CN111014951A - 一种解决铜铝激光焊接高反射率的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种解决铜铝激光焊接高反射率的方法，如下：准备铜材和铝材，将二者分别加工至所需尺寸再将二者表面清洗干净。将待焊接的铜材的焊接部位加工一焊口后将二者在焊口处对接固定。将对接固定好的铜材与铝材放置在半封闭箱式焊接炉的焊接平台上，往半封闭箱式焊接炉内通入惰性气体，将半封闭箱式焊接炉加热至设定温度，将待焊接的铜材与铝材加热至与半封闭箱式焊接炉达到热平衡状态,在待焊接的铜材与铝材的连接处实施激光焊接。待焊接铜材与铝材完成激光焊接后，关闭半封闭箱式焊接炉，持续往半封闭箱式焊接炉通入惰性气体，焊接所得产品冷却后将其取出。本发明能够解决铜铝焊接时由于激光反射率过高，激光能量浪费和焊接效果欠佳的问题。

Description

一种解决铜铝激光焊接高反射率的方法
技术领域
本发明涉及激光焊接领域，特别是涉及一种解决铜铝激光焊接高反射率的方法。
背景技术
由于工业应用的需要及节省贵重材料等方面的考虑，往往需要对异种金属进行连接。采用激光焊接是最为有效的焊接方式。铜铝激光焊接是目前异种金属焊接中应用范围最广、需要量最大的方式之一。
激光焊接是一个非常复杂的问题，涉及焊接学、材料学、凝固相变学、量子力学等多个领域。铜铝两种金属的物理化学性能差异较大，本身就难于焊接，且大部分工业用激光(如YAG激光器、CO2激光器、光纤激光器)在铜铝表面的反射率都很高。常温条件下，铜对激光的反射率约为98.6％，而铝材的反射率也高达91-96％。金属的激光焊接过程中，会产生等离子体气体，等离子体气体对激光有散射作用，抑制激光焊接过程待焊接材料对激光能量的吸收作用。由于铜铝过高的反射率会导致焊接用的激光能量绝大部分被浪费掉，使得原本物理、化学性质差异巨大的铜、铝难以等比例的熔化，从而导致焊接效果不佳,甚至出现无法实现有效焊接的现象。更为重要的是，由于激光的能量难以被吸收，常温条件下的铜铝焊接经常出现的状况有：铜材未熔化，而铝材过渡熔化，焊接口不是真正意义上的熔合；铜材部分熔化，铝材过量熔化，导致焊接口畸变，微区熔池中溶质飞溅，焊接口损伤严重；由于随着温度变高，铜铝的吸收率随之变大，导致激光功率难以控制，焊接质量无法保证，最终的激光焊接效果欠佳，最终会导致最终的铜铝焊接处机械强度不够高，不能满足工业实际应用要求。
目前工业界急需一种解决铜铝激光焊接高反射率的新方法，以解决现有技术中铜铝焊接过程中铜铝待焊接表面激光反射率过高导致的激光能量大部分被浪费，进而导致的最终的铜铝焊接处机械强度不够高，不能满足工业实际应用要求的问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种解决铜铝激光焊接高反射率的方法，以解决上述现有技术存在的问题，在降低待焊接铜材与铝材表面激光反射率的同时增加焊接处的机械强度以满足工业界实际应用要求。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种解决铜铝激光焊接高反射率的方法，具体如下：
待焊接材料表面预处理：预先准备铜材和铝材，将二者分别加工至所需尺寸后再将二者待焊接表面清洗干净；
加工焊口：将待焊接的铜材的焊接部位加工一个焊口；
待焊接材料对接固定：将待焊接的铜材与铝材在焊口处对接固定形成铜铝连接处；
待焊接材料加热处理：准备半封闭箱式焊接炉，将对接固定好的铜材与铝材放置在半封闭箱式焊接炉的焊接平台上，往半封闭箱式焊接炉内通入惰性气体，将半封闭箱式焊接炉加热至设定温度，待焊接的铜材与铝材在半封闭箱式焊接炉中加热至与半封闭箱式焊接炉达到热平衡状态；
激光焊接：在待焊接的铜材与铝材的连接处实施激光焊接；
