CN113369619B - 一种基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于激光熔钎焊接领域，并具体公开了一种基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法，其包括步骤：S1、对A合金端面进行脉冲激光处理，使该A合金端面凹凸不平；S2、将A合金端面与B合金端面对接后进行激光熔钎焊，焊接时，激光作用在B合金一侧，使B合金熔化并填充至A合金凹凸不平的端面中，实现异种合金焊接；A合金的熔化温度高于B合金。本发明在焊接前，对熔化温度较高合金侧端面预先进行脉冲激光处理，使得连接界面由平直转为弯曲不平，在熔化温度较低合金侧进行激光熔钎焊，可在提高有效连接面积的同时，降低金属间化合物层厚度，改变金属间化合物相分布，显著提升异种合金的接头强度，实现高质量的异种合金焊接。

Description

一种基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法

技术领域

本发明属于激光熔钎焊接领域，更具体地，涉及一种基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法。

背景技术

异种金属连接结构能够兼顾不同种类金属的优势，但目前异种金属连接存在很多问题。以钛-铝连接为例，钛-铝复合结构兼顾了钛合金比强度高、高温性能好、断裂韧性高等优点和铝合金密度低、成形性好、性价比高等优点，可满足高端装备结构轻量化、结构/功能一体化的要求，在大型飞机机翼结构、航天器管路系统、高铁及汽车等交通运输装备上具有重要的应用前景。焊接是制造Ti/Al复合结构的重要连接工艺，但Ti/Al焊接时，会在界面处反应生成TiAl₃、TiAl和Ti₃Al等脆性金属间化合物(IMC即脆性相)，致使接头强度、韧性等力学性能下降，难以满足服役要求。现有研究表明，这些脆性相既是Ti/Al界面结合的保证，又是接头断裂的根源。因此，脆性相成分及含量的控制是Ti/Al焊接研究的核心。

为解决异种金属连接难题，国内外研究学者开展了较多研究，发展了多种焊接工艺方法，主要包括：搅拌摩擦焊、扩散焊、爆炸焊、超声波焊、钎焊、熔钎焊等。相比于其他方法，激光熔钎焊具有工艺简单、适应性强等特点，得到了广泛研究。当前工艺研究主要是通过控制激光功率、焊接速度等工艺参数来控制脆性相含量，但由于可调参数制约，调控效果受限。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法，其目的在于，提高异种合金有效连接面积，同时降低焊接后IMC层厚度，从而提升异种合金焊接接头强度。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法，包括如下步骤：

S1、对A合金端面进行脉冲激光处理，使该A合金端面凹凸不平；

S2、将A合金端面与B合金端面对接后进行激光熔钎焊，焊接时，激光作用在B合金一侧，使B合金熔化并填充至A合金凹凸不平的端面中，实现异种合金焊接；其中，A合金的熔化温度高于B合金。

作为进一步优选的，所述A合金为钛合金，所述B合金为铝合金。

作为进一步优选的，脉冲激光处理参数为：激光功率60w～120w，扫描速度4mm/s～8mm/s，激光频率20kHz～40kHz，线宽50mm～100mm。

作为进一步优选的，脉冲激光处理后钛合金端面起伏范围为5mm～10mm范围内。

作为进一步优选的，激光熔钎焊参数为：激光功率3.5kw～3.8kw，焊接速度60mm/s～80mm/s，激光光束向铝合金一侧的偏移量为0.6mm～0.8mm。

作为进一步优选的，所述A合金的熔化温度比B合金的熔化温度高800℃以上。

作为进一步优选的，进行激光熔钎焊时，采用夹具将A合金和B合金夹紧。

作为进一步优选的，对A合金端面进行脉冲激光处理前，先对A合金和B合金进行预处理，包括如下步骤：对A合金和B合金进行打磨，然后在丙酮溶液中进行超声清洗，最后清洗干净并吹干。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1.本发明对异种合金焊接方法进行了研究，以Ti/Al为例，焊接前，对Ti侧端面预先进行脉冲激光处理，使得Ti/Al连接界面由平直转为弯曲不平，结合在Al侧进行激光熔钎焊，使得一方面，焊接时Ti/Al两端面的接触较少，故两端面间的热传导较少，激光热量仅使熔化温度低的铝熔化，而钛熔化量很少，从而减少了金属间化合物生成，使金属间化合物(IMC)层厚度明显变薄，脆性相含量显著降低；另一方面，在Al熔化并填充至Ti侧凹凸不平的端面中后，显著的增大了其接触面积，即提高了Ti/Al有效连接面积。故本发明可以在提高有效连接面积的同时，降低IMC层厚度，显著提升Ti/Al接头强度；其他熔化温度差异较大的异种金属焊接时同理，适用范围广泛。

