CN112222624A - 一种SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，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。本方法通过激光束与电弧对复合材料的激光电弧复合焊，在焊接过程中添加硅元素含量较高的焊丝，可有效地避免焊缝内合金元素的烧损，提升液态熔池的流动性，抑制减少焊缝内缺陷和脆性化合物的生成，进而提升焊缝力学性能，焊缝强度可达到母材强度的60％以上，并且该方法焊缝成形质量较好，操作工艺简单，成本低。

Description

一种SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法
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电弧复合焊接领域，具体涉及一种SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法。
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接，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以此来对金属基复合材料进行焊接提升焊缝力学性能。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；而且并不能稳定得到高强度的焊缝，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激光电弧复合焊接方法，该方法通过在激光焊接时添加已经商业化的高份数质量的硅焊丝作为填充材料，并施加电弧热作用，可以有效地避免焊缝内合金元素的烧损，硅元素的添加，能大大提升熔池的流动性，并抑制焊缝内脆性化合物的生成，进而提升焊缝力学性能，该方法焊缝成形质量较好，操作工艺简单，成本较低。
提供一种SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
将两个工件对接构成组合件，两个工件的顶表面接触处为结合缝；所述两个工件为SiC颗粒增强的铝基复合材料；
将激光束引导至所述组合件的结合缝，同时将电弧引导至所述组合件的结合缝；
将所述激光束与电弧沿着所述组合件的结合缝作为焊接路径行进，通过激光束与电弧对组合件的共同作用，使组合件结合缝形成焊接接头；
所述电弧是由熔化极气体保护焊产生的，焊丝的硅元素含量为4-15％。
优选地，所述焊丝的抗拉强度低于200N/mm2。
优选地，所述SiC颗粒增强铝基复合材料的基体相为2A12、2A11、2A14、6A02、6005A中的任一种，所述SiC增强相在复合材料中所占的体积分数为5-50％；
优选地，所述激光束与工件组合件顶表面的夹角为70-85°，所述焊丝与工件组合件顶表面的夹角为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d为0.5-1.5mm。
优选地，所述激光束的入射功率为3-30KW，所述产生电弧的电流为80-300A。
优选地，所述焊丝为铝合金焊丝，其直径为0.8-1.6mm之间，焊丝的干伸长度L为10-20mm。
优选地，所述焊接过程的焊接速度为2m/min-10m/min。
优选地，所述焊接过程中添加保护气体，气体流量为10-30L/min。
优选地，所述激光束的离焦量为-10-10mm。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：该方法通过在激光焊接时添加已经商业化的高份数质量的硅焊丝作为填充材料，并施加电弧热作用，可以有效地避免焊缝内合金元素的烧损，硅元素的添加，能大大提升熔池的流动性，并抑制焊缝内脆性化合物的生成，进而提升焊缝力学性能，该方法焊缝成形质量较好，操作工艺简单，成本较低。
附图说明
图1—本发明所涉及的激光复合焊接的整体示意图；
图2为两工件构成的对接组合件；
图3为本发明中图1所示的激光复合焊接的正视图；
图4为图3中的局部放大图；
图5为本发明实施例1中所得焊缝强度与母材强度的对比结果；
1—激光束；2—焊丝；3—焊枪；4—第一工件；5—第二工件；6—焊缝；7—激光加工头；561—组合件的顶表面；562—组合件的结合界面；563—组合件的顶表面的结合缝；α—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；d—光丝间距；L—焊丝的干伸长度；
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，其中激光束1由激光器发射经激光加工头7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为弧焊焊枪，2为焊枪内的焊丝，其中通过焊枪和焊丝是熔化极气体保护焊系统的一部分，焊丝通过系统的送丝轮送进，导电嘴导电，在焊接材料与焊丝之间产生电弧，使焊丝和工件材料熔化，并在焊接过程中可添加保护气体来保护电弧和熔融金属来进行焊接的，整个焊接过程中焊丝以一定的速度被输送。本发明中激光焊接系统与熔化极气体保护焊接系统构成激光复合焊接系统，该复合焊接系统可同时控制激光焊接参数和弧焊焊接参数，利用激光器发射的激光束经过传输介质，例如光纤传输至激光加工头7，激光加工镜头7一般是安装在具有多个轴可运动的机床或机器人臂上，激光加工头7通过内部的反射镜片实现激光束的准直和聚焦，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上，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。弧焊枪3为熔化极气体保护焊中的一部分，熔化极气体保护焊利用焊丝2与工件间通以一定的电流、电压来产生的电弧作热源将金属熔化，其采用的焊接电源可以是直流型或交流型的。
