CN110919186A - 一种铜铝异种金属的激光焊接方法 - Google Patents

一种铜铝异种金属的激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铜铝异种金属的激光焊接方法,属于激光焊接技术领域,该方法在经过预处理的工件连接处铺置混合粉末;及对所述铺置有混合粉末的工件进行激光焊接;所述混合粉末为氧化铈和氧化钇的混合物;本发明通过在对接焊的铜铝异种金属连接处,铺入一定比例的氧化铈和氧化钇的混合粉末,实现连接处的黑化处理,起到降低激光反射率,提高吸收率的作用。同时,平衡铜铝对激光能量的吸收,避免铜材未充分熔化及铝材过渡熔化。另一方面,氧化铈和氧化钇的混合粉末的加入能够有效细化连接处的微观组织,减少脆性相金属间化合物的产生,提高了焊缝的焊接质量。

Description

一种铜铝异种金属的激光焊接方法
技术领域
本发明涉及激光焊接技术领域,特别是涉及一种铜铝异种金属的激光焊接方法。
背景技术
铜材和铝材是诸多金属材料中较为常见的金属。由于铜材具有优良的导电性能及较小的热膨胀系数,物理性质稳定,在电子电力行业得到了广泛的应用。另一方面,铜材优越的物理性质导致行业需求量巨大,随着铜材的消耗,其成本逐年攀高。目前,铜价居高不下,使得电子电力行业的生产成本也一路攀升。然而,铝材由于在地球上的含量较为丰富,容易提炼,而且开采成本较低。
尽管铝材的导电性、热导率、热膨胀系数等物理性质相对铜材而言略微逊色。但在非关键部件及连接件等方面,部分的用铝材来代替铜材,不仅能够整体上保证产品的质量,而且能够较大幅度的节约生产成本,节约贵重金属资源。
在以铝代铜的应用中,铝/铜连接是必由之路。但由于铝和铜之间物理性能存在很大差异,获得良好的接头质量十分困难。热导率的差异、热膨胀系数的差异、熔点及沸点的差异、化学性能差异都是二者进行焊接时存在的难点。现有的铝铜焊接方法有MIG、TIG的熔化焊,摩擦焊,钎焊及激光焊接等。激光熔钎焊的主要优点是速度快、深度大、变形小;能在室温或特殊条件下进行焊接,焊接设备装置简单。通过高能量密度的激光束可以减小焊接热影响区和热输入,能够大大提高焊接接头的性能,改善焊缝组织。
但鉴于铜的反射率高,且熔点高,而铝的反射率虽然相对较高,但低于铜的反射率,熔点也低,两者的物理性质相差较大。在对常用的工业用激光(如波长1.06-10.6微米)的反射率很高,很难焊接,且焊接容易出现气孔、热裂纹、脆性相金属间化合物等问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种铜铝异种金属的激光焊接方法,以解决上述现有技术存在的问题,提高了焊缝的焊接质量。
为实现上述目的,本发明提供了如下方案:
本发明提供一种铜铝异种金属的激光焊接方法,在经过预处理的工件连接处铺置混合粉末;及对铺置有混合粉末的工件进行激光焊接;
所述混合粉末为氧化铈和氧化钇的混合物。
进一步地,所述工件包括铜制工件和铝制工件。
进一步地,所述预处理指清理工件连接处的灰尘、油污或锈蚀。
进一步地,所述混合粉末的粒径为100-600μm。
进一步地,所述氧化铈与所述氧化钇的质量比为1:1-1:3。
进一步地,所述氧化铈与所述氧化钇的质量比为1:1。
进一步地,所述混合粉末的铺置量为0.5-1.5g/mm2
进一步地,所述激光焊接的工艺参数为:电流为260A,脉冲宽度为3.5ms,频率为60Hz,最大功率为800W,激光波长为1064nm,焊接速度为5mm/s。
本发明公开了以下技术效果:
本发明通过在对接焊的铜铝异种金属连接处,铺入一定比例的氧化铈和氧化钇的混合粉末,实现连接处的黑化处理,起到降低激光反射率,提高吸收率的作用。同时,平衡铜铝对激光能量的吸收,避免铜材未充分熔化及铝材过渡熔化。另一方面,氧化铈和氧化钇的混合粉末的加入能够有效细化连接处的微观组织,减少脆性相金属间化合物的产生,提高了焊缝的焊接质量。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,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的附图。
图1为本发明铜铝异种金属的激光焊接方法的示意图;
