CN112518109A - 应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法。本发明通过高频脉冲激光束干预，可增加熔池内部的扰动力，增强马兰戈尼对流效应，加速熔池内部的传热传质，实现熔池内部元素的均匀分布；通过高频脉冲激光束直接或间接干预焊缝熔池的方式整形焊缝接头，可细化焊缝晶粒，获得平整且沿焊缝中心线对称分布的接头形貌；能够弥补因异种金属材料热物理性能参数的差异导致的变形失调，从而实现对焊件不同时间尺度和空间尺度的干预效果，提升异种金属焊缝接头的可靠性；能够有效防止因孔隙、微裂纹缺陷的非对称分布诱发的应力集中现象，进而提升异种金属焊缝接头的综合力学性能。

Description

应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法

技术领域

本发明涉及焊接、增材制造及表面改性技术领域，具体涉及一种应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法。

背景技术

为了满足新型动力同一结构件不同区域功能特性不同的工程需求，结构件需采用异种金属焊接而成。然而，相比于同种材料属性的金属焊件，在异种金属的焊接作业过程中，往往存在着更为复杂的多物理场耦合机制，如材料相变、小孔效应及等离子体效应。此外由于不同金属材料的热膨胀系数存在差异性，焊接时异种金属间往往存在着过大的热失配情况，这将导致焊缝接头熔池三维形貌的非对称分布及熔池元素介质的非均匀性分布，势必会在焊接过程中及焊接结束焊件冷却后产生较大的热应力及残余应力，从而影响熔池的传热、传质及凝固演化机制，在焊件接头位置形成金属间化合物，进而影响焊缝的缺陷分布形式、微观特性及力学性能，最终影响新型动力的工作可靠性。

异种金属材料热物理性能参数的差异性会对焊缝微观特性及力学性能的产生影响。在异种金属的焊接作业时，相比于高熔点的金属材料，低熔点的金属材料先熔化，在表面张力梯度和温度梯度因素的综合作用下，低熔点金属熔化后，其熔池内部会产生马兰戈尼流动，这会加速金属元素的流动，一方面，金属元素电离蒸发，形成金属蒸汽，既造成金属元素的损失，还会形成过大的蒸汽反冲压力，加速熔池的匙孔深度；另一方面，熔池与过热区晶界间的金属元素渗透，也会造成金属元素的损失。在上述两方面因素的综合作用下，焊缝的化学成分发生变化，势必会造成焊缝微观组织及力学性能产生过大的差异性。此外，材料的熔点还与材料对激光的吸收率存在紧密的联系，材料对激光的吸收率随材料的熔融状态不同而发生变化，一般而言，当激光束辐照在材料表面，材料由固相变为液相时，即达至材料熔点时，材料对激光的吸收率会显著提升，因此在异种金属的焊接作业时，异种金属熔点的差异性还会带来材料对激光的吸收率的动态变化，进一步影响焊接质量。比热容和热导率一方面与熔池内部的传热传质息息相关，同时还与材料的结晶条件存在着紧密的联系，在异种金属的焊接过程中，材料比热容和热导率的差异会使得异种金属的结晶行为出现差异，从而使得晶粒的尺寸出现较大的差异，此外，高比热容积低热导率的材料在焊接过程中极易出现晶粒的二次长大，产生粗大的晶粒，影响焊缝的力学性能及润湿性能。在异种金属的焊接过程及焊缝的冷凝过程中，材料热膨胀系数的差异性会使得熔池内部的元素分布存在较大的差异，从而在焊缝中产生过大的热失配，在异种金属的焊接面及焊缝的热影响区中出现较大的热应力及残余应力，从而致使焊缝出现变形失调，甚至萌生微裂纹，随着裂纹的扩展，形成贯穿裂纹，这将直接影响焊缝的可靠性。此外，材料的热物理性能参数并非是材料本身的固有属性，一般而言，还受到温度参数的影响，在不同的温度下，材料的热物理性能参数不同，这使得异种金属焊接作业的难度系数进一步提升。

