CN112222554B - 一种SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法 - Google Patents

一种SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法 Download PDF

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Abstract

一种SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法，本发明涉及铝基SiC颗粒增强复合材料在焊接时增强相烧损、气孔缺陷倾向较大、易生成脆性化合物，焊接接头强度较低的问题。本方法通过双光束以及填充预热的焊丝对复合材料进行焊接，可减少焊缝内缺陷和脆性化合物的生成，并有助于其均匀化，改善表面成形，最终得到焊接接头强度可达到母材60％以上的焊缝。

Description

一种SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法
技术领域
本发明涉及铝基复合材料的焊接领域，具体为以SiC为增强相的铝基复合材料的激光焊接领域，具体涉及一种SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法。
背景技术
铝基复合材料具有优异的综合性能，其应用日益广泛。特别是碳化硅(SiC)颗粒增强铝基复合材料因其优异的综合性能和较低的价格在航空航天等领域得到越来越多的应用。然而复合材料中的增强相与基体之间热物理性能例如熔点(铝合金约660℃，SiC约2200℃)、导热系数(铝合金约237W/(m.k)，SiC约83.6W/(m.k))、热膨胀系数(铝合金18-25x10-6/K，SiC约4.7x10-6/K)以及化学相容性较差，导致其焊接性较差。特别是在焊接过程中，熔化焊过程会导致复合材料内部元素的烧损，另外基体与增强相之间会发生如下化学反应：
3SiC+4Al＝Al4C3+3Si
反应生成物Al4C3为脆性化合物，严重降低了焊缝的力学性能和抗裂能力。另外在熔化焊时，熔池中有大量的难熔颗粒增强相，造成熔池粘度很高，流动性差，影响焊接时熔池的传热传质行为，造成大量的气孔等缺陷产生。而且在焊接过程中，铝基体极易发生飞溅，在边缘形成凹槽，焊缝成形质量非常差，最终造成焊缝的力学性能较低。
目前，对于SiC颗粒增强的铝基复合材料的焊接方法主要集中在扩散焊、摩擦焊以及钎焊上。而扩散焊和钎焊需要在真空炉中进行，对环境要求较高，成本较高，而且增强相颗粒的存在，严重影响钎料在基材上的润湿铺展。摩擦焊对于材料的形状尺寸具有较大要求，工艺也十分复杂。激光焊接由于其具有焊接效率高、易于实现自动化、焊接热影响区小等优点，越来越多的厂商都希望采用激光焊接来实现SiC增强相的铝基复合材料的焊接，但是同样作为熔化焊，仍存在焊缝内部缺陷多、脆性化合物生成、力学性能低等问题。
授权号为CN102699465的专利文本中公开了一种先通过在材料表面制备纳米晶粒，然后再添加银基、铝基或锌基的钎料，最后利用双光束的激光焊来实现复合材料的连接。该方法工艺复杂，而且需添加成分比较复杂的钎料来实现焊接，本质上属于钎焊，焊接速度也较慢，而造成整个制造过程成本较高。
公开号为CN101285160A的专利文本中公开了一种在焊接过程中添加超声振动的方法来细化焊缝基体组织，使增强相均匀分布，来达到提高焊缝接头性能的目的。公开号为CN101954542A的专利文本中公开了一种利用激光焊接过程中添加与基材匹配的焊丝并且在后方添加陶瓷颗粒对金属基复合材料进行焊接以提升焊缝力学性能。该方法还需要添加陶瓷颗粒，工艺较复杂。公开号为CN105397296A的专利文本中公开了一种在金属基复合材料激光焊接时同时安装同轴送粉和旁轴送粉，添加增强相颗粒至焊缝中来抑制增强相颗粒的烧损，虽然该方法可抑制增强相的烧损，但是该方法系统设备比较复杂，整个制造成本也很高。
显然，无论是添加钎料、陶瓷或是同步送粉，都成本较高，工艺复杂；所以该领域缺少一种工艺简单，成本较低而且接头性能较好的焊接方法来实现SiC颗粒增强铝基复合材料的焊接。
发明内容
针对以上内容，本发明提供了一种SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法，本方法通过双光束以及填充预热后的焊丝对复合材料进行焊接，可减少焊缝内缺陷和脆性化合物的生成，有助于内部脆性化合物的均匀化，最终得到焊接接头强度更高的焊缝。
本发明提供的解决方案为：
提供一种SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法，所述方法包含以下步骤：
首先将两个工件对接构成组合件，两工件组合件具有顶表面，两个工件的顶表面接触处为结合缝，其中两工件为SiC颗粒增强的铝基复合材料；
提供两束入射点具有间距的第一激光束和第二激光束，第一激光束与第二激光束具有间距，分别将激光束引导至所述组合件顶表面的结合缝；并提供一种焊丝至结合缝，将焊丝预热至温度达到其熔点的10％-40％，其末端与第一激光光束具有光丝间距；
将所述第一、第二激光束以及焊丝沿着所述组合件的结合缝行进，通过第一激光束熔化焊丝及基材形成初始焊缝，再利用第二激光束对形成的初始焊缝进行快速热处理，使组合件结合缝处形成焊接接头。
所述第二激光束的功率与第一激光束的功率之比为0.2-0.8，焊丝在焊接过程中以3m/min-10m/min的速度被输送。
优选地，所述焊丝预热是通过熔化极气体保护焊实现的，其预热电流为20-100A。
优选地，所述第一、第二激光束与工件组合件顶表面具有夹角为70-85°，所述焊丝与工件组合件顶表面夹角为40-60°。
优选地，所述激光束在组合件顶表面的入射点与焊丝末端的间距为0.5-1.5mm。
优选地，所述第一激光束的入射功率为3-30KW。
优选地，所述焊丝为铝合金焊丝，其直径为0.8-1.6mm，焊丝的干伸长度为5-15mm。
优选地，所述焊接过程的焊接速度为2m/min-10m/min。
优选地，所述第二激光束入射点与第一激光束入射点的间距为3-8mm。
