CN111975202A - 一种异种金属材料的激光焊接方法 - Google Patents

一种异种金属材料的激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种异种金属材料的激光焊接方法。本方法首先对两种金属表面进行打磨抛光并清洗，再通过激光器对金属A表面进行两次无化学激光选区微织构处理，其中织构为梯形状，接着使金属A定位在金属B的顶部并且织构面向金属B表面。然后通过激光焊接熔化金属B，使其填充在织构的间隙中，最终完成异种金属焊接件。本方法在不改变激光产生的温度分布的情况下，通过激光束对焊接表面进行微织构处理来增大冷凝传热系数，提高焊接面的动压润滑性能并增大焊接接头间的粘合面积，从而可以提高异种金属焊缝处的质量、机械强度以及焊接件的最大拉伸剪切载荷。

Description

一种异种金属材料的激光焊接方法
技术领域
本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种异种金属材料的激光焊接方法。
背景技术
为满足现代装备轻量化、高性能化和低成本化制造的发展要求，异种合金连接结构在汽车、航空航天、船舶以及军事国防等领域的应用不断扩大。随着异种合金连接结构应用的日益增多，其高效、优质连接问题越来越受到研究人员的重视。然而，由于铝和钢的热物理性质存在很大差异，冶金相容性差，采用普通的熔化焊接方法难以实现连接。尽管摩擦焊、爆炸焊、扩散焊、超声波焊等一些固态焊接方法能够实现异种合金的连接，但受到工艺局限性的限制，焊接效率较低，加工柔性差，连接件的尺寸大小受加热设备的限制，制造大尺寸零件和结构复杂工件较为困难，应用受到一定的限制。
激光微织构加工通过激光照射能量区域以及照射时间，来获得具有一定形貌的凹坑织构表面，其以优异的减摩润滑性能而应用广泛。传统激光微织构工艺方法普遍使用低表面能化学试剂辅助修饰，会带来环境污染，且亲疏水图案为简单几何拼接，滴状冷凝区域占比小。而激光选区微织构工艺可以增强金属表面冷凝传热系数。激光选区微织构时间只需10s，恒温热处理为1d，具有更短的制备周期，仅为一般加工方法的几十分之一。激光选区微织构图案为具有冷凝液流自驱动功能的结构单元组成，加快了冷凝液流汇聚脱离，且表面未涂覆低表面能物质膜层增大热阻，为强化金属表面冷凝传热提供了无化学辅助的高效加工方法。多次激光微织构工艺能最大限度降低激光加工产生的负面热效应，且多脉冲作用对微织构内部形貌具有“平滑”作用；同时，在保证单个脉冲材料去除率的条件下，提高了激光加工高质量微织构的总效率。
热处理有利于微织构凸起与沟槽表面的微米-纳米级别毛刺的充分长大。在热处理过程中，超亲水表面的细小绒絮状毛刺结构发生氧化，使得激光微织构表面在经过热处理工艺后毛化更充分，形成比较稳定的纳米氧化层。同时，热处理后的微织构表面具有更低的表面能，因此表现出良好的超疏水特性。
激光焊接作为一种高能束焊接方法，相比传统焊接方法，具有高能量密度、焊接热输入低，且对工件的加热位置及局部热输入可精确控制，热影响区窄，焊缝美观，生产效率高等突出优点。但是异种合金焊接在接头内易形成脆硬的金属间化合物，接头界面液态金属对固态异种金属的润湿性很差，给焊缝成形、焊接过程带来很大麻烦，如焊接接头存在较大的应力，易产生焊接裂纹等，严重地降低了焊接接头处的有效接触面积和焊缝处的机械强度。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种异种金属材料的激光焊接方法。本方法首先对两种金属表面进行打磨抛光并清洗，再通过激光器对金属A表面进行两次无化学激光选区微织构处理，其中织构为楔形状，接着使金属A定位在金属B的顶部并且织构面向金属B表面。然后通过激光焊接熔化金属B，使其填充在织构的间隙中，最终完成异种金属焊接件。
本发明采用的技术方案，具体步骤如下：
(1)先用砂纸对金属A和B打磨并抛光，再用丙酮对其表面进行清洗，去除油污及碎片，获得洁净表面试样；
(2)采用纳秒脉冲光纤激光对金属A上规格为1400～1700mm2的待焊接区域C进行激光正交扫描选区微织构处理，设置激光参数如下：功率60～80W，波长1059～1065nm，脉宽10～250ns，脉冲能量0.6～0.7mJ，脉冲数3～5，扫描速度300～400mm/s，X与Y方向设置相同激光扫描间距50μm，将区域C加工出正方形网格沟槽-凸起结构的超亲水表面。然后将试样放入电热恒温干燥箱，设置120℃热处理24h，降低材料表面自由能，由超亲水转变为超疏水表面。接着对第一次加工出的正方形网格沟槽-凸起结构进行二次激光选区微织构。第二次微织构加工参数相比于第一次微织构参数除脉宽降低16％，激光器输出能量为第一次微织构的65％，其他参数保持不变。第二次微织构处理后区域C获得超疏水-超亲水两种梯形图案相间的微织构表面，其中沟槽为超疏水表面，凸起结构为超亲水表面；
(3)将金属A定位在金属B的顶部，且织构面向金属B表面；
(4)对金属A中的区域C和金属B的重合区域进行激光焊接，参数如下：功率6～8kW，波长1060～1080nm，光斑直径10～15mm，能量密度20～30MW/m2，持续时间为2～5s，重复频率10～15HZ，使得熔化为液体状的金属B填充在织构的间隙中；
(5)最终完成异种金属焊接件。
本发明有益效果：通过激光束对待焊接表面进行微织构处理，来提高焊接面的动压润滑性能和冷凝传热系数并增大焊接接头间的粘合面积，从而可以提高异种金属焊缝处的机械强度以及焊接件的最大拉伸剪切载荷。相比于未处理试样，通过该方法得到的异种金属焊接件的平均拉伸剪切载荷显著提高。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为金属A表面激光选区微织构图。
图2为金属A和金属B的激光焊接示意图。
图3为未处理试样与处理试样的拉伸剪切载荷对比图。
附图标注：1.激光束2.铝3.铜衬底4熔融铝5.铁
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。
本实施例所采用的试样，其中金属A为0.85mm厚的CR4低碳钢，金属B为1mm厚的5083铝合金，钢板和铝板的长度为100mm，宽为40mm。
一种使用上述焊接方法进行处理的试样的实例，其步骤为：
对比例一：
(1)先用砂纸对钢板和铝板打磨，再用丙酮对其表面进行清洗，去除油污及碎片；
(2)将钢板定位在铝板的顶部；
(3)对钢板和铝板的重合区域进行激光焊接，使得熔化为液体状体的铝板与钢板结合，激光加工的参数如下：光斑直径13mm，能量密度22.7MW/m2，持续时间为3s，脉宽220ns，激光功率8kW；
(4)最终完成异种金属焊接件。
实施例二：
(1)先用砂纸对钢板和铝板打磨，再用丙酮对其表面进行清洗，去除油污及碎片；
(2)采用纳秒脉冲光纤激光对钢板上规格为40mm×40mm的区域C进行激光正交扫描选区微织构处理，激光束从距区域C的X边8mm和Y边2mm处沿着X方向开始加工，X与Y方向设置相同激光扫描间距50mm，将区域C加工出正方形网格沟槽-凸起结构，正方形网格沟槽尺寸为5mm×5mm，深度为102μm。然后将试样放入电热恒温干燥箱，设置120℃热处理24h。接着对正方形网格沟槽进行第二次激光微织构，选区获得超疏水-超亲水两种梯形图案相间的微织构表面，梯形状凹槽上底为7mm，下底为5mm，高为12mm。第一次激光微织构参数如下：功率74W，波长1060nm，脉宽240ns，脉冲能量为0.6mJ，光斑直径3mm，脉冲数5，扫描速度350mm/s；第二次激光微织构参数如下：脉宽200ns，脉冲能量0.39mJ，其他参数保持不变；
(3)将钢板定位在铝板的顶部，且织构面向铝板表面；
(4)对钢板中的区域C和铝板的重合区域进行激光焊接，使得熔化为液体状体的铝板填充在织构的间隙中，激光焊接的参数如下：光斑直径13mm，能量密度22.7MW/m2，持续时间为3s，脉宽220ns，激光功率8kW，重复频率10HZ；
(5)最终完成异种金属焊接件。
经过上述方法对钢材试样进行表面微织构后的焊接件，与未处理试样相比较，结果如图3所示。未经处理试样所测的平均拉伸剪切载荷为3.9kN，处理后试样的平均拉伸剪切载荷为4.7kN，与未处理的焊接件相比，该方法可提高越20.5％的最大拉伸剪切载荷。

