焊缝晶化现象，对比例3、5、6、7、8均出现未焊透的现象，对比例4出现大量晶化现象。图8、图9为对比例3、5、6、7、8未焊透现象的典型结果，图8对应对比例5，图9对应对比例3，其他对比例未焊透的现象在此不一一展示实物图。图10为对比例4中对应的实物图，出现严重的晶化现象。
综上所述，本发明提供的一种非晶合金激光焊接方法，其通过在激光焊接时对待焊件进行冷却，并通过调控激光功率和焊接速度，使焊接过程的热影响区在焊接过程中热量快速传导，避免了非晶接头晶化问题的出现。由上述焊接方法焊接而得的合金材料的焊缝不会出现晶化问题。
本发明提供的一种用于实施上述非晶合金激光焊接方法的焊接辅助装置，其能够在焊接过程中对待焊件进行冷却，使热影响区的热量快速传导，有利于解决非晶接头晶化问题。
以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种非晶合金激光焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
将待焊件进行激光焊接并对焊缝处进行冷却，在激光焊接时根据如下公式调节热输入E，热输入E＝T×E0；
其中：热输入E为激光功率和焊接速度之间的比值，单位为J/mm，激光功率单位为W，焊接速度单位为mm/s；T为待焊件的实际厚度，单位为mm；E0为待焊件的基础厚度为1mm时对应的基础热输入，且基础热输入为5.5-6.2J/mm；
优选地，在T≤1mm时，控制焊接速度为125-135mm/s，激光功率为720-750W；
优选地，在1mm≤T<2mm时，控制焊接速度为120-140mm/s，激光功率为1500-1550W；
优选地，在2mm≤T<3mm时，控制焊接速度为120-135mm/s，激光功率为2200-2250W。
2.根据权利要求1所述的非晶合金激光焊接方法，其特征在于，对焊缝处进行冷却是将待焊件置于冷却装置上，其中，所述冷却装置上设置有冷却剂通道；
优选地，所述冷却装置的材质为黄铜、紫铜或黄金；
优选地，所述待焊件与所述冷却装置的接触面上设置有用于与焊缝位置对应的焊缝凹槽。
3.根据权利要求2所述的非晶合金激光焊接方法，其特征在于，所述冷却剂的温度为10-20℃；优选地，所述冷却剂为冷却水或液氮。
4.根据权利要求1所述的非晶合金激光焊接方法，其特征在于，焊接过程在保护气的气氛中进行；
优选地，所述保护气为氩气。
5.根据权利要求1所述的非晶合金激光焊接方法，其特征在于，所述非晶合金选自锆基合金、镁基合金、铁基合金、镍基合金和铝基合金中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的非晶合金激光焊接方法，其特征在于，在进行焊接之前，将待焊件进行表面处理；
优选地，表面处理过程包括：对非晶合金表面进行打磨，再进行超声清洗；
更优选地，对非晶合金表面进行打磨依次采用240目、1000目和2000目的砂纸进行打磨；
更优选地，所述超声清洗过程是采用无水乙醇进行超声震荡3-5min。
7.一种用于实施权利要求1-6中任一项所述非晶合金激光焊接方法的焊接辅助装置，其特征在于，包括冷却装置主体，所述冷却装置主体的顶部为焊接平台，所述冷却装置主体上设置有冷却剂进口、冷却剂出口和连通所述冷却剂进口和所述冷却剂出口的冷却剂内部通道；
优选地，所述焊接平台上设置有与待焊件焊缝相对应的焊缝凹槽；
优选地，所述冷却剂内部通道为蛇形。
8.根据权利要求7所述的焊接辅助装置，其特征在于，所述焊接平台上设置有用于固定待焊件的固定夹具，所述固定夹具与所述焊接平台可拆卸连接；
优选地，所述固定夹具包括第一夹具和与所述第一夹具相对应的第二夹具，所述第一夹具和所述第二夹具分别位于所述焊缝凹槽的两侧，所述第一夹具靠近所述第二夹具的一侧端面为斜面，所述第二夹具靠近所述第一夹具的一侧端面为斜面。
9.根据权利要求7所述的焊接辅助装置，其特征在于，所述焊接辅助装置还包括壳体和固定于所述壳体内腔的底座，所述冷却装置主体固定于所述底座上，所述壳体上设置有保护气进口，所述壳体的顶壁上设置有供激光穿过的焊接开口。
10.一种非晶合金，其特征在于，其应用权利要求1-6中任一项所述的晶合金激光焊接方法焊接而得；
优选地，所述非晶合金的焊缝为非晶化焊缝。
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