CN111958113A - 一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法 - Google Patents

一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于焊接技术领域，具体为一种Cu元素‑表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，是针对铝合金和钢存在焊接难度大的缺陷所提出，包括：首先对待焊母材表面进行焊前清理、其次在待焊钢钢板表面进行微织构制备、再次在微织构处理后的待焊钢板表面制备Cu镀层、最后焊接处理四个步骤。本发明通过微织构的制备改善了界面金属间化合物的形貌分布，使铝钢界面脆性金属间化合物由平直粗大向断续弯曲状改变，对裂纹的扩展起到了有效的阻断作用，而且Cu元素的加入阻碍了Fe、Al原子的相互扩散，有效降低了界面金属间化合物层的厚度，改善了界面组织的性能，利用Cu元素‑表面微织构的“冶金‑物理”复合调控有效提升铝钢界面性能。

Description

一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接 方法
技术领域：
本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法。
背景技术：
近年来，随着环境污染和能源紧缺的加剧，汽车车身轻量化成为了现代汽车制造业的发展趋势。汽车重量每降低100kg，油耗可降低0.7L/km，燃油效率可提高6％～8％，而实现车身轻量化的技术体系包括材料轻量化、结构轻量化设计以及在新材料及新结构的基础上提出的新制造工艺，其中，采用高强轻质的新材料如铝、镁、复合材料等是结构及工艺优化的基础和前提。铝及铝合金具有轻质高强、加工性能好、抗腐蚀性能好、产量丰富等优点，曾在车身制造过程中风靡一时。近年来，随着高强钢的不断发展，性能全面而平衡的钢/铝混合车身逐渐成为车身未来轻量化的理想结构。
目前，铝合金和钢的连接方法主要可以分为三类：机械连接、胶接和焊接。机械连接方法：一般难以实现超高强钢的连接，不但效率低下，而且会在工件表面留下明显的痕迹，这对于汽车外壳等对表面要求较高的工件来说是不可取的；胶接方法：一般使用在小型的结构件中，并不适合与像汽车这样受力较大的工件；焊接方法：由于材料本身性质差异较大，导致铝/钢进行冶金连接时面临着较大困难，例如Fe-Al之间溶解度极小，导致二者反应极易生成大量的脆性金属间化合物而恶化接头性能，而脆性相的存在导致铝/钢界面极易开裂，这种缺陷对于动载及周期性载荷来说更为致命。另外，铝/钢之间的润湿性较差，从而导致焊接难度增加。为了解决上述问题，亟需设计一种适用于焊接铝/钢复合结构的方法以控制二者之间的界面反应，得到具有一定使用价值的铝/钢接头。
发明内容：
本发明为克服铝合金和钢存在焊接难度大的缺陷，提供了一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，该方法通过在钢板表面制备微织构以增强铝钢界面的机械咬合作用，并改善界面金属间化合物层的分布形貌，破坏脆性相的平直分布以增强界面的抗裂性能；Cu元素的引入可以有效的抑制界面金属间化合物的不断长大并改善其组织性能。通过物理-冶金复合手段进行界面反应的调控以获得良好的铝/钢界面反应，增强接头整体性能以满足实际生产需要。
本发明采用的技术方案在于：一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，具体方法包括：
步骤一、对待焊母材表面进行焊前清理：对待焊钢板表面进行焊前清洗，对待焊铝板表面进行焊前打磨；
步骤二、在待焊钢板上制备表面微织构：将待焊钢板置于氩气保护气氛当中，采用高频脉冲激光在待焊钢板进行表面微织构处理，通过调整激光器的激光输出强度、脉冲频率、离焦量、焊接速度、扫描次数、扫描路径等参数，以控制表面微织构的形貌；
