CN113146042B - 一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种能有效减少焊接孔洞的激光深熔焊接B4C/Al复合材料的方法，在光纤激光器的焊机上增加同步送粉设备，将同步送粉设备的送粉喷嘴固定在焊机的焊接激光头上，焊接时，调整激光功率和焊接速度使线能量密度超过深熔焊的阀值，同时采用同步送粉方式对焊件进行激光焊接，粉料选用与基体成分一致的球形纯铝粉。该方法能有效的减少焊后区域的孔洞，且具有简单、高效的特点，易于工业实现。

Description

一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法
技术领域
本发明属于铝基复合材料焊接领域，具体为一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al复合材料的方法。
背景技术
B4C/Al(铝基碳化硼复合材料)因具有良好的导热性能和中子吸收性能是重要的中子屏蔽材料，该材料被制造成格架和大型容器罐用于乏燃料的储存和转运，但适用于该材料的焊接技术发展滞后，使得铝基碳化硼的加工成型困难，从而制约了该材料的进一步推广应用。
激光焊接的能量密度高，易得到熔深/宽比高、热影响区小、焊后残余应力小的焊接部件；另外激光焊接效率高，过程参数易控制，可以实现焊接过程自动化、智能化，故激光焊接技术用于B4C/Al的加工成型具有极大的工业应用潜力。
激光焊接分为热导焊和深熔焊两种模式，热导焊的激光能量密度低，熔深浅(通常焊深不足1mm)，深熔焊要求高的能量密度，但可以实现大的熔深。激光深熔焊的原理是：高能量密度的激光可以使熔池表面的金属大量蒸发，在蒸气反冲压力的作用下，熔池表面不断下凹形成“钥孔”深入到材料内部。理论上，激光的能量密度越高，金属的蒸发量越多，反冲压力就越大，形成的“钥孔”越深，能实现的焊深也就越大。
但激光深熔焊用于B4C/Al的焊接还存在如下问题：1)金属熔池中的B4C 颗粒以及铝与碳化硼的反应产物会提高熔体的黏度降低其流动性，使得熔池将气体输运到表面的能力降低，从而导致焊接区域易存在气孔；2)激光深熔焊时，如果“钥孔”内的蒸气压力波动较大，则极易导致“钥孔”坍塌形成孔洞。
目前，采用激光烧蚀还同步送粉的主要是激光3D打印和表面改性，其主要利用大光斑和低能量密度将尽量多的粉体熔化而又不产生蒸发，实现在较大的表面区域内将粉体熔覆和堆积。
发明内容
本发明解决的技术问题是：提供采用一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接 B4C/Al的方法，该方法为同步送粉激光深溶焊的方法，能有效的减少焊后区域的孔洞，且具有简单、高效的特点，易于工业实现。
本发明采用的技术方案如下：
一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法，在光纤激光器的焊机上增加同步送粉设备，将同步送粉设备的送粉喷嘴固定在焊机的焊接激光头上，焊接时，调整激光功率和焊接速度，使线能量密度超过深熔焊的阀值，同时采用同步送粉方式对焊件进行激光焊接，粉料选用与基体成分一致的球形纯铝粉。
优选的，所述方法采用光束焦斑直径为0.3～0.6mm的光纤激光器焊机，焊接时为连续出光模式。
优选的，针对3-5m厚B4C/Al板焊接时，所述线能量密度为1.5Kw·min·m-1～3Kw·min·m-1；激光光束的焦斑落点可在离焊件上表面-10～+5mm的范围选择。
优选的，所述送粉喷嘴喷出的粉束与所述焊接激光头发射的光束夹角为 15～25°，粉束的中心线与激光光束的中心线在焊件的上表面位于同一个点。
优选的，同步送粉时，选用颗粒尺寸分布在70-120μm范围内的球形铝粉，所述铝粉需经过高温真空干燥处理再使用，处理方法为本领域技术人员所熟知的，在这里不再进行详细的阐述，单位长度的送粉速率为：0.2～1g/min。
优选的，所述同步送粉设备采用的载粉气选用氩气、氮气中的任一种或两者的混合气，气体流速为2～3L/min。
