CN112620856A - 一种异种金属材料焊接前的预处理方法、异种金属材料焊接产品及其焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异种金属材料焊接前的预处理方法、异种金属材料焊接产品及其焊接方法。属于焊接技术领域。预处理方法是在焊接前，采用超快激光对异种金属材料中熔点更高的金属材料的待焊接界面进行超快激光扫描预处理以在待焊接界面形成微纳复合结构。焊接方式为熔钎焊或钎焊。超快激光的脉冲宽度为10‑500fs。该微纳复合结构可提高焊接过程中钎料在高熔点金属表面的浸润铺展性能，调控界面金属间化合物种类及厚度，提高焊接质量。同时，微纳复合结构可在焊接界面上形成“机械咬合”结构，在一定程度上也可以改善焊接质量。包括上述预处理方法的焊接方法，能够实现异种金属的高质量连接，获得质量较优的焊接接头。

Description

一种异种金属材料焊接前的预处理方法、异种金属材料焊接 产品及其焊接方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种异种金属材料焊接前的预处理方法、异种金属材料焊接产品及其焊接方法。

背景技术

现代工业对构件性能提出了更高、更苛刻的要求，除常规力学性能外，还要求具有良好的耐磨、耐腐蚀、导热、导电等性能，多层次、轻量化、功能一体化和低成本设计与制造正成为当下材料研究的前沿。单种金属材料很难同时满足这些使用要求，异种材料连接件能够最大限度地利用材料各自的优点，起到“物尽其用”的效果，在满足不同工作条件对材料要求的同时，还能节约成本。目前，异种金属材料连接件在航空航天、轨道交通、电力工业等领域具有广阔的应用前景。

对于异种金属焊接，因其物理和化学性能差异较大，传统的熔化焊难以实现有效连接。目前，熔钎焊已成为异种金属材料焊接的有效方法之一。在熔钎焊过程中，通过严格控制热输入使低熔点金属或钎料熔化，而高熔点金属不熔化，熔化的低熔点金属或钎料在固相的高熔点金属表面发生冶金反应，最终通过钎焊的形式实现二者的连接。

但目前的焊接方法不能获得焊接质量优异的异种金属材料焊接产品。

鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的目的之一包括提供一种异种金属材料焊接前的预处理方法以解决上述技术问题。

本发明的目的之二包括提供一种包括上述预处理方法的异种金属材料的焊接方法。

本发明的目的之三包括提供一种异种金属材料焊接产品，其具有较高的焊接质量。

本申请可这样实现：

第一方面，本申请提供一种异种金属材料焊接前的预处理方法，焊接前，采用超快激光对异种金属材料中熔点更高的金属材料的待焊接界面进行超快激光扫描预处理以在待焊接界面形成不同类型的微纳复合结构。

其中，焊接方式为熔钎焊或钎焊。

超快激光的脉冲宽度为10-500fs。

在可选的实施方式中，超快激光扫描预处理包括：将线状扫描光斑在熔点更高的金属材料的所述待焊接界面按预设的线间距进行扫描运动，扫描过程中激光焦点位于所述待焊接界面上且激光束的入射方向与待焊接界面的夹角呈80-100°。

较佳地，扫描过程中激光束的入射方向与待焊接界面垂直。

在可选的实施方式中，线状扫描光斑由超快脉冲激光发射的点状激光光斑经扫描振镜及场镜聚焦后形成。

在可选的实施方式中，线状扫描光斑沿直线方向周期扫描运动。

在可选的实施方式中，超快激光扫描的处理条件包括：超快激光器的输出功率为1-30W，频率为5-600kHz，波长为200-2500nm，振镜的扫描速度为20-8000mm/s，扫描线间距为0.01-0.2mm。

