CN111151875A - 提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，首先，对焊接搭接处的金属表面进行预处理；然后，采用皮秒脉冲激光器在焊接搭接处的金属表面加工构建平行凹槽织构，形成形状可控、均匀平整的织构表面；最后，采用脉冲绿光碟片激光器对铜钢异种金属进行激光叠焊，提高焊接强度。将激光织构加工技术与激光焊接技术有效结合，提高铜钢异种金属结合强度；高效快速的在金属表面刻蚀出形状可控、均匀平整的平行微织构，也能够刻蚀出其他各种形状复杂的微织构，加工效率高；不需要额外使用焊丝，大幅度降低生产成本；通过在焊接面织构化的处理，改善焊接熔池内的冶金反应，增强钢侧Fe元素向熔池内部的扩散效果，提高铜钢金属焊接的结合强度。
Description
技术领域
本发明涉及一种提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，属于激光加工技术领域。
背景技术
电控技术是衡量新能源汽车发展水平的重要标志，继电器是电控系统的核心元件。为了满足新能源汽车对高压、大电流及长寿命的功能需求，对继电器中触点性能提出了新挑战。铜钢触点材料不仅具备铜优良的导电性和耐蚀性，还兼顾钢的高强度和高韧性，以此增加触点在闭合与分断过程中的使用寿命。
传统触点焊接采用烙铁锡焊和电阻点焊。其中，烙铁锡焊易产生锡渣多余物和虚焊等缺陷；电阻点焊易产生明显焊斑，且焊接时电容充放电时间长，效率较低，应用上存在很多局限性，而铜和钢在熔点、线膨胀系数、热导率，力学性能等差异较大，冶金相容性差，熔焊时会产生低熔点共晶体，大大降低接头强度，这给铜钢异种金属间的焊接增加了难度，不利于铜钢的直接焊接。激光焊接与传统焊接方式相比，激光焊接具有焊缝成形性好、热影响区小、接头强度高、非接触式焊接、可进行微型焊接等优点，因而可以得到高质量及高效率的铜钢异种金属焊接，因此，采用激光焊接开展此方面的研究极其重要，具有很大的应用前景。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，特点是：首先，对焊接搭接处的金属表面进行预处理；然后，采用皮秒脉冲激光器在焊接搭接处的金属表面加工构建平行凹槽织构，形成形状可控、均匀平整的织构表面；最后，采用脉冲绿光碟片激光器对铜钢异种金属进行激光叠焊，提高焊接强度。
进一步地，上述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其中，采用输出波长为980～1070nm、倍频后波长为515nm、激光器最大输出功率为50w、重复频率为0～400kHz、脉冲宽度小于15ps的皮秒脉冲激光器在焊接搭接处的金属表面加工形成平行凹槽织构。
进一步地，上述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其中，采用输出波长为1030nm、倍频后波长为515nm、激光器平均功率为30w、峰值功率50w、重复频率为400kHz、脉冲宽度小于15ps的皮秒脉冲激光器在焊接搭接处的金属表面加工形成平行凹槽织构。
进一步地，上述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其中，所述平行凹槽织构的深度为0～45μm，表面粗糙度值≤9μm。
进一步地，上述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其中，所述平行凹槽织构的方向沿激光加工方向，均匀分布在搭接表面。
进一步地，上述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其中，先用砂纸打磨焊接搭接处的金属表面，去除表面划痕和黑色氧化物；再用无水乙醇擦洗焊接搭接处的金属表面，去除表面附着的油脂污渍。
进一步地，上述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其中，脉冲绿光碟片激光器对铜钢异种金属进行激光叠焊，激光功率为3000～3500w，重复频率为7～10Hz，脉冲宽度为8～10ms，离焦量为+5～8mm。
进一步地，上述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其中，脉冲绿光碟片激光器对铜钢异种金属进行激光叠焊，激光功率为3300w，重复频率为10Hz，脉冲宽度为10ms，离焦量为+8mm。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