焊接后续处理：待焊接铜材与铝材完成激光焊接后，关闭半封闭箱式焊接炉，持续往半封闭箱式焊接炉通入惰性气体，焊接后的铜材与铝材结合体冷却后将其取出。
为提高最终焊接产品的机械强度，待焊接材料表面预处理步骤中预先准备的铜材和铝材的待焊接表面面积应相同或二者待焊接表面表面积之差的绝对值在0-10％之间。
优选地，待焊接材料表面预处理步骤中，将铜材与铝材待焊接表面用钢丝刷、砂轮或砂纸进行表面预处理以去除铜材与铝材表面的氧化层，并用丙酮和酒精将待焊接表面擦拭干净，自然风干。
优选地，待焊接材料加热处理步骤中，为使待焊接的铜材和铝材不发生相对位移，二者上表面分别放置重物。
优选地，待焊接材料加热处理步骤中，半封闭箱式焊接炉加热时的设定温度范围为400～600摄氏度。
优选地，激光焊接步骤中所用激光为连续激光或脉冲激光。
优选地，激光焊接步骤中，激光束与待焊接的铜材与铝材的待焊接处成0-45度夹角。
优选地，激光焊接步骤中，所用惰性气体为氩气、氮气或二者按一定比例搭配的混合气体。
本发明公开了以下技术效果：本申请公开了一种解决铜铝激光焊接高反射率的方法，加热环境中，铜材、铝材的反射率均会下降，吸收率增加，根据金属材料的激光吸收率可知，金属材料在加热环境中，各种金属材料对激光的吸收率均增加，并且其吸收率差异逐渐减少。因此，在加热环境中，铜材、铝材对激光的吸收率不仅可以得到提升，而且使得铜材、铝材的吸收率趋于相同，从而使得加热环境下的铜铝焊接变得更加容易控制，激光能量利用率更好，焊接效果更优。本发明的技术方案能够用常用的激光设备焊接反射率很高的铜、铝等金属材料，降低反射率，提高材料激光能量吸收率，最终制得的铜材和铝材的焊接产品连接效率高，机械强度大，连接质量好。
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性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明一种解决铜铝激光焊接高反射率的方法的流程图；
图2为本发明实施例1铜材和铝材的焊接示意图；
图3为本发明实施例2铜材、中间材料和铝材的焊接示意图。
其中，1为紫铜板材，2为待焊接的纯铝板材，3为焊接平台，4为脉冲激光器，5为铜铝连接处，6为半封闭箱式加热炉，7为惰性气体输入管道,8为待焊接的黄铜板材，9为纯铝板材，10为焊接平台，11为连续激光器，12为中间材料，13为半封闭箱式加热炉，14为惰性气体输入管道。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做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。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
如图1-3所示，本发明提供一种解决铜铝激光焊接高反射率的方法。
实施例1
本实施例的实施过程示意图如图2所示。
本实施例1中待焊接的铜材选用紫铜板材1，尺寸为80×50×3.5mm，待焊接的铝材选用纯铝板材2，尺寸为100×50×3.5mm，为提高最终的焊接效果，本实施中所用铜材和铝材的宽度和高度分别相同，这样可以保证焊接过程中铜材和铝材的充分接触，提高最终所得焊接产品的机械强度。
紫铜是一种纯铜金属，在大气环境中附有一层紫色的氧化膜，俗称紫铜，紫铜具有极高的反射率与导热性能，从而在焊接过程中热量难于集中，可焊性差。纯铝板材2在大气环境中表面也会有一层氧化层。使用钢丝刷打磨去除本实施中所用的紫铜板材1和纯铝板材2的表面氧化层并用酒精清洗干净，等待一段时间，让清洗用的酒精自然挥发完毕。