在可选的实施方式中，金属材料包括铝、铜、钛和钢中的任意一种金属或上述金属的合金。

在可选的实施方式中，微纳复合结构包括周期性条纹结构、三角锥结构、孔洞结构中的至少一种。

在可选的实施方式中，焊接方法包括电弧、激光、激光-电弧复合和激光-等离子弧复合中的任意一种。

在可选的实施方式中，焊接过程中，异种金属材料的接头的焊接形式为对接焊或搭接焊。

第二方面，本申请提供一种异种金属材料的焊接方法，包括如前述实施方式任一项的预处理方法。

在可选的实施方式中，焊接过程还包括将钎料或熔点更低的金属材料在预处理后的熔点更高的金属材料的待焊接界面进行连接。

第三方面，本发明提供一种异种金属材料焊接产品，由异种金属材料经如前述实施方式的焊接方法焊接而得。

本申请的有益效果包括：

本申请采用超快激光对异种金属熔钎焊或钎焊中熔点较高的金属材料的待焊接界面进行扫描预处理，并在该金属材料表面制备出微纳复合结构，微纳复合结构通过三维毛细作用以及增大固-液接触面积等，可显著改善钎料的浸润铺展性能及冶金反应过程，提高焊接质量。由于超快激光具有“冷加工”的效果，制备出的微纳复合结构对金属表面成分影响不大，不会在焊缝中引入杂质元素，可有效改善焊接质量。并且，该方式工艺简单，成本较低。包括上述预处理方法的焊接方法，能够实现异种金属的高质量连接，获得质量较优的焊接产品。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本申请中异种金属激光熔钎对接焊的示意图；

图2为本申请中异种金属激光熔钎搭接焊的示意图；

图3为本申请实施例1中钛合金焊接面经预处理后形成的微纳复合结构图；

图4为本申请实施例2中紫铜焊接面经预处理后形成的微纳复合结构图；

图5为图4中方框区域的放大图。

图标：1-高熔点金属；2-低熔点金属；3-微纳复合结构区域；4-熔钎焊热输入源。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本申请提供的异种金属材料焊接前的预处理方法、异种金属材料焊接产品及其焊接方法进行具体说明。

发明人研究得出：异种金属材料固相状态下固溶度低，焊接过程中，熔融金属或钎料在高熔点金属表面的浸润铺展性能较差，这直接影响到接头的焊接质量。但目前的实际工业生产中，异种金属熔钎焊过程通常需要借助钎剂或者镀层金属来增加液态钎料的浸润铺展性能。采用钎剂会影响到焊缝成形，并且易引起气孔、夹杂等缺陷。采用镀层金属，存在工艺复杂、成本高的问题，这严重制约了异种金属熔钎焊技术的应用和发展。

鉴于此，本申请提出了一种异种金属材料焊接前的预处理方法，其包括：焊接前，采用超快激光对异种金属材料中熔点更高的金属材料的待焊接界面进行超快激光扫描预处理以在待焊接界面形成微纳复合结构。

上述的焊接方法为熔钎焊或钎焊。

本申请中将异种金属材料中熔点高的金属称为高熔点金属1，将熔点低的金属称为低熔点金属2。

微纳复合结构为微米和纳米复合结构。可理解的，该微纳复合结构在高熔点金属1材料的表面形成粗糙界面，从而使高熔点金属1材料与低熔点金属2材料和/或钎料在该焊接界面上形成机械咬合结构，该咬合结构可增加高熔点金属1材料与熔化后的钎料和/或低熔点金属2材料之间的接触面积，加之微纳复合结构具有三维毛细作用，从而可显著改善钎料的浸润铺展性能及冶金反应过程，提高焊接质量。

值得说明的是，超快脉冲激光作用在金属材料表面时，材料表面经历熔融、蒸发、烧蚀和再凝固的过程。超快激光脉冲连续不断地作用在材料的表面，其表面的材料在被去除的同时一部分会重新凝固沉积，从而形成微纳复合结构。在可选的实施方式中，微纳复合结构包括但不限于周期性条纹结构、三角锥结构、孔洞结构中的至少一种。具体的，其可仅为周期性条纹结构，可仅为三角锥结构，可仅为孔洞结构，也可既具有周期性条纹结构又具有三角锥结构，或者既具有三角锥结构又具有孔洞结构，等等。上述不同的微纳复合结构可通过调节激光扫描处理的参数来实现。

本申请中，超快激光指脉冲宽度为10-500fs的激光。可参考地，脉冲宽度可以为10fs、50fs、100fs、150fs、200fs、250fs、300fs、350fs、400fs、450fs或500fs等，也可以为10-500fs范围内的其它任意值。值得说明的是，本申请中将脉冲宽度控制在10-500fs，可避免脉冲宽度低于10fs时，因超快激光器成本过高导致的预处理成本上升，脉冲宽度高于500fs时，因预处理过程中热效应增加导致的金属材料表面形成氧化物或氮化物。