2.本发明通过控制脉冲激光处理的参数，使钛合金端面起伏在合适范围，进而在进行焊接时，液态铝流流入钛端面凹凸不平的缝隙中，使金属间化合物的分布发生有益变化；具体的，直接进行激光熔钎焊接，根据金属元素浓度的变化，界面处表现为TiAl₃-TiAl-Ti₃Al的三层分布，TiAl₃-TiAl的直接接触非常脆弱；而钛合金端面的合适起伏，使液态铝流入一定深度，钛合金端面缝隙内铝含量的增加，使接触面化合物转变为TiAl₃-TiAl和Ti₃Al交替的两层分布，显著提高了连接强度。

3.本发明在焊接时，综合考虑铝熔化情况和焊接效率，确定了激光功率和焊接速度；进而确定激光光束向铝侧偏移量，这一偏移量过大，会使钛侧完全不熔化，难以实现稳固连接；而偏移量过小，会导致钛侧仍然受热严重，导致钛熔化量增大，增加金属间化合物的生成，甚至导致处理后的不平端面消失，导致接头无法高质连接。

附图说明

图1中(a)、(b)分别为本发明实施例脉冲激光处理TC4前后示意图；

图2中(a)、(b)分别为普通激光熔钎焊接、本发明脉冲激光处理后进行焊接过程示意图；

图3中(a)、(b)分别为普通激光熔钎焊接、本发明脉冲激光处理后进行焊接的接头示意图；

图4中(a)、(b)为本发明实施例TC4钛合金端面经过脉冲激光处理后的表面形貌示意图；

图5为本发明实施例脉冲激光处理装置示意图；

图6为本发明实施例激光熔钎焊装置示意图；

图7中(a)、(b)分别为普通钎焊接头和本发明接头微观示意图；

图8为本发明实施例所采用工艺与普通钎焊接头的金属间化合物分布对比图；

图9为本发明实施例所采用工艺与普通钎焊接头的金属间化合物成因分析图；

图10为本发明实施例接头强度与对应焊接参数下的普通焊接接头强度对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明实施例提供的一种基于脉冲激光预处理的基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法，包括如下步骤：

S1、分别对铝合金和钛合金进行打磨，具体用砂纸打磨1min～2min，直至表面均无明显划痕，以去除合金表面大部分氧化层，并使待焊接面光滑、平整；然后在丙酮溶液中进行超声清洗3min～5min，清除两合金板表面的杂质和油污，避免后续过程混入杂质；最后用离子水将二者表面冲洗干净，并用氮气吹干表面，防止表面再次氧化。

S2、如图1和图5所示，将钛合金板夹持立起，使端面朝上对准脉冲激光头并开光，对钛合金端面进行脉冲激光处理，使钛合金端面凹凸不平，脉冲激光处理后的钛合金端面的形貌如图4所示。

具体的，脉冲激光处理作为新型的激光加工技术，由于其具有环保、无接触、无热效应、适应各种材料、精度高等优势，近年来在工业生产中应用广泛；其原理为：通过脉冲激光束照射工件表面，表面部分材料吸收激光能量蒸发、升华或转变为等离子体从而改变表面微结构。

进一步的，采用的脉冲激光处理参数为：激光功率60w～120w，扫描速度4mm/s～8mm/s，激光频率20kHz～40kHz，线宽50mm～100mm。脉冲激光处理后钛合金端面起伏范围为5mm～10mm范围内。

S3、将钛合金端面与铝合金端面对接后进行激光熔钎焊。

具体的，由于钛合金中主要元素纯钛的熔点在1668℃左右，铝合金中主要元素纯铝的熔点在660℃左右，钛合金和铝合金的熔化温度相差较大，适合选用熔钎焊连接，同时选择激光作为熔钎焊热源，因为激光的能量集中，易于控制热输入位置。如图2和图6所示，将脉冲激光处理后的钛合金一侧与铝合金对接，由于脉冲激光处理后的钛合金端面粗糙度较大，表面凹凸不平，此时应尤其注意钛合金与铝合金的夹紧；然后焊接采用激光向铝合金偏置一段距离的钎焊方式进行，使铝合金熔化并填充至钛合金凹凸不平的端面中，同时由于钛侧端面铝含量的增加，使接触面化合物转变为TiAl₃-TiAl和Ti₃Al交替的两层分布，实现钛-铝异种合金焊接。激光熔钎焊接后的接头截面如图3和图7所示，接头相分布及成因如图8和图9所示。