优选地，所述第一、第二激光束的离焦量为-10-10mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：相比添加钎料，本发明添加的焊丝已经商业化多年，成本更低，而且通过对焊丝进行预热，使其软化，可大大增加其在焊接熔池中的流动性，而减少焊缝内的脆性化合物生成和聚集，而通过第二激光束的快速热处理有利于其在焊缝中的均匀分布，提升焊缝表面成形质量，最终提升焊缝强度。并且由于焊丝并未完全加热至熔化，可降低焊接时焊缝加热的剧烈程度，减少飞溅等产生，提高表面成形质量。
附图说明
图1为本发明中所涉及到的一种实施例的焊接过程整体示意图；
图2为图1所示实施例的正视图；
图3为图1所示实施例的俯视图；
图4为图1所示实施例的侧视图；
图5所示为使用实施例中本发明方法所得焊缝的表面形貌；
图6所示为使用实施例中本发明方法所得焊缝的力学性能与基材性能的对比结果；
图7所示为使用普通单激光方法所得焊缝的表面形貌；
图8所示为使用普通单激光方法所得焊缝的力学性能与基材性能的对比结果；
图中，1—第一激光束；11—第一激光束光斑；21—第一激光束光斑；2—第二激光束；3—送丝枪；4—焊丝；41—焊丝端部投影；5—焊缝；6—第一工件；7—第二工件；671—组合件的顶表面；672—组合件的结合缝截面；673—组合件顶表面上的结合缝；α1—第一激光束与组合件顶表面垂直面的夹角；α2—第二激光束与组合件顶表面垂直面的夹角；β—焊丝与组合件顶表面垂直面的夹角；d1—焊丝与第一激光束间距；d2—第一激光束与第二激光束入射点间距；L—焊丝干伸长。
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，现对照附图说明本发明的具体实施方式，在各图中相同的标号表示相同的部分。需要说明的是，在本发明的权利要求和说明书中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
现在参考图1、图2，其中第一激光束1和第二激光束2是由激光器发射经激光加工头传输出。激光器可以包括多种类型，例如固态激光束或气体激光束，可以是光纤激光器、盘形激光器、半导体二极管激光器和Nd：YAG类的固态激光器，或是二氧化碳气体激光器。3为焊丝的送丝枪，4为焊枪内的焊丝，其中焊枪和焊丝为熔化极气体保护焊系统的一部分，焊丝通过系统的送丝轮被持续输送，焊接过程中以一定的焊接电流(20-100A)，使达到其熔点的10％-40％而软化。本发明中激光焊接系统与送丝枪、焊丝构成激光填丝焊接系统，该复合焊接系统可同时控制激光焊接参数和送丝参数，利用激光器发射的激光束经过传输介质，例如光纤传输并通过编程可迅速且精准地将激光束辐照到组合件待焊位置的顶表面结合缝处，一般认为所输送的激光束具有波长300nm到1400nm波长范围的固态激光束。激光束可以是脉冲形式或连续的，功率范围一般是3000W到30000W。第一激光束与第二激光束可以是由同一个激光器发射出的或是两个单独的激光器发射出的，第二激光束与第一激光束的输出功率之比为0.2-0.8。
6、7分别为待焊的第一工件和第二工件，两工件为以SiC为增强相的铝基复合材料，该复合材料基体为铝合金基体，例如2A12、2A11、2A14、6A02、6005A等铝合金，SiC以颗粒状作为增强相分布在铝合金基体内构成复合材料，其在复合材料中所占的体积分数为5-50％；工件6、7分别具有厚度，通常为1到10mm之间，可以彼此相同或不同。
参考图2、图3、图4，首先将两工件6和7以对接的接头形式组合为待焊焊接结构，组合构件具有顶表面671和结合界面672，然后分别将第一激光束1、第二激光束2引导至工件顶表面671上的结合缝673，同样将焊丝引导至工件顶表面671上的结合缝673，其中第一激光束与工件所在平面具有夹角，一般为70-85°，即图2中所示的与工件的垂直面的夹角α1为5-20°。同样，第二激光束与工件垂直面的夹角α2为5-20°，α1与α2可以相同或不同；焊丝与工件组合件顶表面垂直面夹角为40-60°，β为30-50°。两激光束在工件顶表面具有第一光斑11和第二光斑21，两光斑大小可以相同或不同。焊丝4在焊枪3中具有伸出端，其中干伸长为L，一般为5-15mm，其中焊丝4为铝合金焊丝，例如5356铝镁合金焊丝、4043铝硅合金焊丝等，其直径为0.8-1.6mm。第一激光束入射点11与焊丝端部41之间具有间距d1，一般地该光丝间距为0.5-1.5mm。第一激光束光斑11与第二激光束光斑具有间距d2，而两激光束的离焦量为-10-10mm之间，可以相同或不同。
然后启动双光束激光填丝焊接系统，焊接过程的焊接速度为2m/min-10min/min，一般地在焊枪3内通以保护气体作用于熔池周围，一般地为惰性气体，气体流量为10-30L/min。通过第一激光束1使焊丝4和工件6、7熔化形成焊缝，并快速的通过第二激光束2对形成的焊缝快速热处理，最终冷却凝固形成焊缝5。
通过在焊接过程中将预热后的焊丝输送到焊缝中，可大大避免焊缝内合金元素的烧损，并通过第二激光束的快速热处理可减少焊缝内的脆性化合物聚集，并且由于焊丝被预热软化，可大大改善其对熔池的冲击，减少飞溅等产生，提升表面质量，最终提升焊缝力学性能。该方法焊缝成形质量较好，操作工艺简单，成本较低，所用焊丝为已商业化多年的产品，具有更低的成本优势。
实施例
如图5、6所示为使用本发明方法所得焊缝的表面形貌和焊缝力学性能结果。其中工件6、7均为4mm厚的SiC增强铝基复合材料，第一激光束与第二激光束为同一个激光器所发出的两束光斑能量可调的激光束，激光束总功率为8000W，第一与第二激光束功率之比为2:1，光斑间距d2为3mm，离焦量均为0，焊接速度4.2m/min，送丝速度为5m/min，光丝间距d1为0.5mm，激光束入射角度α1与α2均为10°，而焊丝材质为1.2mm的ER4043铝硅合金焊丝,送丝角度β为32°，焊丝预热电流为20A，采用保护气体为氩气，流量为10L/min，从焊缝表面质量可看出成形较好，而从焊缝的力学性能测试可看出，焊缝强度可达到母材的62.6％。
对比例
如图7、8所示使用普通的单激光填丝焊接方法所得的焊缝表面质量和力学性能结果。其中工件6、7均为4mm厚的SiC增强铝基复合材料，单激光束功率为8200W，离焦量为0，焊接速度4.2m/min，送丝速度为5m/min，光丝间距d为0.5mm，激光束入射角度α为10°，而焊丝材质为1.2mm的ER4043铝硅焊丝,送丝角度β为32°，采用保护气体为氩气，流量为10L/min。其与发明方法的主要区别就是只有一束激光束作用，且未对焊丝进行预加热，从焊缝表面质量可看出成形较差，有飞溅产生，而从焊缝的力学性能测试可看出，焊缝强度只能达到母材的49.2％。