异种金属焊接时熔池全生命周期及传热传质特性不同会影响焊缝接头的微观特性。相比于同种金属材料，异种金属材料焊接存在更为复杂的多场多尺度问题。一方面，异种金属焊接存在复杂的多场耦合机制，如应力、温度、流体、化学、电磁及气；另一方面，异种金属焊接存在熔池生成、凝固湮灭的时间尺度，还存在着熔池内部金属元素三维空间内的分布及传热传质的空间尺度。熔池全生命周期及传热传质特性是异种金属焊接亟需分析研究的关键内容。这是由于激光束与材料相关作用时，当激光束辐照在材料表面时，异种金属对激光的吸收率及材料自身的热物理性能参数的差异，一方面会使得材料吸收激光热源的能量不同，另一方面还会使得能量-动量间的转换存在较大的差异性，具体表现在熔池内部因温度梯度和表面张力梯度诱发的熔池内部的马兰戈尼扰动程度及金属元素蒸发产生的蒸汽反冲压力大小，这在宏观上表现在熔池的深宽比及熔池三维形貌的非对称性分布。因此在异种金属的焊接过程中，能否提升熔池内部的传热传质的均匀性及稳定性程度，获得相对对称的熔池形貌，进而获得相对平整的焊缝接头形貌，这是提升异种金属焊接质量及焊件可靠性亟需突破的技术瓶颈之一。

异种金属焊接过程产生的焊缝缺陷会直接影响焊件的力学性能。在异种金属的焊接过程及焊缝的冷却过程中，存在着诸多缺陷形式，如孔隙、微裂纹及有害相组分。气孔是诱发焊缝失效的主要失效源，焊缝中产生的气孔主要有氢致气孔及元素烧蚀气孔两类。一般而言，金属在熔融态时氢元素的吸收率要远大于固态，材料凝固时，氢在固液界面以氢气泡形式析出，如果枝晶臂较长，晶间气泡受到阻碍来不及排出，凝固后成为高球形度的氢致气孔，因此含氢杂质越多，枝晶臂越长，气孔倾向越高。填丝焊接作业时，诸如Al-Zn-Mg系焊丝中存在较多的易烧蚀元素，由于元素介质烧蚀会造成低球形度的孔隙缺陷。由于不同金属材料及丝材的氢含量不同及易烧蚀元素不同，导致在异种金属的焊接过程中，焊缝中气孔分布的情况及密集程度不同，这将导致焊缝内部出现应力集中，在气孔密集区或气孔疏密过渡区形成微裂纹。此外，在熔池的凝固过程中，当固液界面枝晶臂较长时，晶间的孔隙来不及被熔液回填而萌生微裂纹，伴随着裂纹的扩展将形成贯穿裂纹，造成焊缝失效，，晶间液膜越长裂纹越容易沿其扩展，裂纹敏感性越高。。除此之外，由于异种金属焊接过程中熔池的非平衡凝固，会出现元素的偏析，生成有害相，影响焊缝的热力学性能。因此，如何抑制气孔、裂纹及有害相的发生，进一步提升焊缝的综合力学性能是另一项亟需突破的关键技术。

为了获得具备优良热力学性能的焊缝接头，在异种金属的焊接过程中需对熔池及熔池后端介于熔融和半熔融状态的软化区域进行干涉整形，改善焊缝内部的传热传质情况，以获得微观特性及力学性能具备高对称性的焊缝接头。目前国内学者在熔池整形方面开展了一系列研究，但整形措施多局限于单一的超声波手段，且仅针对于同种材料的焊接作业。如马刚等人(公开号：CN104313569A)针对激光熔覆工件力学性能差的情况，引入了超声波装置，用于激光熔覆过程中熔池的间接整形修复，进而优化材料的微观组织，提高材料的机械性能，但这种方法仅适用于预置粉末的激光熔覆工艺措施，不适用于同轴送粉的激光熔覆工艺，此外这项发明专利中，超声波与熔池是间接作用，伴随着激光束的移动，超声波发生装置与激光束的位置逐渐增大，超声波在预置的金属粉末材料中传递时势必会发生衰减，致使作用于熔池的超声波能量较小。张明军等人(公开号：105583523A)提出了一种超声辅助激光深熔焊接板材的方法，通过预设倾斜盲孔和超声波振动，避免了小孔前沿壁局部蒸发反冲压力驱动的熔池下流而形成焊缝根漏，虽然这项发明专利中设计了两个超声变幅杆，实现了超声波与激光束的同步移动，但由于异种热物理性能参数存在差异性，致使熔池内部的熔融的异质流体流动难度较大，需要较强的扰动力，然而由超声波能量较低，难以在熔池内部形成强有力的搅动力，更无法实现熔池后端面半熔融或介于熔融和半熔融状态的材料的有效整形，因此在异种金属焊接中的可行性较低。李小平等人(公开号：CN111443748A)，设计了一种增材修复过程中熔池状态的稳定性控制系统，通过CCD相机捕捉处理监测熔池温度分布情况，调节电磁感应加热装置预与水冷系统的工作模态，人为的干预熔池的温度梯度及表面张力梯度，从而实现熔池状态的有效调控，但该种方法存在几个弊端：一方面CCD相机的精度难以实时熔池行为信息的实时捕获，且经滤波处理获取的灰度值与熔池的温度值存在较大的误差，另一方面，CCD相机仅可拍摄熔池表面图像，难以获取熔池三维温度场的分布情况，仅通过熔池上端面的温度调节电磁感应加热装置预与水冷系统势必存在较大的计算误差。