进一步的，焊接工艺参数为：激光功率3.5kw～3.8kw，焊接速度60mm/s～80mm/s，光束向Al侧偏移量0.6mm～0.8mm。

上述方法不仅限于钛/铝异种合金，也适用于其他有熔化温度差异的异种金属焊接，如铝/钢、镁/钢、钛/镁等异种材料的连接。

以下为具体实施例：

实施例1

对100mm×50mm×2mm的TC4钛合金板和100mm×50mm×2mm的2024铝合金板进行焊接。TC4钛合金的关键元素含量为Fe≤0.3wt％，C≤0.1wt％，N≤0.05wt％，H≤0.015wt％，O≤0.2wt％，5.5wt％≤Al≤6.8wt％，3.5wt％≤V≤4.5wt％，余量为Ti元素；2024铝合金的关键元素含量为3.8wt％≤Cu≤4.9wt％，0.3wt％≤Mn≤1.0wt％，1.2wt％≤Mg≤1.8wt％，Zn≤0.25wt％，Cr≤0.10wt％，Si≤0.5wt％，余量为Al元素。具体步骤如下：

①分别对TC4钛合金、2024铝合金进行打磨：将二者的待焊接面分别用180#，400#，800#，1200#的金刚砂纸打磨，使用每种规格的砂纸打磨时间约1～2min，直到二者表面均无明显划痕即可；打磨处理是为了去除合金表面大部分氧化层，为下一步的脉冲激光处理及激光对接焊接做准备。

②清除两合金板表面的杂质和油污：将两合金板分别放入丙酮(C₃H₆O)溶液中，再用超声清洗3～5min；合金板表面可能存在很多油污附着，油污的存在会使得脉冲激光处理及焊接过程中混入杂质，影响实验效果。

③清洗两合金板表面的残余液体：用离子水冲洗两合金板，并用氮气吹干表面，防止表面再次氧化。

④将TC4钛合金待与2024铝合金连接端面进行脉冲激光预处理：将TC4钛合金板夹持立起，使待清洗端面朝上对准脉冲激光头并开光；脉冲激光处理工艺参数为：激光功率60w，扫描速度4mm/s，激光频率30kHz，线宽50mm。

⑤将脉冲激光处理后的TC4钛合金一侧与2024铝合金对接：由于脉冲激光处理后的TC4钛合金端面粗糙度较大，表面凹凸不平，此时应尤其注意TC4钛合金与2024铝合金的夹紧；

⑥焊接采用激光向2024铝合金偏置一段距离d的钎焊方式进行，焊接工艺参数为：激光功率3.5kw，焊接速度60mm/s，光束向Al侧偏移量0.6mm。

⑦焊接后对焊接接头进行拉伸强度测试，其接头强度为242MPa。

实施例2

脉冲激光处理工艺参数为：激光功率120w，扫描速度8mm/s，激光频率30kHz，线宽100mm；焊接工艺参数为：激光功率3.8kw，焊接速度80mm/s，光束向Al侧偏移量0.8mm；其他处理与实施例1中相同。得到的接头强度为266MPa。

实施例3

脉冲激光处理工艺参数为：激光功率80w，扫描速度6mm/s，激光频率30kHz，线宽70mm；焊接工艺参数为：激光功率3.6kw，焊接速度70mm/s，光束向Al侧偏移量0.7mm；其他处理与实施例1中相同。得到的接头强度为269.35Mpa，相同工艺参数下的普通激光熔钎焊接头强度为192.30MPa，如图10所示，焊接接头强度大大提高。

实施例4

对100mm×50mm×2mm的TC4钛合金板和100mm×50mm×2mm的AZ31B镁合金板进行焊接。TC4钛合金的关键元素含量为Fe≤0.3wt％，C≤0.1wt％，N≤0.05wt％，H≤0.015wt％，O≤0.2wt％，5.5wt％≤Al≤6.8wt％，3.5wt％≤V≤4.5wt％，余量为Ti元素；AZ31B镁合金的关键元素含量为2.5wt％≤Al≤3.5wt％，0.6wt％≤Zn≤1.4wt％，0.2wt％≤Mn≤1.0wt％，Si≤0.08wt％，Ca≤0.04wt％，Cu≤0.01wt％，余量为Mg元素。具体步骤如下：

①分别对TC4钛合金、AZ31B镁合金进行打磨：将二者的待焊接面分别用180#，400#，800#，1200#的金刚砂纸打磨，使用每种规格的砂纸打磨时间约1～2min，直到二者表面均无明显划痕即可；打磨处理是为了去除合金表面大部分氧化层，为下一步的脉冲激光处理及激光对接焊接做准备。

②清除两合金板表面的杂质和油污：将两合金板分别放入丙酮(C₃H₆O)溶液中，再用超声清洗3～5min；合金板表面可能存在很多油污附着，油污的存在会使得脉冲激光处理及焊接过程中混入杂质，影响实验效果。

