CN112894132A - 铝-钢异种材料激光焊接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及铝‑钢异种材料激光焊接的方法，首先，对铝合金、钢和铜箔进行清洁处理；将铜箔置于钢与铝合金之间的搭接焊接区域，铜箔位于钢之下、铝合金之上；将上层钢、下层铝合金与中间层铜箔贴合夹紧；利用光纤激光器对夹有铜箔的钢和铝合金进行摆动激光焊接，光纤激光器光纤直径0.25～0.4mm，焊接速率大于或等于30mm/s，离焦量为‑2mm～2mm，焊接时采用保护气体进行保护，保护气体喷枪与光纤激光器射出的激光束保持同步移动。采用可实现不同摆动路径规划的摆动激光头，光纤激光器的激光头沿焊接方向偏转10°，形成连续的螺旋焊接轨迹，进行螺旋焊接，铝钢的连接更加牢固。
Description
技术领域
本发明涉及一种铝-钢异种材料激光焊接的方法，属于激光焊接的技术领域。
背景技术
目前为止，各国在能源、减排、安全等方面对汽车的轻量化提出了迫切需求，而相对于比较实用的并且具有优良性能的铝合金材料来说，使用最广的轻量材料是必然的结果。由于铝合金材料与传统的钢材在物理属性等方面存在很大的差异，比如熔点(钢为1530℃，铝为660℃)、密度(钢为7.87g/cm3，铝为2.69g/cm3)、热膨胀系数等物理和化学性能，易反应生成Fe-Al二元脆性相，传统的焊接技术如摩擦焊、扩散焊、点焊、钎焊等已不是最佳的连接工艺了。由于激光焊接的热输入低、焊接速度快、焊后变形小、焊接接头质量高，因此激光焊接技术在制造中的应用越来越广泛。所以，对接头金属件化合物的研究是铝-钢激光焊接研究的重点之一。为了防止钢与铝中间产生脆性金属间化合物，可以添加中间元素，包括添加焊丝、母材表面电镀以及中间层等方法。
在钢-铝激光焊接中，由于Si、Cu、Zn、等元素能与Fe、Al发生反应，常添加到焊丝中或作为母材表面镀层的元素，有助于抑制Fe/Al焊接接头界面金属间化合物的产生。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种铝-钢异种材料激光焊接的方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
铝-钢异种材料激光焊接的方法，特点是：首先，对铝合金、钢和铜箔进行清洁处理；
将铜箔置于钢与铝合金之间的搭接焊接区域，铜箔位于钢之下、铝合金之上；
将上层钢、下层铝合金与中间层铜箔贴合夹紧；
利用光纤激光器对夹有铜箔的钢和铝合金进行摆动激光焊接，光纤激光器光纤直径0.25～0.4mm，焊接速率大于或等于30mm/s，离焦量为-2mm～2mm，摆动振幅为0.3mm～0.5mm，摆动频率为80Hz～300Hz，焊接时采用保护气体进行保护，保护气体喷枪与光纤激光器射出的激光束保持同步移动，保护气体的气流量为20L/min～30L/min。
进一步地，上述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其中，焊接前对铝合金和钢采用机械法或试剂法进行清洁处理。
进一步地，上述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其中，对铝合金和钢采用丙酮或者酒精进行清洗。
进一步地，上述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其中，铜箔厚度为0.05mm～0.3mm。
进一步地，上述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其中，焊接前采用清洁剂对铝合金和钢进行清洁并用干燥的压缩空气吹干。
进一步地，上述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其中，光纤激光器采用可实现不同摆动路径规划的D50摆动激光头。
进一步地，上述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其中，钢与铝合金之间搭接焊接区域的尺寸为30mm～50mm。
进一步地，上述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其中，光纤激光器的激光头沿焊接方向偏转10°，形成连续的螺旋焊接轨迹。
进一步地，上述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其中，保护气体为氩气，气体纯度为99.99％。
本发明与现有技术相比具有显著的优点和有益效果，具体体现在以下方面：
①本发明针对铝-钢物理和化学性能相差大，易反应生成Fe-Al二元脆性相的问题设计一种激光焊接方法，用于对铝-钢进行搭接焊，铁在铝中几乎不固溶，为防止钢和铝中间产生脆性金属间化合物，在钢表面镀上与铁和铝都相容的金属铜，为实现铝-钢之间的有效连接，为铝-钢结构件焊接的推广应用提供新思路；
②采用可实现不同摆动路径规划的D50摆动激光头，光纤激光器的激光头沿焊接方向偏转10°，形成连续的螺旋焊接轨迹；采用光纤激光器、铜箔为中间层，进行螺旋焊接，铝钢的连接更加牢固，此外，由于螺旋焊接，抑制界面元素的扩散和化合物的产生，有效提高接头的质量；
③采用光纤激光器对铝合金和钢以及铜箔进行摆动焊接，通过氩气喷枪对加工表面进行喷射氩气，最大限度的起到保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射，避免焊缝出现氧化变色等缺陷。