优选的，所述铝基碳化硼复合材料的待焊部位在焊接前清洗去除表面上的有机物，然后风干待焊。用于焊件表面清洗的试剂为丙酮或其它具有溶解有机物功能的化学溶剂，清洗的试剂和处理方法为本领域技术人员所熟知的，在这里不再进行详细的阐述。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明利用具有一定初速度的带能粒子对焊接熔池进行搅拌，以便提高熔体的流动性，进而加速气体的溢出，从而减少焊接区域的孔洞。而为了保持焊接区域的化学成分与母材相比不发生明显改变，故而选用与基体一致的铝粉，同时在保证搅拌效果的前提下，选择尽量少的添加。该焊接方法能够实现3-5mm 厚B4C/Al板的熔透焊，焊接接头的拉伸断裂强度最高能达到母材的92％，延伸率大于4％，该焊接方法具有工艺简单，接头强度高的特点，易于工业实现。
附图说明
图1是本发明具体实施的焊接设备及工装的意图；
图2展示的是采用本发明激光焊接后，焊区的横剖面宏形貌
图3展示的是采用本发明激光焊接后，焊区的微观组织结构；
图4是采用本发明的实施例1在完成焊接后，通过显微CT得到的焊区孔洞检测结果，图中所展示的为焊缝沿宽度方向上4个剖面上的孔洞分布情况；
图5是采用常规激光深熔焊的对比例1在完成焊接后，通过显微CT得到的焊区孔洞检测结果，图中所展示的为焊缝沿宽度方向上4个剖面上的孔洞分布情况。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，本发明的方式包括但不仅限于以下实施例。
实施例1
本实施例在一台光纤激光焊机(最小焦斑直径0.6mm)上实施，具体操作步骤为：
1)焊件待焊部位用丙酮进行清洗去除表面有机物，然后风干；
2)纯铝粉在真空干燥箱中干燥处理，焊接前取出并装入送粉器中；
3)焊件为3mm厚B4C/Al板，先用工装固定，调整激光光束焦斑的落点位于焊件表面-10mm处，送粉喷嘴固定于焊机的焊接激光头上，调整送粉喷嘴位置，使粉束与光束保持15°夹角，且粉束与光束在焊件表面的落点为同一个位置；
4)送粉气体为氩气，流速为2L/min，调整料盘转速，送粉速率为单位长度 0.2g/min，先送粉，待粉束稳定后再开激光；
5)调整激光功率为1.5Kw·min·m-1，焊接速率为1m/min，采用连续出光模式，焊后待焊件冷却后，再松开固定工装，取出焊件。所测试得到的焊接件为 1#，焊后区域的宏观和微观组织结构特征如图2和图3所示，焊后区域的孔洞及分布特征如图4所示。力学性能数据如表1所示。实施例中所述力学性能数据均为拉伸实验数据，拉伸试件形状参见国标GB/T228-1987,样品尺寸为非标尺寸，总长为58mm，标距长度24mm宽10mm，每个实施例的位伸样品数量为3 个，表1所列数据皆为3个样品的均值。
实施例2
本实施例在一台光纤激光焊机(最小焦斑直径0.6mm)上实施，具体操作步骤为：
1)焊件待焊部位用丙酮进行清洗去除表面有机物，然后风干；
2)将纯铝粉在真空干燥箱中干燥处理，焊接前取出并装入送粉器中；
3)焊件为3mm厚B4C/Al板，先用工装固定，调整激光光束焦斑的落点位于焊件表面-5mm处，送粉喷嘴固定于焊机的焊接激光头上，调整送粉喷嘴位置，使粉束与光束保持20°夹角，且粉束与光束在焊件表面的落点为同一个位置；
4)选用送粉气体为氮气，流速为2.6L/min，调整料盘转速，使送粉量保持为0.4g/min，先送粉，待粉束稳定后再开激光；
5)调整激光功率为1.8Kw·min·m-1，激光走速为1m/min，采用连续出光模式，焊后待焊件冷却后，再松开固定工装，取出焊件。所测试得到的焊接件为 2#，力学性能数据如表1所示。
实施例3
本实施例在一台光纤激光焊机(最小焦斑直径0.6mm)上实施，具体操作步骤为：
1)焊件待焊部位用丙酮进行清洗去除表面有机物，然后风干；
2)将纯铝粉在真空干燥箱中干燥处理，焊接前取出并装入送粉器中；
3)焊件为5mm厚B4C/Al板，先用工装固定，调整激光光束焦斑的落点位于焊件表面0mm处，送粉喷嘴固定于焊机的焊接激光头上，调整送粉喷嘴位置，使粉束与光束保持25°夹角，且粉束与光束在焊件表面的落点为同一个位置；
4)选用送粉气体为氮气和氩气的混合气，流速为3L/min，调整料盘转速，使送粉量保持为0.8g/min，先送粉，待粉束稳定后再开激光；
5)调整激光功率为2.7Kw·min·m-1，激光走速为0.9m/min，采用连续出光模式，焊后待焊件冷却后，再松开固定工装，取出焊件。所测试得到的焊接件为3#，力学性能数据如表1所示。
实施例4