步骤三、在表面微织构处理后的待焊钢板上制备Cu镀层：将经过表面微织构制备后的待焊钢板置于电镀液中作为阴极，将纯铜板作为阳极，开启直流电源及磁力搅拌器进行电镀，通过调整电镀时间以控制Cu镀层的厚度；
步骤四、焊接处理：将经过表面处理后带有Cu镀层的待焊钢板置于待焊铝板下方，以搭接接头形式对待焊铝板和待焊钢板进行激光焊接，通过调整激光功率、离焦量、焊接速度、送丝速度、送丝角度、激光光斑位置、保护气流量等工艺参数，确定激光行走路线后进行铝/钢激光熔钎焊。
优选地，在步骤一中，对待焊钢板表面进行焊前清洗的具体步骤为，先用丙酮擦洗待焊钢板表面以去除油污，然后在室温下采用5％～10％HCL溶液酸洗2min～4min，采用流动清水冲洗后进行风干或低温干燥处理。
优选地，在步骤一中，对待焊铝板表面进行焊前打磨的具体步骤为，采用角磨机对待焊铝板表面以及侧面进行打磨处理，再用丙酮擦拭打磨后的表面去除油污。
优选地，在步骤二中，表面微织构经处理加工形成的形貌为点阵、沟槽、网格、螺旋线、同心圆中的任意一种。
优选地，在步骤二中，所述激光器为纳秒激光器、飞秒激光器、皮秒激光器中的任意一种。
优选地，在步骤二中，所述激光器采用的激光功率为20-80W，扫描速度为200-2000mm/s，脉冲频率为20-1000kHZ，扫描次数为5-100，表面微织构深度为10-150μm。
优选地，在步骤三中，所述电镀液的成份包括220g/L K4P2O7·3H2O、20g/LC6H17N3O7 48g/L CuSO4·5H2O和24g/L Na2HPO4·12H2O。
优选地，在步骤三中，阴极电流密度设定为0.5-2A/dm2，温度选取为35℃，磁力搅拌器的转速为220r/min，Cu镀层的厚度为5-30μm。
优选地，在步骤四中，所述激光器为光纤激光器、CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器中的任意一种。
优选地，在步骤四中，具体工艺参数为：激光功率为2000-3500W，离焦量为+25mm，焊接速度为0.3-5m/min；采用填充金属为铝基焊丝或锌基焊丝，送丝速度为4-6m/min，保护气为纯Ar气，保护气流量为15L/min，保护气在激光束后方对焊缝进行侧吹保护。
本发明的有益效果是：
本发明通过高频脉冲激光在待焊钢母材表面制备不同形貌的微织构，利用表面微织构形貌有效地增加钢表面粗糙度，以提高铝/钢结合面积，通过相互咬合的界面形貌，增加机械互锁的作用以提升接头强度。在铝/钢界面反应前沿，弯曲的表面状态有利于破坏平直粗大的界面间金属间化合物的层状结构，新生成的界面反应层对于待焊钢板表面的织构形貌具有“继承性”，阻碍了裂纹沿脆性化合物层的快速扩展。此外，本发明通过电镀的手段在待焊钢板的织构形貌上实现了均匀Cu镀层的制备，在焊接过程中通过激光实现对于界面热量的精确控制以达到待焊铝板及Cu镀层熔化，待焊钢板不熔化的效果。其中，由于Cu原子与Fe原子具有相似的原子结构，所以，合金元素Cu的引入可以有效的抑制Fe原子的扩散并与脆性Fe-Al化合物中的Fe原子发生置换而形成Fe-Al-Cu三相化合物，降低了金属间化合物层的厚度，改善了界面反应产物的脆硬性，基于上述的物理-冶金复合调控手段可以有效的提升铝/钢熔钎焊接头的整体性能。
附图说明：
图1为本发明焊接方法的流程示意图；
图2为本发明在制备表面微织构形貌时的状态示意图；
图3为本发明在电镀Cu镀层时的状体示意图；
图4为待焊铝板与待焊钢板安装在夹具上的结构示意图；
图5为本发明在搭接焊接时的状态示意图；
其中：1待焊铝板、2待焊钢板、3Cu镀层、4表面微织构、5保护罩、6磁力搅拌器、7纯铜板、8夹具、9垫板。
具体实施方式：