其中,1-待焊接的铜材料,2-待焊接的铝材料,3-焊接平台,4-激光器,5-混合粉末。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式,该详细说明不应认为是对本发明的限制,而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式,并非用于限制本发明。另外,对于本发明中的数值范围,应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明,否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料,但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入,用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时,以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下,可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化,这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
本发明提供了一种铜铝异种金属的激光焊接方法,适用于不同金属材料制成的工件的焊接,尤其适用于铜、铝等高反射率材料制成的工件的焊接,该激光焊接方法可显著提高工件对激光的吸收率,解决了对高反射率材料进行焊接时难以焊接,且焊接容易出现气孔、热裂纹、脆性相金属间化合物等问题。
本发明的铜铝异种金属的激光焊接方法包括以下步骤:
S100:对待焊接工件的焊接区域进行预处理,清理灰尘、油污或锈蚀,干燥,获得清洁且干燥的焊接表面;
S200:铺置混合粉末。
作为一个可选的实施方式,混合粉末为氧化铈和氧化钇质量比为1:1-1:3的混合物,并作为具体的实施方式,氧化铈和氧化钇的质量比优选为1:1。
作为一个可选的实施方式,混合粉末的铺置量为0.5-1.5g/mm2
S210:将预处理后的工件固定。
在铺置粉末前,需要先将待焊接的工件固定在焊接平台上,以保证铺置粉末及焊接的精度和准度。一般地,待焊接工件可通过夹具进行固定。
S220:将混合粉末均匀的铺置在工件连接处,并填充连接处。
S300:激光焊接:在惰性气体氛围下,利用激光器照射混合粉末,并沿工件的连接处移动进行焊接,激光的能量被混合粉末吸收后,熔化混合粉末,并将能量传递到下面的金属工件,完成焊接。
焊接过程中,激光直接照射的是氧化铈和氧化钇的混合粉末,对铜材和铝材热量的吸收起到缓冲和保护的作用,从而使得铜材和铝材受热更加均匀,不仅可以起到预热作用,而且能够减少铜铝熔点差异造成的影响。氧化铈和氧化钇的混合粉末能够充分吸收激光能量,使得这些金属粉末对常用工业用激光(波长在1.06-10.6微米)的吸收率大大提高,因此,工件的待焊接区域反射率降低,对入射激光的吸收率增加,即使工件为铜、铝等高反射率材料,仍能有效的提高焊缝的焊接质量。
此外,氧化铈和氧化钇的混合粉末还是一种良好的润滑剂,熔化至铜铝焊接接头中可以细化焊接接头的微观组织,有效减少热裂纹和气孔等焊接缺陷的产生,有效减少金属间脆性化合物的产生。由于氧化铈和氧化钇的混合粉末具有很高的强度和硬度,添加了氧化铈和氧化钇的混合粉末的铜铝焊接接头更加牢固、结实。
优选的,在焊接过程中,焊接速度为5mm/s,有利于增加焊缝的均匀性,增强焊接强度。
作为一个可选的实施方式,惰性气体采用氩气,其制备简单,成本低廉,并具有稳定的化学性质,不易与其他物质发生反应,能起到较佳的保护作用。
作为一个可选的实施方式,采用YAG(yttrium aluminum garnet,钇铝石榴石)脉冲激光器进行焊接。
作为一个可选的实施方式,激光焊接的工艺参数为:电流为260A,脉冲宽度为3.5ms,频率为60Hz,最大功率为800W,激光波长为1064nm。
经预处理后,工件的待焊接区域对入射激光的反射率明显降低,因此,可实现低功率的激光器对铜、铝等高反射率的材料的焊接,有效降低了能量的损耗,避免了焊接过程中由于反射率过高对激光器光学系统造成的损伤;同时由于工件的待焊接区域对入射激光的吸收率增加,使得工件的待焊接区域的熔化速率加快,进而提高了焊接速率。
参照图1,其为本发明铜铝异种金属的激光焊接方法的示意图,其中,1为待焊接的铜材料,2为待焊接的铝材料,3为焊接平台,4为激光器,5为混合粉末。
下面通过三个具体的实施例进一步说明本发明。
实施例1
焊接工件选用T2铜板,机械加工规格为1*1*1mm,1060铝板机械加工规格为1*1*1mm;
对待焊接工件的焊接区域进行预处理,清理灰尘、油污或锈蚀,干燥,获得清洁且干燥的焊接表面;
将铜板和铝板置于焊接平台上,采用夹具固定使铜板和铝板的待焊接区域尽可能接触;
在铜板和铝板的待焊接区域均匀铺置1g氧化铈与氧化钇的质量比为1:1的混合粉末;
调节激光器与工件表面呈90°,进行激光焊接,焊接工艺参数:电流为260A,脉冲宽度为3.5ms,频率为60Hz,最大功率为800W,激光波长为1064nm,焊接速度为5mm/s。
在此工艺下进行焊接,无明显缺陷,焊接接头力学性能也可达到要求。
实施例2
焊接工件选用T2铜板,机械加工规格为1*1*1mm,1060铝板机械加工规格为1*1*1mm;
