CN110253146A - 一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺 - Google Patents

一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺。本发明方法待焊铝铜材料清洗，对焊接面施压，令铝位于铜上面，使用单模激光器，采用双楔形镜旋转振动焊接，通过安装于准直镜和聚焦镜之间的振动模块，焊接产生螺旋线式的焊缝。焊接时采用气体保护。本发明工艺与传统多模激光器焊接工艺相比，单模激光器在焊接时穿透力更强，可以获得更大的焊缝熔深，基于单模激光器在单色性和光径方面较多模激光器具有更加突出的优势，能够有效减少由于多模激光器的杂色光和光径较大造成的焊接边缘热效应，减少激光焊接时的铝和铜被氧化的副反应发生，降低铜铝脆性化合物的生成，使焊缝的力学强度更高，稳定性更好，实现铜铝异种材料的稳定高强度焊接。

Description

一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺
技术领域
本发明属于铜铝异种材料焊接工艺技术领域，具体涉及一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺。
背景技术
随着全球工业的发展和人们对能源节约意识的增强，产品的轻量化得到世界各国越来越多的重视，铝合金具有强度高，质量轻等特点，使用铝合金来代替铜等部件在工业应用中得到十分广泛的应用，从工业发展的经济角度及轻量化设计理念出发，在一些结构件中用铝取代铜或其它金属成为一种解决问题的途径，因此，解决铜铝两种不同金属之间的连接问题的成为铝代替铜的关键。
焊接技术在工业工程结构制造中是一种很重要的先进连接方式，而激光具有高能量密度的特点，在同种金属和异种金属的焊接中得到广泛研究和开发[1-6]。激光可以在极短时间内熔化熔点差异大的金属，然后焊缝经过迅速冷却，实现异种金属焊接目的。铜铝的异种材料，使用激光将铝和铜焊接在一起比较容易，但获得高强度的焊缝和力学稳定的焊缝一直是激光焊接铜铝材料的难题。
因此开发一种新的铜铝激光焊工艺，克服现有激光焊接方法中存在的缺陷，保证铜铝异种材料焊缝的力学强度和稳定性，已成为铝在工业产品轻量化市场方面取代铜的关键，是急需解决的问题。
发明内容
本发明提出了一种基于单模激光器的高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，单模激光器相比于多模激光器单色性更好，光的直径更小，并拥有完美的高斯光束质量，能量分布呈高斯分布，中间能量密度最高，三维图是一个尖圆的山峰状，光束质量优于多模，因此，相比多模激光器，单模激光器在焊接时穿透力更强，可以获得更大的焊缝熔深，由于单模激光器在单色性和光径方面较多模激光器具有更加突出的优势，因此，能够有效减少由于多模激光器的杂色光和光径较大造成的焊接边缘热效应，减少激光焊接时的铝和铜被氧化的副反应发生，降低铜铝脆性化合物的生成，使焊缝的力学强度更高，稳定性更好，实现铜铝异种材料的稳定高强度焊接。
本发明具体的技术方案如下：一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，包括以下步骤：
Step.1：对所述待焊接铝铜异种材料表面清洗；
Step.2：将清洗后的两块待焊铜铝板分别夹持在焊接工作平台上，焊接时，保证铝在铜的上面，即铝焊接在铜上面；
Step.3：对待焊接铜铝板施加一定压力，保证铜铝接触面紧密接触，最大间隙0.2mm；
Step.4：调节激光器的离焦量为1mm，当铝材料厚度超过1mm时，采用负离焦量，当铝材料厚度不大于1mm时，采用正离焦量；
Step.5：根据铜铝材料的厚度调节单模激光器的参数，所述激光焊接的功率为5kw，焊接速度为40mm/min；
Step.6：采用气体保护，气体的压强为0.6MPa，采用的是双楔形镜旋转振动焊接(即振镜)，焊缝形状是双螺旋型焊斑结构。
进一步的，所述Step.1中待焊接铝铜异种材料表面清洗，清洗采用超声波，清洗时间45分钟，清洗液体是酒精，清洗后，在55℃高温真空箱中烘干，时间30分钟。
进一步的，所述Step.1中的铜厚度为2mm，铝厚度为1mm。
进一步的，所述Step.1中的铜材料的纯度要98％，铜材料表面镀镍，镍的厚度为6um。
进一步的，所述Step.1中的铝材料为5052铝。
进一步的，所述Step.4中的激光器是单模TEM00激光器。
进一步的，所述Step.5中的单模激光器参数频率65HZ，振幅2.5mm，出光直径≤30um，当铝材料的厚度大于2mm时，激光直径＜20um，频率＞70HZ。
进一步的，所述Step.6中的气体为氮气，流速为20L/min。
进一步的，所述Step.6中的气体为CO2，流速为30L/min。
进一步的，所述Step.6中的气体为氩气，流速为10L/min。
本发明与现有技术相比，具有如下主要优点：本发明工艺与传统多模激光器焊接工艺相比，单模激光器在焊接时穿透力更强，可以获得更大的焊缝熔深，基于单模激光器在单色性和光径方面较多模激光器具有更加突出的优势，能够有效减少由于多模激光器的杂色光和光径较大造成的焊接边缘热效应，减少激光焊接时的铝和铜被氧化的副反应发生，降低铜铝脆性化合物的生成，使焊缝的力学强度更高，稳定性更好，实现铜铝异种材料的稳定高强度焊接。
附图说明
图1为本发明的工艺流程示意图；
图2为本发明实施例1的拉力强度曲线图；
图3为本发明实施例1的拉力强度曲线图；
图4为本发明实施例1的拉力强度曲线图。
具体实施方式
结合以下具体实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明。实施本发明的过程、条件、实验方法等，除以下专门提及的内容之外，均为本领域的普遍知识和公知常识，本发明没有特别限制内容。
实施例1
如图1所示，一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，包括以下步骤：