本发明将激光织构加工技术与激光焊接技术有效结合，提高铜钢异种金属结合强度。能够高效快速的在金属表面刻蚀出形状可控、均匀平整的平行微织构，同时也能够刻蚀出其他各种形状复杂的微织构，加工效率高；不需要额外使用焊丝，大幅度降低生产成本；通过在焊接面织构化的处理，改善了焊接熔池内的冶金反应，增强了钢侧Fe元素向熔池内部的扩散效果，提高了铜钢金属焊接的结合强度，使焊接接头抗拉强度提高20％以上。本发明方法适合异种金属激光焊接等相关领域，其应用前景广泛。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书、权利要求书中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1：本发明铜钢异种金属激光叠焊示意图；
图2：平行凹槽织构宏观形貌照片；
图3a：未做织构化处理的熔池与钢侧处SEM照片；
图3b：未做织构化处理的熔池与钢侧处线扫描结果照片；
图3c：经过织构化处理的熔池与钢侧处SEM照片；
图3d：经过织构化处理的熔池与钢侧处线扫描结果照片；
图4a：未做织构化处理的熔池与钢侧显微组织照片；
图4b：经过织构化处理的熔池与钢侧显微组织照片。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现详细说明具体实施方案。
本发明提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，首先，对铜1与钢2焊接搭接处的金属表面进行预处理，即用砂纸打磨焊接搭接处的金属表面，去除表面划痕和黑色氧化物，用无水乙醇擦洗焊接搭接处的金属表面，去除表面附着的油脂污渍；然后，采用输出波长为980～1070nm、倍频后波长为515nm、激光器最大输出功率为50w、重复频率为0～400kHz、脉冲宽度小于15ps的皮秒脉冲激光器在焊接搭接处的金属表面加工构建平行凹槽织构4，形成形状可控、均匀平整的织构表面，平行凹槽织构的方向沿激光加工方向，均匀分布在搭接表面；最后，采用脉冲绿光碟片激光器3对铜钢异种金属进行激光叠焊，如图1所示，铜上钢下的焊接方式，在搭接面不锈钢表面刻蚀出平行凹槽微织构，提高铜钢金属焊接的结合强度，使焊接接头抗拉强度提高20％以上。如图2平行凹槽织构宏观形貌照片，织构深度达到25～40μm，表面粗糙度为3～5μm。
铜钢异种金属激光叠焊接头显微组织照片采用金相显微镜观察。
实施例1
采用厚度均为1mm的T2紫铜和304L不锈钢板。
用砂纸打磨待加工工件表面(T2铜板，厚度为1mm)，除去表面金属氧化物；用无水乙醇清洗代加工工件表面，去除表面油脂等污渍，通过以上处理，得到较为干净的工件表面。
利用倍频后波长为515nm的皮秒绿激光对不锈钢表面一端沿着激光加工方向刻蚀出平行凹槽织构；织构工艺参数如下：激光功率为峰值功率的40％，激光频率为400kHz，脉冲宽度为10ps，扫描速度为0.5m/s，离焦量为0，扫描次数为70次；所形成的微凹槽深度为34.865μm，表面粗糙度为4.367μm。
将厚度为1mm织构处理好的不锈钢板和厚度为1mm的铜板按照铜上钢下形式进行激光焊接，其中焊接时激光工艺参数如下：激光功率为3300w，重复频率为10Hz，脉冲宽度为10ms，离焦量为+8mm；依次关闭激光设备，焊接结束。
通过GT-Al7000-L10伺服控制电脑系统拉力试验机对焊接后的接头进行拉伸试验，所得接头抗拉-剪切力为1350N。
实施例2
采用厚度均为1mm的T2紫铜和304L不锈钢板。
用砂纸打磨待加工工件表面(T2铜板，厚度为1mm)，除去表面金属氧化物；用无水乙醇清洗代加工工件表面，去除表面油脂等污渍，通过以上处理，得到较为干净的工件表面。
利用倍频后波长为515nm的皮秒绿激光对不锈钢表面一端沿着激光加工方向刻蚀出平行凹槽织构；织构工艺参数如下：激光功率为峰值功率的40％，激光频率为400kHz，脉冲宽度为10ps，扫描速度为1m/s，离焦量为0，扫描次数为90次；所形成的微凹槽深度为23.206μm，表面粗糙度为3.591μm。
将厚度为1mm织构处理好的不锈钢板和厚度为1mm的铜板按照铜上钢下形式进行激光焊接，其中焊接时激光工艺参数如下：激光功率为3300w，重复频率为10Hz，脉冲宽度为10ms，离焦量为+8mm；依次关闭激光设备，
通过GT-Al7000-L10伺服控制电脑系统拉力试验机对焊接后的接头进行拉伸试验，所得接头抗拉-剪切力为1254N。
对比例1
采用厚度均为1mm的T2紫铜和304L不锈钢板。
用砂纸打磨待加工工件表面(T2铜板，厚度为1mm)，除去表面金属氧化物；用无水乙醇清洗代加工工件表面，去除表面油脂等污渍，通过以上处理，得到较为干净的工件表面。