高频脉冲激光是利用脉冲激光器发射的具有极高频率的非连续激光束，激光束作用与材料表面，使得表层材料发生电离并产生等离子体爆炸，进而产生强烈的激光冲击压力，其激光冲击压力可达GPa数量级，适用于人工干预整形熔池及熔池后端的软化区域，从而加速熔池内部的传热传质，获得具备微观组织、宏观形貌及力学性能沿焊缝中线对称分布并具备较高平整度的高可靠性焊缝接头。

发明内容

本发明的目的是解决当前异种金属复合热源焊接焊缝接头平整度低、对称性差及力学性能差的技术瓶颈。

为实现上述目的，本发明提供的应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法，其特征在于：包含如下步骤：

1)将异种金属材料中的第一种母材和第二种母材按照搭接、对接或插接位置关系放置在一起，开启加热平台，将焊件材料升温至理想的作业温度；

2)第一种焊接热源与高频脉冲激光热源的夹角范围为0～90度，且脉冲激光光斑中心与焊接热源作用区域中心与脉冲激光光斑中心以同心或0～5mm的热源中心间距作用于异种两种金属的相交界面或距相交界面0～5mm处的其中一种母材表面：

焊接作业时，先开启第一种焊接热源熔化两种母材，待形成熔池后，开启高频脉冲激光热源，使得高频脉冲激光热源与第一种焊接热源同时作用于待加工区域，随着第一种热源与高频脉冲激光热源的移动，在第一种母材和第二种母材的结合界面处形成焊缝接头；

所述第一种母材和第二种母材的差异性体现在两种母材分属不同类型的焊接材料，而非同一种焊接材料的不同热处理状态或结构形态；能根据实际工程需要选择合适的热处理方法和结构形态，所述热处理状态包括退火、回火、正火或淬火，所述结构形态为构件的几何尺寸或特殊结构形式(如坡口、应力释放槽或散热支撑块)。

作为优选方案，所述步骤1)中，开启加热平台(6)升温至理想的作业温度，能实现参数的可控性，所述参数包括升温速率、控温时间和降温速率，目的是通过预热处理减小焊件的有害残余应力；所述理想作业温度因焊件材料不同而进行相应的设定，一般不高于金属材料力学性能降低的临界温度，且取两种母材临界温度的最小值。

进一步地，所述步骤2)中，所述第一种热源能根据工程实际需求选择不同的热源形式，所述热源形式为激光、TIG、MIG或脉冲激光中任一种、两种或者两种以上热源间的复合；所述高频脉冲激光热源是经过调Q或锁模获得的不同种类的脉冲激光器产生的热源形式，能根据实际工程需求进行相应的选择；所述高频脉冲激光热源的脉冲频率大小是一个相对值，根据实际焊接材料进行选择；

所述第一种热源与高频脉冲激光热源的角度关系和位置关系能根据工程实际进行变动，进而实现第一种热源与高频脉冲激光热源的作用区域搭接率的变化，使得高频脉冲激光热源既能作用于熔池区域也能作用与熔池后方0～5mm处的熔融或半熔融的区域；

所述作用于异种金属的相交界面，由于异种金属材料的热物理性能参数存在差异性，这就使得在进行异种金属的焊接作业时，热影响区的范围不同，因此热源中心不一定位于第一种母材和第二种母材的相交界面，热源中心与异种金属的相交界面的位置关系能按照实际焊接材料并综合脉冲激光的作用位置进行变化。