Step.1：对所述待焊接铝铜异种材料表面清洗；
Step.2：将清洗后的两块待焊铜铝板分别夹持在焊接工作平台上，焊接时，保证铝在铜的上面，即铝焊接在铜上面；
Step.3：对待焊接铜铝板施加一定压力，保证铜铝接触面紧密接触，最大间隙0.2mm；
Step.4：所述激光器的离焦量为1mm。
Step.5：根据铜铝材料的厚度调节单模激光器的参数，所述激光焊接的功率为5kw，焊接速度为40mm/min；
Step.6：采用气体保护，气体的压强为0.6MPa，焊缝是螺旋线焊缝。即振镜通过安装于准直镜和聚焦镜之间的振动模块(Wobble)，使聚焦光斑在焊接头移动的情况下产生双螺旋型焊斑，焊斑直径1.5mm，数量9个。
所述Step.1中待焊接铝铜异种材料表面清洗，清洗采用超声波，清洗时间45分钟，清洗液体是酒精，清洗后，在55℃高温真空箱中烘干，时间为30分钟。
所述Step.1中的铜厚度为2mm，铝厚度为1mm。
所述Step.1中的铜材料的纯度为98％，铜材料表面镀镍，镍的厚度为6um。
所述Step.1中的铝材料为5052铝。
所述Step.4中的激光器是单模TEM00激光器。
所述Step.5中的单模激光器参数为频率65HZ，振幅2.5mm，出光直径≤30um。
所述Step.6中的气体为氮气，流速为20L/min。
实施例2
实施例2与实施例1基本相同，区别在于所述Step.6中焊接方式为直线焊缝。
实施例3
实施例3与实施例1基本，相同区别在于所述Step.2中焊接时，铜在铝的上面，即铜焊接在铝上面。
为了进一步说明本发明，附上实施例1，实施例2和实施例3这三种铜铝异种材料不同焊接工艺参数对照表和拉力强度图。实施例1采用本发明中开发的新工艺，铜铝异种材料焊斑表面光滑，无爆点和气孔，如表1和图2所示，焊接拉力强度平均887牛，焊接拉力标准差10.4；实施例2采用直线焊接方式的焊缝，焊缝表面粗糙，如表1和图3所示，焊缝拉力平均264.3牛，标准差57.3；实施例3采用铜在铝上面的焊接方式，焊缝表面粗糙，有明显铜铝混合物产生，如表1和图4所示，焊缝拉力平均只有192.7牛，焊接拉力标准差68.9。通过三个例子的焊缝参数对比表明，采用单模激光器的双螺旋型焊接工艺，焊接拉力强度和稳定性优势明显，改变焊接工艺，均会影响铜铝材料之间的结合强度和焊接的稳定性，相比现有技术，新工艺在焊接强度的强度和稳定性方面具有明显优势。
表1.铜铝异种材料不同焊接工艺参数对照
尽管所述实施例已详细描述了本发明，但其本身并不应被认为是对本发明的限制。本发明并不局限于上述实施方式，采用与上述实施例相同或相似的原料及制备方法或追其所述的内容范围之内的所有改变、等价方式和改进的制备方法，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，其特征在于，包括以下步骤：
Step.1：对所述待焊接铝铜异种材料表面清洗；
Step.2：将清洗后的两块待焊铜铝板分别夹持在焊接工作平台上，焊接时，保证铝在铜的上面，即铝焊接在铜上面；
Step.3：对待焊接铜铝板施加一定压力，保证铜铝接触面紧密接触，最大间隙0.2mm；
Step.4：调节单模激光器的离焦量为1mm，当铝材料厚度超过1mm时，采用负离焦量，当铝材料厚度不大于1mm时，采用正离焦量；
Step.5：根据铜铝材料的厚度调节单模激光器的参数，所述激光焊接的功率为5kw，焊接速度为40mm/min；
Step.6：采用气体保护，气体的压强为0.6MPa，采用的是双楔形镜旋转振动焊接(即振镜)，焊缝形状是双螺旋型焊斑结构。
2.根据权利要求1所述的一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，其特征在于：所述Step.1中待焊接铝铜异种材料表面清洗，清洗采用超声波，清洗时间45分钟，清洗液体是酒精，清洗后，在55℃高温真空箱中烘干，时间30分钟。
3.根据权利要求1所述的一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，其特征在于：所述Step.1中的铜厚度为2mm，铝厚度为1mm。
4.根据权利要求1所述的一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，其特征在于：所述Step.1中的铜材料的纯度为98％，铜材料表面镀镍，镍的厚度为6um。
5.根据权利要求1所述的一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，其特征在于：所述Step.1中的铝材料为5052铝。
6.根据权利要求1所述的一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，其特征在于：所述Step.4中的激光器是单模TEM00激光器。
7.根据权利要求1所述的一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，其特征在于：所述Step.5中的单模激光器参数为频率65HZ，振幅2.5mm，出光直径≤30um，当铝材料的厚度大于2mm时，激光直径＜20um，频率＞70HZ。
8.根据权利要求1所述的一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，其特征在于：所述Step.6中的气体为氮气，流速为20L/min。
9.根据权利要求1所述的一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，其特征在于：所述Step.6中的气体为CO2，流速为30L/min。
10.根据权利要求1所述的一种高强度铜铝异种材料双螺旋焊接工艺，其特征在于：所述Step.6中的气体为氩气，流速为10L/min。
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