具有上述脉冲宽度的激光也可称为飞秒超快激光。飞秒超快脉冲可以在极短的时间范围内积聚高密度的光子，通过使用具有高脉冲能量密度的飞秒脉冲激光作为激发光源，可获得较大的双光子吸收几率。并且，超快激光产生的超短脉冲与材料相互作用时间极短，可以在很大程度上避免预处理过程中热积累的影响，基本不会给周围材料(如金属表面的元素成分)带来影响，因此其加工方式可称为“冷加工”。

在可选的实施方式中，本申请中的金属材料可包括铝、铜、钛和钢中的任意一种金属或上述金属的合金。例如，异种金属材料可以为铝/铜、铝/钢、钛/铝或铜/钢，也可为铝合金/铜合金、铝合金/钢合金、钛合金/铝合金或铜合金/钢合金等。

本申请中，超快激光扫描预处理包括：将线状扫描光斑在熔点更高的金属材料的所述待焊接界面按预设的线间距进行扫描运动，扫描过程中激光焦点位于所述待焊接界面内且激光束的入射方向与待焊接界面的夹角呈80-100°，如80°、85°、90°、95°或100°。

优选地，扫描过程中激光束的入射方向与待焊接界面垂直，以使整个扫描过程中更好得控制激光光斑大小保持一致。

其中，线状扫描光斑的获得方式为：超快激光器产生的脉冲激光经振镜扫描和场镜聚焦后，使激光光斑以一定的速度沿直线做周期扫描运动，从而形成高能量密度的线状扫描光斑。

当获得线状扫描光斑后，配合二维位移台，使线光斑以一定的速度在高熔点金属1的待处理区域扫描运动，完成待处理区域微纳复合结构的制备。

具体的，预处理过程可参照：采用线切割或车铣等方式制备待处理的异种金属材料板材，固定该待处理金属板材，使其待处理区域表面与水平面平行。调整超快激光器产生的超快激光光路系统，超快脉冲激光经振镜扫描和场镜聚焦后，使聚焦后的激光焦点位于金属板材待处理区域表面，调节激光束入射方向与待处理区域表面垂直，使激光光斑以一定的速度沿直线做周期扫描运动，从而形成高能量密度的线状扫描光斑。调节线状扫描光斑的位置使其位于待处理区域边缘起始位置，设定激光功率、脉冲宽度、频率、振镜扫描线速度、线间距参数，启动飞秒激光器和运动控制系统，使线状扫描光斑以一定的移动速度(线间距)完成预处理区域的扫描运动，形成微纳复合结构。

在可选的实施方式中，的超快激光的工艺参数可包括：激光器的输出功率为1-30W，波长为200-2500nm，频率为5-600kHz，振镜的扫描速度为20-8000mm/s，扫描线间距为0.01-0.2mm。

可参照地，激光器的输出功率可以为1W、5W、10W、15W、20W、25W或30W等，也可为1-30W范围内的其它任意值。值得说明的是，本申请中将激光器的输出功率控制在1-30W，可避免输出功率低于1W导致的处理效率低，输出功率高于30W因激光器成本升高导致的预处理成本升高。

波长可以为248nm、488nm或1064nm等，也可以为200-2500nm范围内的其它波长值。

频率可以为5kHz、10kHz、50kHz、100kHz、200kHz、300kHz、400kHz、500kHz或600kHz等，也可以为5-600kHz范围内的其它任意值。

振镜的扫描速度可以为20mm/s、50mm/s、100mm/s、200mm/s、500mm/s、1000mm/s、2000mm/s、5000mm/s、6000mm/s或8000mm/s等，也可以为20-8000mm/s范围内的其它任意值。值得说明的是，本申请中将扫描速度控制在20-8000mm/s，可避免扫描速度过低或过高导致不能形成微纳复合结构。

扫描线间距可以为0.01mm、0.05mm、0.1mm、0.15mm或0.2mm等，也可以为0.01-0.2mm范围内的其它任意值。值得说明的是，本申请中将线间距控制在0.01-0.2mm，可避免线间距过短或过长导致不能形成微纳复合结构。

承上，通过飞秒激光对异种金属中熔点较高金属的待焊接界面进行预处理形成微纳复合结构，可提高焊接过程中钎料在高熔点金属1表面的浸润铺展能力，调控界面金属间化合物种类及厚度，提高焊接质量。激光扫描预处理的条件未在本申请范围内，一方面可能会导致得不到微纳复合结构，另一方面可能起不到改善钎料的浸润铺展性能。当焊接为熔钎焊时，焊接方法可包括电弧、激光、激光-电弧复合和激光-等离子弧复合中的任意一种。