本发明的其他特征和优点将在随后的说明书阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明具体实施方式了解。本发明的目的和其他优点可通过在所写的说明书中所特别指出的结构来实现和获得。
附图说明
图1：本发明焊接示意图；
图2：本发明激光路线示意图。
图中各附图标记的含义见下表：
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，现详细说明具体实施方案。
如图1所示，铝-钢异种材料激光焊接的方法，包括以下步骤：
步骤S110，对铝合金1、钢2和铜箔3进行清洁处理；
步骤S120，将铜箔3置于钢2与铝合金1之间的搭接焊接区域，铜箔3位于钢2之下、铝合金1之上；钢2与铝合金1之间搭接焊接区域的尺寸为30mm～50mm；
步骤S130，将上层钢2、下层铝合金1与中间层铜箔3贴合夹紧；
步骤S140，利用光纤激光器4对夹有铜箔3的钢2和铝合金1进行摆动激光焊接，光纤激光器光纤直径0.25～0.4mm，焊接速率大于或等于30mm/s，离焦量为-2mm～2mm，摆动振幅为0.3mm～0.5mm，摆动频率为80Hz～300Hz，焊接时采用保护气体进行保护，保护气体喷枪5与光纤激光器4射出的激光束保持同步移动，保护气体为氩气，气体纯度为99.99％，保护气体的气流量为20L/min～30L/min。
步骤S110，焊接前对铝合金和钢采用机械法或试剂法进行清洁处理。焊接前采用清洁剂对铝合金和钢进行清洁并用干燥的压缩空气吹干。铝合金和钢置于酒精或者丙酮中清洗15分钟，然后用无尘布充分擦拭干净，并利用干燥的压缩空气吹净，确保焊接区域内没有残留油污及其他颗粒。
步骤S120，铜箔3的厚度为0.05mm～0.3mm，由于铁在铝中几乎不固溶，为了防止钢和铝中间产生脆性金属间化合物，在钢表面镀上与铁和铝都相容的金属，如铜。
步骤S140，采用光纤激光器4对铝合金和钢以及铜箔进行摆动焊接时，通过氩气喷枪对加工表面进行喷射氩气，最大限度的起到保护聚焦透镜免受金属蒸气污染和液体熔滴的溅射，避免焊缝出现氧化变色等缺陷。
如图2所示，光纤激光器4采用可实现不同摆动路径规划的D50摆动激光头。光纤激光器的激光头沿焊接方向偏转10°，形成连续的螺旋焊接轨迹。采用光纤激光器、铜箔为中间层，进行螺旋焊接，铝钢的连接更加牢固，此外，由于螺旋焊接，能抑制界面元素的扩散和化合物的产生，能有效提高接头的质量。
本发明针对铝-钢物理和化学性能相差大，易反应生成Fe-Al二元脆性相的问题设计一种激光焊接方法，用于对铝-钢进行搭接焊，为实现铝-钢之间的有效连接，为铝-钢结构件焊接的推广应用提供新思路。
需要说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施方式，并非用以限定本发明的权利范围；同时以上的描述，对于相关技术领域的专门人士应可明了及实施，因此其它未脱离本发明所揭示的精神下所完成的等效改变或修饰，均应包含在申请专利范围中。
Claims (9)
1.铝-钢异种材料激光焊接的方法，其特征在于：首先，对铝合金、钢和铜箔进行清洁处理；
将铜箔置于钢与铝合金之间的搭接焊接区域，铜箔位于钢之下、铝合金之上；
将上层钢、下层铝合金与中间层铜箔贴合夹紧；
利用光纤激光器对夹有铜箔的钢和铝合金进行摆动激光焊接，光纤激光器光纤直径0.25～0.4mm，焊接速率大于或等于30mm/s，离焦量为-2mm～2mm，摆动振幅为0.3mm～0.5mm，摆动频率为80Hz～300Hz，焊接时采用保护气体进行保护，保护气体喷枪与光纤激光器射出的激光束保持同步移动，保护气体的气流量为20L/min～30L/min。
2.根据权利要求1所述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其特征在于：焊接前对铝合金和钢采用机械法或试剂法进行清洁处理。
3.根据权利要求2所述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其特征在于：对铝合金和钢采用丙酮或者酒精进行清洗。
4.根据权利要求1所述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其特征在于：铜箔厚度为0.05mm～0.3mm。
5.根据权利要求1所述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其特征在于：焊接前采用清洁剂对铝合金和钢进行清洁并用干燥的压缩空气吹干。
6.根据权利要求1所述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其特征在于：光纤激光器采用可实现不同摆动路径规划的D50摆动激光头。
7.根据权利要求1所述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其特征在于：钢与铝合金之间搭接焊接区域的尺寸为30mm～50mm。
8.根据权利要求1所述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其特征在于：光纤激光器的激光头沿焊接方向偏转10°，形成连续的螺旋焊接轨迹。
9.根据权利要求1所述的铝-钢异种材料激光焊接的方法，其特征在于：保护气体为氩气，气体纯度为99.99％。
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