Claims (4)

1.一种异种金属材料的激光焊接方法，其特征在于，首先对两种金属表面进行打磨抛光并清洗，再通过激光器对金属A表面进行两次无化学激光选区微织构处理，最终织构为梯形状，接着使金属A定位在金属B的顶部并且织构面向金属B表面，然后通过激光焊接熔化金属B，使其填充在织构的间隙中，最终完成异种金属焊接件，具体步骤如下：
(1)先用砂纸对金属A和B打磨并抛光，再用丙酮对其表面进行清洗，去除油污及碎片，获得洁净表面试样；
(2)采用纳秒脉冲光纤激光对金属A上待焊接区域C进行激光正交扫描选区微织构处理，将区域C加工出正方形网格沟槽-凸起结构的超亲水表面；然后将试样放入电热恒温干燥箱，热处理降低材料表面自由能，由超亲水转变为超疏水表面；接着对第一次加工出的正方形网格沟槽-凸起结构进行二次激光选区微织构，第二次微织构加工参数相比于第一次微织构参数除脉宽降低16％，激光器输出能量为第一次微织构的65％，其他参数保持不变，第二次微织构处理后区域C获得超疏水-超亲水两种梯形图案相间的微织构表面，其中沟槽为超疏水表面，凸起结构为超亲水表面；
(3)将金属A定位在金属B的顶部，且织构面向金属B表面；
(4)对金属A中的区域C和金属B的重合区域进行激光焊接，使得熔化为液体状的金属B填充在织构的间隙中，完成异种金属焊接件。
2.如权利要求1所述的一种异种金属材料的激光焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，金属A上待焊接区域C的规格为1400～1700mm2，第一次激光正交扫描选区微织构处理的激光参数如下：功率60～80W，波长1059～1065nm，脉宽10～250ns，脉冲能量0.6～0.7mJ，脉冲数3～5，扫描速度300～400mm/s，X与Y方向设置相同激光扫描间距50μm。
3.如权利要求1所述的一种异种金属材料的激光焊接方法，其特征在于，步骤(2)中，热处理的条件为设置120℃热处理24h。
4.如权利要求1所述的一种异种金属材料的激光焊接方法，其特征在于，步骤(4)中，激光焊接参数如下：功率6～8kW，波长1060～1080nm，光斑直径10～15mm，能量密度20～30MW/m2，持续时间为2～5s，重复频率10～15HZ。
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