③清洗两合金板表面的残余液体：用离子水冲洗两合金板，并用氮气吹干表面，防止表面再次氧化。

④将TC4钛合金待与AZ31B镁合金连接端面进行脉冲激光预处理：将TC4钛合金板夹持立起，使待清洗端面朝上对准脉冲激光头并开光；脉冲激光处理工艺参数为：激光功率60w，扫描速度4mm/s，激光频率30kHz，线宽50mm。

⑤将脉冲激光处理后的TC4钛合金一侧与AZ31B镁合金对接：由于脉冲激光处理后的TC4钛合金端面粗糙度较大，表面凹凸不平，此时应尤其注意TC4钛合金与AZ31B镁合金的夹紧；

⑥焊接采用激光向AZ31B镁合金偏置一段距离d的钎焊方式进行，焊接工艺参数为：激光功率3.5kw，焊接速度60mm/s，光束向Mg侧偏移量0.6mm。

实施例5

对100mm×50mm×2mm的316L不锈钢板和100mm×50mm×2mm的2024铝合金板进行焊接。316L不锈钢的关键元素含量为C≤0.03wt％，Si≤1.0wt％，Mn≤2.0wt％，S≤0.03wt％，P≤0.045wt％，16wt％≤Cr≤18wt％，10wt％≤Ni≤14wt％，2wt％≤Mo≤3wt％，余量为Fe元素；2024铝合金的关键元素含量为3.8wt％≤Cu≤4.9wt％，0.3wt％≤Mn≤1.0wt％，1.2wt％≤Mg≤1.8wt％，Zn≤0.25wt％，Cr≤0.10wt％，Si≤0.5wt％，余量为Al元素。具体步骤如下：

①分别对316L、2024铝合金进行打磨：将二者的待焊接面分别用180#，400#，800#，1200#的金刚砂纸打磨，使用每种规格的砂纸打磨时间约1～2min，直到二者表面均无明显划痕即可；打磨处理是为了去除合金表面大部分氧化层，为下一步的脉冲激光处理及激光对接焊接做准备。

②清除两合金板表面的杂质和油污：将两合金板分别放入丙酮(C₃H₆O)溶液中，再用超声清洗3～5min；合金板表面可能存在很多油污附着，油污的存在会使得脉冲激光处理及焊接过程中混入杂质，影响实验效果。

③清洗两合金板表面的残余液体：用离子水冲洗两合金板，并用氮气吹干表面，防止表面再次氧化。

④将316L金待与2024铝合金连接端面进行脉冲激光预处理：将316L夹持立起，使待清洗端面朝上对准脉冲激光头并开光；脉冲激光处理工艺参数为：激光功率60w，扫描速度4mm/s，激光频率30kHz，线宽50mm。⑤将脉冲激光处理后的316L一侧与2024铝合金对接：由于脉冲激光处理后的316L端面粗糙度较大，表面凹凸不平，此时应尤其注意316L与2024铝合金的夹紧；

⑥焊接采用激光向2024铝合金偏置一段距离d的钎焊方式进行，焊接工艺参数为：激光功率3.5kw，焊接速度60mm/s，光束向Al侧偏移量0.6mm。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、对A合金端面进行脉冲激光处理，使该A合金端面凹凸不平；

S2、将A合金端面与B合金端面对接后进行激光熔钎焊，焊接时，激光作用在B合金一侧，使B合金熔化并填充至A合金凹凸不平的端面中，实现异种合金焊接；其中，A合金的熔化温度高于B合金；

所述A合金为钛合金，所述B合金为铝合金；

脉冲激光处理参数为：激光功率60w～120w，扫描速度4mm/s～8mm/s，激光频率20kHz～40kHz，线宽50mm～100mm；

脉冲激光处理后钛合金端面起伏范围为5mm～10mm范围内，焊接后接触面化合物转变为TiAl₃-TiAl和Ti₃Al交替的两层分布。

2.如权利要求1所述的基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法，其特征在于，激光熔钎焊参数为：激光功率3.5kw～3.8kw，焊接速度60mm/s～80mm/s，激光光束向铝合金一侧的偏移量为0.6mm～0.8mm。

3.如权利要求1所述的基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述A合金的熔化温度比B合金的熔化温度高800℃以上。

4.如权利要求1所述的基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法，其特征在于，进行激光熔钎焊时，采用夹具将A合金和B合金夹紧。

5.如权利要求1-4任一项所述的基于脉冲激光预处理的异种合金激光熔钎焊接方法，其特征在于，对A合金端面进行脉冲激光处理前，先对A合金和B合金进行预处理，包括如下步骤：对A合金和B合金进行打磨，然后在丙酮溶液中进行超声清洗，最后清洗干净并吹干。

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