在可选的实施方式中，焊接过程中，接头焊接形式可以为对接焊(如图1所示)或搭接焊(如图2所示)。当接头焊接形式为对接时，熔点较高金属的待焊接界面为其与熔点较低金属的对接接触面；当接头焊接形式为搭接时，熔点较高金属的待焊接界面为其与熔点较低金属的搭接接触面。

请参照图1，高熔点金属1的待焊接面形成微纳复合结构，低熔点金属2和/或钎料在熔钎焊热输入源4的作用下熔化，铺展并浸润高熔点金属1的微纳复合结构区域3，通过冶金反应及机械咬合结构，形成熔钎焊接头。

值得说明的是，本申请未公开的微纳复合结构加工设备及激光预处理操作过程等可参照现有技术，在此不做过多赘述。

进一步地，本申请还提供一种异种金属材料的熔钎焊方法，包括如前述实施方式任一项的预处理方法。

可参照地，焊接过程还包括将钎料或熔点更低的金属材料在预处理后的熔点更高的金属材料的待焊接界面进行连接。

值得说明的是，本申请未公开的焊接操作过程可参照现有技术，在此不做过多赘述。

相应地，本申请还提供一种异种金属材料焊接产品，其由异种金属材料经上述焊接方法焊接而得。该异种金属材料焊接产品具有良好的焊接性能。可参考地，该焊接产品可以为焊接接头。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

待焊接材料为经线切割方式得到的2mm厚的TC4钛合金和铝合金，焊接方式为激光熔钎对接焊。固定上述待处理的TC4钛合金板材，使钛合金板材待处理区域表面与水平面平行。采用飞秒激光对钛合金待焊接界面进行预处理制备微纳复合结构。预处理时，激光脉冲宽度为100fs，激光功率为4W，波长为1030nm，频率为300kHz。先采用振镜扫描和场镜聚焦，使激光光斑沿特定方向周期扫描，形成高能量密度的线状激光束，再通过二维位移台控制线状激光束运动，实现聚焦激光束在钛合金待处理区域的扫描运动，使钛合金待处理区域表面形成微纳复合结构。扫描过程中激光束的入射方向与待焊接界面垂直。预处理过程中，振镜的扫描线速度为500mm/s，扫描线间距为0.05mm。

预处理后钛合金焊接面的三维形貌如图3所示，由该图可以看出，经飞秒超快激光处理后，钛合金表面形成了微纳复合结构。

按照钎料润湿性试验方法(GB/T 11364-2008)测试钎料在微纳结构表面的浸润性能，结果表明，超快激光预处理后铝合金焊丝在钛合金表面的润湿铺展面积由39.7mm²增加到97.3mm²。钛合金焊接面飞秒激光预处理制备的微纳复合结构，可显著改善熔钎焊过程中钎料在钛合金表面的浸润铺展性能，提高接头焊接质量。同时，微纳复合结构的“机械咬合”作用，在一定程度上也可以改善钛合金/铝合金接头焊接质量。

将上述预处理后的高反射率金属材料进行激光焊接，焊接参数如下：激光功率1.6kW、离焦量-2mm、焊接速度2.1m/min、倾斜角度12.5°，得到焊接接头。

实施例2

待焊接材料为经线切割方式得到的1mm厚的铝合金和紫铜，焊接方式为激光熔纤搭接焊。固定上述待处理的铜合金板材，使紫铜板材待处理区域表面与水平面平行。采用飞秒激光对紫铜待焊接界面进行预处理制备微纳复合结构。预处理时，激光脉冲宽度为100fs，激光功率为8W，波长为1030nm，频率为160kHz。先采用振镜扫描和场镜聚焦，使激光光斑沿特定方向周期扫描，形成高能量密度的线状激光束，再通过二维位移台控制线状激光束运动，实现聚焦激光束在紫铜待处理区域的扫描运动，使紫铜待处理区域表面形成微纳复合结构。扫描过程中激光束的入射方向与待处理界面垂直。预处理过程中，振镜的扫描线速度为180mm/s，线间距0.035mm。

预处理后紫铜待焊接面的三维形貌如图4和图5所示，由该图可以看出，经飞秒超快激光处理后，紫铜表面形成了微纳复合结构。

按照钎料润湿性试验方法(GB/T 11364-2008)测试钎料在微纳结构表面的浸润性能，结果表明，超快激光预处理后铝合金在紫铜表面的润湿铺展面积增加了70％，钛合金焊接面飞秒激光预处理制备的微纳复合结构，可显著改善熔钎焊过程中钎料在钛合金表面的浸润铺展性能，提高接头焊接质量。同时，微纳复合结构的“机械咬合”作用，在一定程度上也可以改善紫铜/铝合金接头焊接质量。