将厚度为1mm织构处理好的不锈钢板和厚度为1mm的铜板按照铜上钢下形式进行激光焊接，其中焊接时激光工艺参数如下：激光功率为3300w，重复频率为10Hz，脉冲宽度为10ms，离焦量为+8mm；依次关闭激光设备，焊接结束。
通过GT-Al7000-L10伺服控制电脑系统拉力试验机对焊接后的接头进行拉伸试验，所得接头抗拉-剪切力为1130N。
从上述实施例1与对比例1测试结果可知，经过织构化处理的铜钢异种金属激光叠焊所得焊接接头抗拉-剪切力为1350N，未经过织构化处理的铜钢异种金属激光叠焊所得焊接接头抗拉-剪切力为1130N，经过织构化处理的铜钢异种金属激光叠焊相比于未经过织构化处理的铜钢异种金属激光叠焊接头结合强度提升20％。
如图3a～3d，上述实施例1和对比例1的熔池与钢侧处SEM和线扫描结果照片，图3(a)、(b)表示的是未做织构化处理的熔池与钢侧处SEM和线扫描结果，图3(c)、(d)表示的是经过织构化处理(织构深度为34.865μm)的熔池与钢侧处SEM和线扫描结果。从图中可以看出，焊接熔池均以Cu元素为主，图3(d)与图3(b)相比，钢侧的Fe元素沿着界面层向熔池内部发生较大扩散，提高了铜钢间冶金相容性。
如图4a～4b，上述实施例1和对比例1的熔池与钢侧显微组织照片，图4a是未做织构化处理的熔池与钢侧显微组织，图4b是经过织构化处理的熔池与钢侧显微组织。从图中可以看出，在放大倍数为200倍下，经过织构化处理的熔深与未做织构化处理的熔深相比有所增加，从而提高焊接强度。
综上所述，本发明将激光织构加工技术与激光焊接技术有效结合，提高铜钢异种金属结合强度。能够高效快速的在金属表面刻蚀出形状可控、均匀平整的平行微织构，同时也能够刻蚀出其他各种形状复杂的微织构，加工效率高；不需要额外使用焊丝，大幅度降低生产成本；通过在焊接面织构化的处理，改善了焊接熔池内的冶金反应，增强了钢侧Fe元素向熔池内部的扩散效果，提高了铜钢金属焊接的结合强度，使焊接接头抗拉强度提高20％以上。本发明方法适合异种金属激光焊接等相关领域，其应用前景广泛。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。
Claims (8)
1.提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其特征在于：首先，对焊接搭接处的金属表面进行预处理；然后，采用皮秒脉冲激光器在焊接搭接处的金属表面加工构建平行凹槽织构；最后，采用脉冲绿光碟片激光器对铜钢异种金属进行激光叠焊，提高焊接强度。
2.根据权利要求1所述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其特征在于：采用输出波长为980～1070nm、倍频后波长为515nm、激光器最大输出功率为50w、重复频率为0～400kHz、脉冲宽度小于15ps的皮秒脉冲激光器在焊接搭接处的金属表面加工形成平行凹槽织构。
3.根据权利要求2所述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其特征在于：采用输出波长为1030nm、倍频后波长为515nm、激光器平均功率为30w、峰值功率50w、重复频率为400kHz、脉冲宽度小于15ps的皮秒脉冲激光器在焊接搭接处的金属表面加工形成平行凹槽织构。
4.根据权利要求1所述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其特征在于：所述平行凹槽织构的深度为0～45μm，表面粗糙度值≤9μm。
5.根据权利要求1或4所述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其特征在于：所述平行凹槽织构的方向沿激光加工方向，均匀分布在搭接表面。
6.根据权利要求1所述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其特征在于：先用砂纸打磨焊接搭接处的金属表面，去除表面划痕和黑色氧化物；再用无水乙醇擦洗焊接搭接处的金属表面，去除表面附着的油脂污渍。
7.根据权利要求1所述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其特征在于：脉冲绿光碟片激光器对铜钢异种金属进行激光叠焊，激光功率为3000～3500w，重复频率为7～10Hz，脉冲宽度为8～10ms，离焦量为+5～8mm。
8.根据权利要求7所述的提高铜钢异种金属激光叠焊接头强度的方法，其特征在于：脉冲绿光碟片激光器对铜钢异种金属进行激光叠焊，激光功率为3300w，重复频率为10Hz，脉冲宽度为10ms，离焦量为+8mm。
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