为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在申请文件中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明为一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，其主要技术原理如下：如图1所示，采用高频脉冲激光处理经清洗过的待焊钢板2表面以完成表面微织构4的制备；采用电镀技术在表面微织构4表面均匀的制备Cu镀层3以在Al-Fe反应体系中引入合金元素Cu；利用激光焊接方法对于整体热输入具有精准控制的特性，通过调节激光焊接工艺参数以控制铝/钢界面温度，实现待焊铝板1及Cu镀层3熔化，并在待焊钢板2的表面微织构4上进行润湿铺展，并发生界面反应的熔钎焊过程。
具体操作步骤如下：
步骤一、对待焊母材表面进行焊前清理
对待焊钢板2表面进行焊前清洗，具体步骤为：先用丙酮擦洗待焊钢板2表面以去除油污，然后在室温下采用5％～10％HCL溶液酸洗2min～4min以去除待焊钢板2表面氧化膜，采用流动清水冲洗后进行风干或低温干燥处理。
对待焊铝板1表面进行焊前打磨，具体步骤为，采用角磨机对待焊铝板1表面以及侧面进行打磨处理，以去除待焊铝板1表面氧化膜，再用丙酮擦拭打磨后的表面去除油污。
所述待焊钢板2厚度为1-5mm，待焊铝板1厚度为1-5mm，本实施例中，以待焊钢板2厚度为1.5mm，待焊铝板1厚度为2mm为例进行介绍。
步骤二、在待焊钢板2的上表面制备表面微织构4
将经过酸洗后的待焊钢板2置于氩气保护罩中固定，封闭保护罩5并充氩气3-5分钟，待保护气氛稳定后，开启纳秒激光器进行表面微织构4的制备，所述激光器可选用纳秒激光器、飞秒激光器、皮秒激光器中的任意一种，所述激光器采用的激光功率为20-80W，扫描速度为200-2000mm/s，脉冲频率为20-1000kHZ，扫描次数为5-100，织构形貌为点阵、沟槽、网格、螺旋线、同心圆等多种方式中的一种，织构形貌的深度为10-150μm。待焊钢板2在表面微织构4制备完成后，需继续保持在氩气保护气氛中，直至冷却至室温后取出，以防止待焊钢板2的氧化。为防止待焊钢板2的氧化，经过表面微织构4制备工艺后的待焊钢板2应尽快进行Cu电镀处理。如图2所示，待焊钢板2经过上述的表面处理后，表面形成了分布均匀的表面微织构4。
步骤三、在表面微织构4处理后的待焊钢板2上制备Cu镀层3
将经过表面微织构4制备后的待焊钢板2置于电镀液中作为阴极，将纯铜板7作为阳极，开启直流电源及磁力搅拌器6进行电镀，选用的电镀液的成份包括220g/L K4P2O7·3H2O、20g/L C6H17N3O7 48g/L CuSO4·5H2O和24g/L Na2HPO4·12H2O。选用的阴极电流密度为0.5-2A/dm2，温度选取为35℃，磁力搅拌器6的转速为220r/min，Cu镀层3的厚度为5-30μm。
如图3所示，经过上述表面处理后，将带有Cu镀层3及表面微织构4的待焊钢板2与待焊铝板1以搭接接头的形式进行装夹。
步骤四、焊接处理
将经过表面处理后的待焊钢板2置于待焊铝板1下方，以板材规格为50×100mm为例，搭接长度为5-15mm。待焊材料搭接完成后置用夹具8夹紧，使待焊铝板1紧密与待焊钢板2表面的Cu镀层3及表面微织构4接触，其中夹具8的夹紧力为100-2500N。为了保证待焊材料处于水平状态，在处于待焊钢板2上方的待焊铝板1与夹具8之间放置与待焊钢板2等厚的垫板9。
完成了上述准备工作后，进入激光熔钎焊环节。由于激光焊接具有对于精确控制热量输入的特点，而对于焊接系统的能量输入是由激光功率、焊接速度、激光离焦量、激光偏移量、送丝速度等因素共同决定的。在激光熔钎焊过程中，通过对界面热循环的温度控制使得填充焊丝、待焊铝板1与待焊钢板2表面Cu镀层3熔化、混合，并在表面微织构4进行润湿铺展及冶金反应，而待焊钢板2保持固态，以最大程度上抑制铁、铝原子的混合而造成Fe-Al脆性金属间化合物的不断形成及长大。考虑以上因素，铝/钢熔钎焊所选用的激光功率为2000-3500W，离焦量为+25mm，焊接速度为0.3-0.5m/min；选用的保护气为纯Ar气，保护气流量为15L/min，保护气在激光束后方对焊缝进行侧吹保护。采用填充金属为铝基焊丝或锌基焊丝，送丝速度为4-6m/min，为了保证熔融铝在待焊钢板2上具有良好的润湿铺展性能，激光束偏移向钢侧0.5-1.5mm，激光束沿铝/钢界面进行直线焊接。