4、5分别为待焊的第一工件和第二工件，至少其中一个为以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4、5分别具有厚度，通常为1到10mm之间，可以彼此相同或不同。
现在参考图3、图4，首先将两工件5和6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561和结合界面562，然后分别将激光束引导至工件顶表面561，同样将焊丝引导至工件顶表面561，其中激光束与工件所在平面具有夹角，一般为50-85°，即图3、图4中所示的与工件的垂直面的夹角α为5-40°。焊丝与工件组合件顶表面夹角为40-60°，即图3、图4中所示的β为30-50°。焊丝2在焊枪3具有伸出端，其中干伸长为L，一般为10-20mm，其中焊丝2为铝合金焊丝，且其硅元素含量为5％-15％，例如4043铝硅合金焊丝等，其直径为0.8-1.6mm。激光束入射点与焊丝之间具有间距d，一般地该光丝间距为0.5-3mm。而激光束的离焦量为-10-10mm之间。
然后启动激光复合焊接系统，焊接过程的焊接速度为2m/min-10m/min，焊丝的送丝速度为3m/min-10m/min，在弧焊枪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。激光束与电弧作用与组合件的顶表面形成焊接熔池并使熔化的焊丝填充至熔池内最终冷却凝固形成焊缝6。
通过在激光焊接时添加已经商业化的高份数质量的硅焊丝作为填充材料，并施加电弧热作用，可以有效地避免焊缝内合金元素的烧损，硅元素的添加，能大大提升熔池的流动性，并抑制焊缝内脆性化合物的生成，进而提升焊缝力学性能，该方法焊缝成形质量较好，操作工艺简单，成本较低。
实施例1
如图5所示为对4mm厚的SiC增强铝基复合材料进行激光复合焊的接头力学性能。其中使用激光功率为6000W，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°，离焦量为0，而焊丝材质为1.6mm的ER4043,Si元素含量为5％，送丝角度β为35°，采用保护气体为氩气，流量为25L/min，从焊缝的力学性能测试可看出，焊缝强度可达到母材的61.1％，可满足使用条件。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，基于本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不脱离本发明原理和没有做出创造性劳动的前提下，所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：
将两个工件对接构成组合件，两个工件的顶表面接触处为结合缝；所述两个工件为SiC颗粒增强的铝基复合材料；
将激光束引导至所述组合件的结合缝，同时将电弧引导至所述组合件的结合缝；
将所述激光束与电弧沿着所述组合件的结合缝作为焊接路径行进，通过激光束与电弧对组合件的共同作用，使组合件结合缝形成焊接接头；
所述电弧是由熔化极气体保护焊产生的，焊丝的硅元素含量为4-15％。
2.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述焊丝的抗拉强度低于200N/mm2。
3.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述SiC颗粒增强铝基复合材料的基体相为2A12、2A11、2A14、6A02、6005A中的任一种，所述SiC增强相在复合材料中所占的体积分数为5-50％；
4.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述激光束与工件组合件顶表面的夹角为70-85°，所述焊丝与工件组合件顶表面的夹角为40-60°。
5.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述激光束在组合件顶表面的入射点与焊丝末端的间距d为0.5-1.5mm。
6.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述激光束的入射功率为3-30KW，所述产生电弧的电流为80-300A。
7.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述焊丝为铝合金焊丝，直径为0.8-1.6mm之间，焊丝的干伸长度L为10-20mm。
8.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述焊接过程的焊接速度为2m/min-10m/min。
9.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述焊接过程中添加保护气体，气体流量为10-30L/min。
10.如权利要求1所述SiC颗粒增强铝基复合材料的激光电弧复合焊接方法，其特征在于，所述激光束的离焦量为-10-10mm。
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