需要说明的是，如果本实施中待焊接的铜材和铝材选用的材料形状不规则时，可以在待焊接的铜材表面处加工一焊口，然后将待焊接的铜材和铝材在焊口处对接固定。由于对待焊接的材料用焊口进行了固定，在焊接过程中可以保证二者不发生相对位移影响焊接质量，从而本实施中待焊接材料不受表面形状限制。
准备一个带有惰性气体输入管道7的半封闭箱式加热炉6，在半封闭箱式加热炉6箱体内部放置一个焊接平台3，用火钳将待焊接的紫铜板材1与纯铝板材2放置在焊接平台3上，二者待焊接表面应正对而且位置应当充分接近形成一个铜铝连接处5，以满足焊接要求。在选用的待焊接材料为板材时，为使待焊接的铜材和铝材不发生相对位移，二者上表面分别放置重物，这样可以提高最终的焊接质量。
激光作为一种能量密度非常高的焊接用光源，本实施中焊接用的激光光源选用脉冲激光器4，通过控制其发射的激光的宽度、能量、峰值功率和重复频率，可以使待焊接金属工件熔化形成特定的熔池，相对于其他的焊接光源，采用激光作为光源可以提高焊接质量。
通过惰性气体输入管道7往半封闭箱式加热炉6内通入氩气3分钟，将半封闭箱式加热炉6内的原有空气充分排尽，开启半封闭箱式加热炉6，通过惰性气体输入管道7往半封闭箱式加热炉6内持续通入氩气，将半封闭箱式加热炉6加热至500摄氏度，待焊接的紫铜板材1与纯铝板材2与周围温度达到热平衡后，加大通入氩气的速率，让激光光束4从半封闭箱式加热炉6的开口处射入铜铝连接处5，焊接过程中金属会发生气化，部分金属蒸汽被电离成等离子体，等离子体会对激光有吸收和散射作用，为了抑制激光焊接过程中等离子体对激光的屏蔽作用，在焊接时应加大惰性气体的吹入速率，以尽可能吹散焊接过程中产生的等离子体气体，从而可以保证降低激光能量尽可能被待焊接材料吸收，又可以防止待焊接材料在高温环境下发生氧化作用。最终实现在高温惰性气体环境下的铜铝激光焊接。焊接结束后，关闭半封闭箱式加热炉6，继续通入氩气，待焊接所得产品冷却后用火钳将其取出，收拾设备，清理试验台。
实施例2
本实施例的实施过程示意图如图3所示。
本实施例1中待焊接的铜材选用黄铜板材8，尺寸为100×60×4.5mm，待焊接的铝材选用纯铝板材9，尺寸为200×80×4.5mm。
使用砂纸打磨去除本实施中所用的黄铜板材8和纯铝板材9的表面氧化层并用丙酮清洗干净，等待一段时间，让清洗用的丙酮自然挥发完毕。
准备一个带有惰性气体输入管道14的半封闭箱式加热炉13，在半封闭箱式加热炉13箱体内部放置一个焊接平台10，用火钳将待焊接的黄铜板材8与纯铝板材9放置在焊接平台10上，二者待焊接表面应正对放置，并且间隔一定距离。
准备中间材料12，中间材料12的材料为Cr:3-10％,Si：6-19％，Fe:6-10％,余量为Ni。将中间材料12放置在黄铜板材8和纯铝板材9待焊接表面的缝隙处。再通过火钳调整黄铜板材8和纯铝板材9的位置，使二者充分挤压中间材料12。
然后在黄铜板材8和纯铝板材9的上表面分别放置重物，保证焊接过程中二者位置不发生相对位移，提高最终的焊接质量。
激光作为一种能量密度非常高的焊接用光源，本实施中焊接用的激光光源选用连续激光器11，采用激光作为光源可以提高焊接质量。
通过惰性气体输入管道14往半封闭箱式加热炉13内通入氮气3分钟，将半封闭箱式加热炉13内的原有空气充分排尽，开启半封闭箱式加热炉13，通过惰性气体输入管道14往半封闭箱式加热炉13内持续通入氮气，将半封闭箱式加热炉13加热至450摄氏度，待焊接的黄铜板材8与纯铝板材9与周围温度达到热平衡后，加大通入氮气的速率，让连续激光器发生的激光光束11从半封闭箱式加热炉13的开口处射入中间材料12处，焊接过程中金属会发生气化，部分金属蒸汽被电离成等离子体，等离子体会对激光有吸收和散射作用，为了抑制激光焊接过程中等离子体对激光的屏蔽作用，在焊接时应加大惰性气体的吹入速率，以尽可能吹散焊接过程中产生的等离子体气体，从而可以保证降低激光能量尽可能被待焊接材料吸收，又可以防止待焊接材料在高温环境下发生氧化作用。