本步骤中所述激光器为光纤激光器、CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器中的任意一种。
实施例1
一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法：
步骤一、选用1.5mm厚的DP980钢板和2mm厚的6061铝合金板，根据上述方法分别对待焊钢板2表面和待焊铝板1进行焊前清洗；
步骤二、采用高频脉冲激光对待焊钢板2进行表面微织构4的制备，其中激光功率为60W，扫描速度为500mm/s，脉冲频率为30kHZ，织构形貌采用垂直于焊缝方向的沟槽，间距为1mm，扫描次数为10次；
步骤三、采用电镀工艺对带有表面微织构4的待焊钢板2进行Cu镀层3的制备，镀层厚度为10±1μm；
步骤四、将处理后的待焊钢板2与待焊铝板1，以待焊铝板1在上，待焊钢板2在下的搭接形式放置并夹紧，采用IPG-6kW光纤激光器对其进行熔钎焊，选用的激光功率为3000W，焊接速度5m/min，激光离焦量为+25mm，采用锌基焊丝，送丝速度为5m/min，光束向钢板偏移量为1mm。
采用上述的焊接参数得到的铝钢搭接接头成型良好，无明显的未熔合缺陷、咬边及气孔缺陷。铝在钢表面铺展长度为3.5mm，对界面进行观察，发现铝/钢界面处有0.5-5μm的界面金属间化合物断续分布，对搭接接头进行拉-剪测试，制备的拉伸试样宽度为10mm，接头最大承载力为3844N。
实施例2
一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法
步骤一、选用1.5mm厚的DP980钢板和2mm厚的6061铝合金，按上述方法进行板材的清洗；
步骤二、采用高频脉冲激光对待焊钢板2进行表面微织构4的制备，其中焊接功率为60W，焊接速度为500mm/s，脉冲频率为30kHZ，采用网格的织构形貌，间距为1.5mm，焊接循环次数为10次；
步骤三、采用电镀工艺对带有表面微织构4的待焊钢板2进行Cu镀层3的制备，Cu镀层3的厚度为10±1μm；
步骤四、将处理后的待焊钢板2与待焊铝板1，以待焊铝板1在上，待焊钢板2在下的搭接形式放置并夹紧，采用IPG-6kW光纤激光器对其进行熔钎焊，选用的激光功率为3000W，焊接速度5m/min，激光离焦量为+25mm，采用锌基焊丝，送丝速度为5m/min，光束向待焊钢板2的偏移量为1mm。
采用上述的焊接参数得到的铝钢搭接接头成型良好，无明显的未熔合缺陷、咬边及气孔缺陷。铝在钢表面铺展长度为4.2mm，对界面进行观察，发现铝/钢界面处存在0.8-4.4μm的界面金属间化合物断续分布，对搭接接头进行拉-剪测试，制备的拉伸试样宽度为10mm，接头最大承载力为4120N。
对比例
与实施例1相比，当待焊材料的清洗流程与熔钎焊方法及参数一致，而未经过表面微织构4的制备以及Cu镀层3的制备时，铝/钢界面处存在2-12μm厚的界面金属间化合物层，并在界面处呈层状连续分布，在激光辐照位置存在微裂纹，对搭接接头进行拉-剪测试，制备的拉伸试样宽度为10mm，接头最大承载力为2850N。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，这些具体实施方式都是基于本发明整体构思下的不同实现方式，而且本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，其特征在于，具体方法包括：
步骤一、对待焊母材表面进行焊前清理：对待焊钢板(2)表面进行焊前清洗，对待焊铝板(1)表面进行焊前打磨；
步骤二、在待焊钢板(2)上制备表面微织构(4)：将待焊钢(2)板置于氩气保护气氛当中，采用高频脉冲激光在待焊钢板(2)进行表面微织构(4)处理，通过调整激光器的激光输出强度、脉冲频率、离焦量、焊接速度、扫描次数、扫描路径等参数，以控制表面微织构(4)的形貌；