更进一步地，所述步骤2)中，高频脉冲激光热源作用的待加工区域能是第一种热源加热熔化的熔池区域，也能是熔池后方0～5mm处的熔融或半熔融区域；所述特殊结构形式为坡口、应力释放槽、散热支撑块或其中两者及两者以上的组合形式。

本发明的优点有益效果如下：

(1)通过高频脉冲激光束干预，可增加熔池内部的扰动力，增强马兰戈尼对流效应，加速熔池内部的传热传质，实现熔池内部元素的均匀分布；

(2)通过高频脉冲激光束直接或间接干预焊缝熔池的方式整形焊缝接头，可细化焊缝晶粒，获得平整且沿焊缝中心线对称分布的焊缝接头形貌；

(3)通过改变脉冲激光束与焊接热源间的相对距离，并综合考虑脉冲激光束及焊接热源中心线与异种金属母材的交界线的相对位置，可弥补因异种金属材料热物理性能参数的差异导致的变形失调，实现对焊件不同时间尺度和空间尺度的干预效果，提升异种金属焊接焊缝接头的可靠性。

(4)通过高频脉冲激光束的干预，既能够降低焊缝气孔、微裂纹及有害相缺陷的萌生概率，又能够实现熔池微缺陷的对称分布，防止因缺陷形貌的非对称分布诱发的应力集中现象，进而有效提升异种金属焊缝接头的综合力学性能。

附图说明

图1为本发明应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法示意图。

图中：第一种母材1；焊缝接头2；第二种母材3；第一种热源4；高频脉冲激光热源5；加热平台6。

图2为本发明的效果对比示意图。

图中：无脉冲激光干预(a)；有脉冲激光干预(b)。

图3为高速摄像机拍摄的有无脉冲激光热源时熔池演变的实况图像。

图中：无脉冲激光干预(a～c)；有脉冲激光干预(d～f)。

具体实施方式

下面结合附图1对本发明的具体实施方式进行详细的说明,但本发明的保护范围并不限于此。

具体实施时，对第一种母材1和第二种母材3的表面进行清洁、抛光处理，按照工程实际需求选择诸如搭接、对接或插接的合适交接方式；

开启加热平台6将第一种母材1和第二种母材3升温至理想的预热温度，降低异种金属焊接作业时，因母材内部的残余应力导致的焊接缺陷；

按照实际工程需求，调整第一种热源4与高频脉冲激光热源5的角度关系和位置关系，同时综合考虑异种金属材料热物理性能参数的差异性，设定脉冲激光束及焊接热源中心线与异种金属母材交界线的相对位置；

焊接作业前，选择合适的工艺参数并加以设定，如第一种热源4的能量密度、行进速度以及高频脉冲激光热源5的能量密度、脉冲加载频率；

焊接作业时，首先开启第一种热源4熔化第一种母材1和第二种母材3的交界部分，后开启高频脉冲激光热源5，使得第一种热源4与高频脉冲激光热源5作用于待加工区域；

随着第一种热源4与高频脉冲激光热源5的移动，在第一种母材1和第二种母材3中间形成焊缝接头2；

焊接作业结束后，关闭第一种热源4和高频脉冲激光热源5，关闭加热平台6，使得焊件自然冷却至室温态。

实施例：

采用Nd:YAG固体连续激光器做为焊接热源，采用纳秒脉冲激光器做为高频脉冲激光热源。连续激光器功率为1500W，光斑直径为3mm，行进速度为4mm/s，纳秒脉冲激光器脉冲能量为2J，脉冲光斑直径为1.3mm，脉冲频率为5Hz，脉冲激光光斑中心与连续激光器光斑中心重合。图2为本发明的效果对比示意图。采用白光干涉仪表征有无脉冲激光作用时焊缝接头的三维形貌：未采用脉冲激光干预时，在高能量密度的激光辐照下，材料熔化形成熔池，且熔体在熔池内部波动，随着激光热源的移动，熔池熔体冷凝，形成具有凸起形貌的焊缝；在脉冲激光冲击波的作用下，熔池中的熔体被挤压至熔池边缘，熔池中熔体大幅减少，形成的焊缝呈扁平状。图3为高速摄像机拍摄的有无脉冲激光热源时熔池演变的实况图像。通过观察可以发现，脉冲激光热源作用在母材表面会产生明显的等离子体，并且在焊接作业的相同时刻，相比于单一的连续激光焊接热源，由于脉冲激光的复合作用，在熔池后方产生了更为平整的焊缝形貌。