将上述预处理后的高反射率金属材料进行激光搭接，焊接过程中铝合金位于紫铜上部，焊接参数如下：激光功率1.0kW、离焦量-1mm、焊接速度2.0m/min、倾斜角度15°，得到焊接接头。

对比例1

直接将2mm厚未处理的钛合金板按照实施例1的焊接参数和方式进行焊接(也即钛合金板不具有微纳复合结构)。焊接后，焊缝成形差，接头熔合区存在钎料润湿铺展不均匀现象，接头拉伸强度为母材的57％。

对比实施例1与对比例1可以发现，采用本申请预处理方法处理后的钛合金板，焊缝成形质量优于未处理试样，接头熔合区钎料铺展均匀，同时，焊缝拉伸强度也得到提高，这是因为本申请的预处理方法增加了钎料润湿铺展性能，改善了接头焊接质量。

对比例2

直接将1.0mm厚未处理的紫铜板按照实施例2的激光熔纤搭接焊参数进行焊接(也即紫铜板不具有微纳复合结构)。焊接后，接头中存在未熔合区，这是因为钎料浸润铺展不足导致的焊缝拉伸强度为母材的53％。

对比实施例2与对比例2可以发现，采用本申请的预处理方法处理后的紫铜/铝合金板搭接焊，熔化后的铝合金在紫铜表面铺展均匀，其焊缝成形质量和力学性能均得到提升。

综上所述，本申请采用超快激光对异种金属熔钎焊或钎焊中熔点较高的金属材料的待焊接界面进行扫描预处理，并在该金属材料表面制备出微纳复合结构，微纳复合结构通过三维毛细作用以及增大固-液接触面积等，可显著改善钎料的浸润铺展性能，提高焊接质量。由于超快激光具有“冷加工”的效果，制备出的微纳复合结构对金属表面成分影响不大，不会在焊缝中引入杂质元素，可有效改善焊接质量。并且，该方式工艺简单，成本较低。包括上述预处理方法的焊接方法，能够实现异种金属的高质量连接，获得质量较优的焊接产品。

以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种异种金属材料焊接前的预处理方法，其特征在于，焊接前，采用超快激光对异种金属材料中熔点更高的金属材料的待焊接界面进行超快激光扫描预处理以在所述待焊接界面形成微纳复合结构；

其中，焊接方式为熔钎焊或钎焊；

所述超快激光的脉冲宽度为10-500fs。

2.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，超快激光扫描预处理包括：将线状扫描光斑在熔点更高的金属材料的所述待焊接界面按预设的线间距进行扫描运动，扫描过程中激光焦点位于所述待焊接界面上且激光束的入射方向与待焊接界面的夹角呈80-100°；

优选地，扫描过程中激光束的入射方向与待焊接界面垂直；

优选地，所述线状扫描光斑由超快脉冲激光发射的点状激光光斑经扫描振镜及场镜聚焦后形成；

优选地，所述线状扫描光斑沿直线方向周期扫描运动。

3.根据权利要求1或2所述的预处理方法，其特征在于，超快激光扫描预处理的条件包括：超快激光器的输出功率为1-30W，频率为5-600kHz，波长为200-2500nm，振镜的扫描速度为20-8000mm/s，扫描线间距为0.01-0.2mm。

4.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，所述金属材料包括铝、铜、钛和钢中的任意一种金属或所述金属的合金。

5.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，所述微纳复合结构包括周期性条纹结构、三角锥结构和孔洞结构中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，焊接方法包括电弧、激光、激光-电弧复合和激光-等离子弧复合中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的预处理方法，其特征在于，焊接过程中，异种金属材料的接头的焊接形式为对接焊或搭接焊。

8.一种异种金属材料的焊接方法，其特征在于，包括如权利要求1-7任一项所述的预处理方法。

9.根据权利要求8所述的焊接方法，其特征在于，还包括将钎料或熔点更低的金属材料在预处理后的熔点更高的金属材料的待焊接界面进行连接。

10.一种异种金属材料焊接产品，其特征在于，由异种金属材料经如权利要求8或9所述的焊接方法焊接而得。

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