对待焊接工件的焊接区域进行预处理,清理灰尘、油污或锈蚀,干燥,获得清洁且干燥的焊接表面;
将铜板和铝板置于焊接平台上,采用夹具固定使铜板和铝板的待焊接区域尽可能接触;
在铜板和铝板的待焊接区域均匀铺置0.5g氧化铈与氧化钇的质量比为1:3的混合粉末;
调节激光器与工件表面呈90°,进行激光焊接,焊接工艺参数:电流为260A,脉冲宽度为3.5ms,频率为60Hz,最大功率为800W,激光波长为1064nm,焊接速度为5mm/s。
在此工艺下进行焊接,无明显缺陷,焊接接头力学性能也可达到要求。
实施例3
焊接工件选用T2铜板,机械加工规格为10*1*1mm,1060铝板机械加工规格为10*1*1mm;
对待焊接工件的焊接区域进行预处理,清理灰尘、油污或锈蚀,干燥,获得清洁且干燥的焊接表面;
将铜板和铝板置于焊接平台上,采用夹具固定使铜板和铝板的待焊接区域尽可能接触;
在铜板和铝板的待焊接区域均匀铺置15g氧化铈与氧化钇的质量比为1:2的混合粉末;
调节激光器与工件表面呈90°,进行激光焊接,焊接工艺参数:电流为260A,脉冲宽度为3.5ms,频率为60Hz,最大功率为800W,激光波长为1064nm,焊接速度为5mm/s。
在此工艺下进行焊接,无明显缺陷,焊接接头力学性能也可达到要求。
对比例1
焊接工件选用T2铜板,机械加工规格为1*1*1mm,1060铝板机械加工规格为1*1*1mm;
对待焊接工件的焊接区域进行预处理,清理灰尘、油污或锈蚀,干燥,获得清洁且干燥的焊接表面;
将铜板和铝板置于焊接平台上,采用夹具固定使铜板和铝板的待焊接区域尽可能接触;
调节激光器与工件表面呈90°,进行激光焊接,焊接工艺参数:电流为260A,脉冲宽度为3.5ms,频率为60Hz,最大功率为800W,激光波长为1064nm,焊接速度为5mm/s。
在此工艺下进行焊接,焊接处有缺陷,焊接接头力学性能也一般。
对比例2
焊接工件选用T2铜板,机械加工规格为1*1*1mm,1060铝板机械加工规格为1*1*1mm;
对待焊接工件的焊接区域进行预处理,清理灰尘、油污或锈蚀,干燥,获得清洁且干燥的焊接表面;
将铜板和铝板置于焊接平台上,采用夹具固定使铜板和铝板的待焊接区域尽可能接触;
在铜板和铝板的待焊接区域均匀铺置1g氧化铈与氧化钇的质量比为2:1的混合粉末;
调节激光器与工件表面呈90°,进行激光焊接,焊接工艺参数:电流为260A,脉冲宽度为3.5ms,频率为60Hz,最大功率为800W,激光波长为1064nm,焊接速度为5mm/s。
在此工艺下进行焊接,有轻微缺陷,焊接接头力学性能稍差。
将实施例1-3及对比例1-2的工件制成标准试验,依据国家标准进行拉伸、弯曲和硬度试验,结果如下表所示:
实施例1 实施例2 实施例3 对比例1 对比例2
抗拉强度,MPa 602 584 598 542 567
弯曲试验 合格 合格 合格 有2mm开口缺陷 有小于1mm开口缺陷
硬度,HRC 86 79 81 72 76
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述,并非对本发明的范围进行限定,在不脱离本发明设计精神的前提下,本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进,均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (8)

1.一种铜铝异种金属的激光焊接方法,其特征在于,在经过预处理的工件连接处铺置混合粉末;及对铺置有混合粉末的工件进行激光焊接;
所述混合粉末为氧化铈和氧化钇的混合物。
2.根据权利要求1所述的一种铜铝异种金属的激光焊接方法,其特征在于,所述工件包括铜制工件和铝制工件。
3.根据权利要求1所述的一种铜铝异种金属的激光焊接方法,其特征在于,所述预处理指清理工件连接处的灰尘、油污或锈蚀。
4.根据权利要求1所述的一种铜铝异种金属的激光焊接方法,其特征在于,所述混合粉末的粒径为100-600μm。
5.根据权利要求4所述的一种铜铝异种金属的激光焊接方法,其特征在于,所述氧化铈与所述氧化钇的质量比为1:1-1:3。
6.根据权利要求5所述的一种铜铝异种金属的激光焊接方法,其特征在于,所述氧化铈与所述氧化钇的质量比为1:1。
7.根据权利要求6所述的一种铜铝异种金属的激光焊接方法,其特征在于,所述混合粉末的铺置量为0.5-1.5g/mm2
8.根据权利要求1所述的一种铜铝异种金属的激光焊接方法,其特征在于,所述激光焊接的工艺参数为:电流为260A,脉冲宽度为3.5ms,频率为60Hz,最大功率为800W,激光波长为1064nm,焊接速度为5mm/s。
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