所述参考附图为本发明的优选实施方式,本发明所属领域的技术人员还能够对上述实施方式进行变更和修改，因此本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下,本发明所属领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法，其特征在于：包含如下步骤：

1)异种金属焊接作业时，将第一种母材(1)和第二种母材(3)按照搭接、对接或插接类似位置关系放置在一起，开启加热平台(6)，将异种金属焊接材料升温至理想的作业温度；

2)第一种焊接热源(4)与高频脉冲激光热源(5)的夹角范围为0～90度，且焊接热源作用区域中心与脉冲激光光斑中心以同心或0～5mm的间距作用于异种金属的相交界面或距相交界面0～5mm其中一种母材的表面：

焊接作业时，先开启第一种焊接热源(4)熔化第一种母材(1)和第二种母材(3)，待形成熔池后，开启高频脉冲激光热源(5)，使得高频脉冲激光热源(5)与第一种焊接热源(4)同时作用于待加工区域，随着第一种热源(4)与高频脉冲激光热源(5)的移动，在第一种母材(1)和第二种母材(3)的结合界面处形成焊缝接头(2)；

所述第一种母材(1)和第二种母材(3)的差异性体现在两种母材分属不同类型的焊接材料，而非同一种焊接材料的不同热处理状态或结构形态；能根据实际工程需要选择合适的热处理方法和结构形态，所述热处理状态包括退火、回火、正火或淬火，所述结构形态为构件的几何尺寸或特殊结构形式。

2.根据权利要求1所述的应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法，其特征在于：

所述步骤1)中，开启加热平台(6)升温至理想的作业温度，能实现参数的可控性，所述参数包括升温速率、控温时间和降温速率，目的是通过预热处理减小焊件的有害残余应力；所述理想作业温度因焊件材料不同而进行相应的设定，加热温度不能高于金属材料力学性能降低的临界温度，且取两种母材临界温度的最小值。

3.根据权利要求1或2所述的应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法，其特征在于：

所述步骤2)中，所述第一种热源(4)能根据工程实际需求选择不同的热源形式，所述热源形式为激光、TIG、MIG或脉冲激光中任一种、两种或者两种以上热源间的复合；所述高频脉冲激光热源(5)是经过调Q或锁模获得的不同种类的脉冲激光器产生的热源形式，能根据实际工程需求进行相应的选择；所述高频脉冲激光热源(5)的脉冲频率大小是一个相对值，根据实际焊接材料进行选择；

所述第一种热源(4)与高频脉冲激光热源(5)的角度关系和位置关系能根据工程实际需求进行变动，进而实现第一种热源(4)与高频脉冲激光热源(5)的作用区域搭接率的变化，使得高频脉冲激光热源(5)既能作用于熔池区域也能作用与熔池后方0～5mm处的熔融或半熔融的区域；

所述作用于异种金属的相交界面，由于异种金属材料的热物理性能参数存在差异性，这就使得在进行异种金属的焊接作业时，热影响区的范围不同，因此热源中心不一定位于第一种母材(1)和第二种母材(3)的相交界面，热源中心与异种金属的相交界面的位置关系能按照实际焊接材料并综合脉冲激光的作用位置进行变化。

4.根据权利要求1或2所述的应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法，其特征在于：

所述步骤2)中，高频脉冲激光热源(5)作用的待加工区域既能够是第一种热源(4)加热熔化的熔池区域，又能够是熔池后方0～5mm处的熔融或半熔融区域；所述特殊结构形式为坡口、应力释放槽、散热支撑块或其中两者及两者以上的组合形式。

5.根据权利要求3所述的应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法，其特征在于：

所述步骤2)中，高频脉冲激光热源(5)作用的待加工区域既能够是第一种热源(4)加热熔化的熔池区域，又能够是熔池后方0～5mm处的熔融或半熔融区域；所述特殊结构形式为坡口、应力释放槽、散热支撑块或其中两者及两者以上的组合形式。

Images