步骤三、在表面微织构(4)处理后的待焊钢板(2)上制备Cu镀层(3)：将经过微织构制备后的待焊钢板(2)置于电镀液中作为阴极，将纯铜板(7)作为阳极，开启直流电源及磁力搅拌器(6)进行电镀，通过调整电镀时间以控制Cu镀层(3)的厚度；
步骤四、焊接处理：将经过表面微织构(4)处理后带有Cu镀层(3)的待焊钢板(2)置于待焊铝板(1)下方，以搭接接头形式对待焊铝板(1)和待焊钢板(2)进行激光焊接，通过调整激光功率、离焦量、焊接速度、送丝速度、送丝角度、激光光斑位置、保护气流量等工艺参数，确定激光行走路线后进行铝/钢激光熔钎焊。
2.如权利要求1所述的一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，其特征在于：在步骤一中，对待焊钢板表面(2)进行焊前清洗的具体步骤为，先用丙酮擦洗待焊钢板(2)表面以去除油污，然后在室温下采用5％～10％HCL溶液酸洗2min～4min，采用流动清水冲洗后进行风干或低温干燥处理。
3.如权利要求1所述的一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，其特征在于：在步骤一中，对待焊铝板(1)表面进行焊前打磨的具体步骤为，采用角磨机对待焊铝板(1)表面以及侧面进行打磨处理，再用丙酮擦拭打磨后的表面去除油污。
4.如权利要求1所述的一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，其特征在于：在步骤二中，表面微织构(4)经处理加工形成的织构形貌为点阵、沟槽、网格、螺旋线中的任意一种。
5.如权利要求1所述的一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，其特征在于：在步骤二中，所述激光器为纳秒激光器、飞秒激光器、皮秒激光器中的任意一种。
6.如权利要求1或5所述的一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，其特征在于：在步骤二中，所述激光器采用的激光功率为20-80W，扫描速度为200-2000mm/s，脉冲频率为20-1000kHZ，扫描次数为5-100，织构形貌的深度为10-150μm。
7.如权利要求1所述的一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，其特征在于：在步骤三中，所述电镀液的成份包括220g/L K4P2O7·3H2O、20g/LC6H17N3O748g/L CuSO4·5H2O和24g/L Na2HPO4·12H2O。
8.如权利要求1或7所述的一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，其特征在于：在步骤三中，阴极电流密度设定为0.5-2A/dm2，温度选取为35℃，磁力搅拌器(6)的转速为220r/min，Cu镀层(3)的厚度为5-30μm。
9.如权利要求1所述的一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，其特征在于：在步骤四中，所述激光器为光纤激光器、CO2气体激光器、YAG固体激光器、半导体激光器中的任意一种。
10.如权利要求1或9所述的一种Cu元素-表面微织构复合调控作用下的铝/钢激光焊接方法，其特征在于：在步骤四中，具体工艺参数为：激光功率为2000-3500W，离焦量为+25mm，焊接速度为0.3-5m/min；采用填充金属为铝基焊丝或锌基焊丝，送丝速度为4-6m/min，保护气为纯Ar气，保护气流量为15L/min，保护气在激光束后方对焊缝进行侧吹保护。
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