让连续激光器14发出的激光从半封闭箱式加热炉13的开口处射入中间材料12，由于铜材的熔点比铝材的熔点高，所以本实施例2中，连续激光器14入射的激光的角度与纯铝板材9成45度夹角，这样可以保证激光加热过程中射向中间材料12的热量通过热传导的方式大部分传到到黄铜板材8，提高焊接质量。保持激光发射器的激光加热状态，实现高温惰性气体环境下的铜铝激光焊接。由于在待焊接的黄铜板材8和纯铝板材9之间加入了中间材料12，铜的熔点比铝的熔点高，焊接过程中中间材料12的加入可以填补铝材在激光加热过程中形成的凹陷，可以为铜材和铝材的金属焊接提供良好的冶金条件。
焊接结束后，关闭半封闭箱式加热炉13，继续通入氮气，待焊接所得产品冷却后用火钳将其取出，收拾设备，清理试验台。
本发明的技术方案能够用常用的激光设备焊接反射率很高的铜、铝等金属材料，降低反射率，提高材料激光能量吸收率，最终制得的铜材和铝材的焊接产品连接效率高，机械强度大，连接质量好。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
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)

1.一种解决铜铝激光焊接高反射率的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
待焊接材料表面预处理：预先准备铜材和铝材，将二者分别加工至所需尺寸后再将二者待焊接表面清洗干净；
加工焊口：将待焊接的铜材的焊接部位加工一个焊口；
待焊接材料对接固定：将待焊接的铜材与铝材在焊口处对接固定形成铜铝连接处；
待焊接材料加热处理：准备半封闭箱式焊接炉，将对接固定好的铜材与铝材放置在半封闭箱式焊接炉的焊接平台上，往半封闭箱式焊接炉内通入惰性气体，将半封闭箱式焊接炉加热至设定温度，待焊接的铜材与铝材在半封闭箱式焊接炉中加热至与半封闭箱式焊接炉达到热平衡状态；
激光焊接：在待焊接的铜材与铝材的连接处实施激光焊接；
焊接后续处理：待焊接铜材与铝材完成激光焊接后，关闭半封闭箱式焊接炉，持续往半封闭箱式焊接炉通入惰性气体，焊接后的铜材与铝材结合体冷却后将其取出。
2.根据权利要求1所述的解决铜铝激光焊接高反射率的方法，其特征在于，为提高最终焊接产品的机械强度，待焊接材料表面预处理步骤中预先准备的铜材和铝材的待焊接表面面积应相同或二者待焊接表面表面积之差的绝对值在0-10％之间。
3.根据权利要求1所述的解决铜铝激光焊接高反射率的方法，其特征在于，待焊接材料表面预处理步骤具体如下：
将铜材与铝材待焊接表面用钢丝刷、砂轮或砂纸进行表面预处理以去除铜材与铝材表面的氧化层，并用丙酮和酒精将待焊接表面擦拭干净，自然风干。
4.根据权利要求1所述的解决铜铝激光焊接高反射率的方法，其特征在于，待焊接材料加热处理步骤中，为使待焊接的铜材和铝材不发生相对位移，二者上表面分别放置重物。
5.根据权利要求1所述的解决铜铝激光焊接高反射率的方法，其特征在于，待焊接材料加热处理步骤中，半封闭箱式焊接炉加热时的设定温度范围为400～600摄氏度。
6.根据权利要求1所述的解决铜铝激光焊接高反射率的方法，其特征在于，激光焊接步骤中所用激光为连续激光或脉冲激光。
7.根据权利要求1所述的解决铜铝激光焊接高反射率的方法，其特征在于，激光焊接步骤中，激光束与待焊接的铜材与铝材的待焊接处成0-45度夹角。
8.根据权利要求1所述的解决铜铝激光焊接高反射率的方法，其特征在于，激光焊接步骤中，所用惰性气体为氩气、氮气或二者按一定比例搭配而成的混合气体。
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