Claims (5)

1.一种SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：
首先将两个工件对接构成组合件，两工件组合件具有顶表面，两个工件的顶表面接触处为结合缝，其中两工件为SiC颗粒增强的铝基复合材料；
提供第一激光束和第二激光束，使第一激光束与第二激光束入射至所述组合件顶表面的结合缝，且两束激光束在该结合缝上具有一定间距；
提供一焊丝至结合缝，将焊丝预热至温度达到其熔点的10％-40％，焊丝末端与第一激光束具有光丝间距；
将所述第一、第二激光束以及焊丝沿着所述组合件的结合缝行进，通过第一激光束熔化焊丝及基材形成初始焊缝，再利用第二激光束对形成的初始焊缝进行热处理，使组合件结合缝处形成焊接接头；
所述第二激光束的功率与第一激光束的功率之比为0.2-0.8，焊丝在焊接过程中以3m/min-10m/min的速度被输送；
所述焊丝预热是通过熔化极气体保护焊实现的，其预热电流为20-100A；
所述焊丝为铝合金焊丝，直径为0.8-1.6mm，焊丝的干伸长度为5-15mm；
所述第一、第二激光束与工件组合件顶表面具有夹角为70-85°，所述焊丝与工件组合件顶表面夹角为40-60°；所述第一激光束在组合件顶表面的入射点与焊丝末端的光丝间距为0.5-1.5mm。
2.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法，其特征在于，所述第一激光束的入射功率为3-30KW。
3.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法，其特征在于，所述焊接过程的焊接速度为2m/min-10m/min。
4.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法，其特征在于，所述第二激光束入射点与第一激光束入射点的间距为3-8mm。
5.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的双光束激光填丝焊接方法，其特征在于，所述第一和第二激光束的离焦量为-10mm～10mm。
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