本实施例在一台光纤激光焊机(最小焦斑直径0.6mm)上实施，具体操作步骤为：
1)焊件待焊部位用丙酮进行清洗去除表面有机物，然后风干；
2)将纯铝粉在真空干燥箱中干燥处理，焊接前取出并装入送粉器中；
3)焊件为5mm厚B4C/Al板，先用工装固定，调整激光光束焦斑的落点位于焊件表面+5mm处，送粉喷嘴固定于焊机的焊接激光头上，调整送粉喷嘴位置，使粉束与光束保持20°夹角，且粉束与光束在焊件表面的落点为同一个位置；
4)选用送粉气体为氮气和氩气的混合气，流速为3L/min，调整料盘转速，使送粉量保持为1g/min，先送粉，待粉束稳定后再开激光；
5)调整激光功率为3Kw·min·m-1，激光走速为0.8m/min，采用连续出光模式，焊后待焊件冷却后，再松开固定工装，取出焊件。所测试得到的焊接件为 4#，力学性能数据如表1所示。
对比例1
本实施例在一台光纤激光焊机(最小焦斑直径0.6mm)上实施，具体操作步骤为：
1)焊件待焊部位用丙酮进行清洗去除表面有机物，然后风干；
2)焊件为3mm厚B4C/Al板，焊件用工装固定，调整激光光束焦斑的落点位于焊件表面-10mm处，送气喷嘴固定于焊机的焊接激光头上，调整送气喷嘴位置，使气束与光束保持15°夹角，且气束与光束在焊件表面的落点为同一个位置；调整激光功率为1.5Kw·min·m-1，焊接速率为1m/min，采用连续出光模式，焊后待焊件冷却后，再松开固定工装，取出焊件。测试得到的焊接件为1*，焊接区域的孔洞分布如图5所示。力学性能数据如表1所示。
图4和图5的对比，可以明显看出，采用本发明的焊接方法能有效的减焊接气孔，通过力学性能的对比也可以看出，采用本发明的焊接方法得到的焊件，其断裂强度亦有显著提升。
表1力学性能数据
Figure BDA0002974036460000071
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (8)

1.一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法，其特征在于，选用光纤激光器作为焊机，在焊机上增加同步送粉设备，将送粉设备的送粉喷嘴固定在焊机的焊接激光头上，焊接时，调整激光功率和焊接速率使线能量密度超过深熔焊的阀值，同时采用同步送粉方式对焊件进行激光焊；
同步送粉时，单位长度的送粉束率为：0.2～1g/min；
所述送粉喷嘴喷出的粉束与所述焊接激光头发射的光束夹角为15～25°，粉束的中心线与激光光束的中心线在焊件的表面位于同一个点。
2.根据权利要求1所述的一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法，其特征在于，所述光纤激光器的光束的焦斑直径为0.3～0.6mm，焊接时为连续出光模式。
3.根据权利要求1所述的一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法，其特征在于，所述线能量密度为1.5Kw·min·m-1～3Kw·min·m-1。
4.根据权利要求1所述的一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法，其特征在于，所述送粉喷嘴喷出的粉束为球形铝粉，所述铝粉的颗粒直径分布在70-120μm范围内。
5.根据权利要求4所述的一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法，其特征在于，所述铝粉使用前需经过高温真空干燥处理。
6.根据权利要求1所述的一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法，其特征在于，所述同步送粉设备采用的载粉气选用氩气、氮气中的任一种或者两者的混合气体。
7.根据权利要求1-6任一项所述的一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法，其特征在于，铝基碳化硼复合材料的厚度为3-5mm。
8.根据权利要求7所述的一种能有效减少焊接孔洞的激光焊接B4C/Al的方法，其特征在于，所述B4C/Al材料的待焊部位在焊接前需清洗和风干。
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