CN113681162A - 一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及焊接技术领域，公开了一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，所述焊接方法包括以下步骤：(1)对铝/不锈钢表面进行预处理；所述预处理包括如下步骤：对待焊接的不锈钢板材及铝板材进行焊前清理；在清洗后的不锈钢板材表面进行激光刻蚀，制备带有表面微结构的不锈钢板材；对激光刻蚀后的不锈钢板材进行化学刻蚀，制得带有复合微结构的不锈钢板材；(2)将带有复合微结构的不锈钢与清洗过的铝板材搭接放置装配，并在不锈钢表面涂覆钎剂，调整激光器至合适的工艺参数，实施焊接。本发明解决了现有技术中铝/不锈钢焊接过程中产生的脆性化合物和热应力致裂的问题，提高了接头的强度。
Description
技术领域
本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法。
背景技术
随着经济发展与社会进步，能源紧缺、环境污染问题日益严重。在轨道交通运输方面，轻量化可降低运营成本，减少能源消耗，已成为各国重点研究方向。铝合金由于密度小、耐腐蚀性能好、价格低廉。不锈钢具有较高的耐腐蚀性、耐热性及良好的加工性。二者的复合结构在轨道交通运输方面领域的应用备受期待，实现铝和不锈钢的可靠连接将对轨道交通运输的轻量化设计具有巨大的意义。
目前，铝和不锈钢由于本身的物理性能差异，且界面极易生成金属间化合物，因此传统的熔化焊并不适用于二者的连接。而机械连接、胶接以及固相连接往往受工件尺寸的限制较多，可靠性和生产效率难以保证。为了解决上述问题，熔钎焊作为一种新型方法被提出，但该方法仅在一定程度上对铝和不锈钢焊接起到了缓解作用。铝/不锈钢焊接过程中产生的脆性化合物和热应力致裂的问题仍然严重制约着铝/不锈钢接头在轨道交通领域的应用。
发明内容
为解决现有技术中铝/不锈钢焊接过程中产生的脆性化合物和热应力致裂的问题，本发明提供了一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法。
本发明的技术方案：一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)对铝/不锈钢表面进行预处理；所述预处理包括如下步骤：
对待焊接的不锈钢板材及铝板材进行焊前清理；
在清洗后的不锈钢板材表面进行激光刻蚀，制备带有表面微结构的不锈钢板材；
对激光刻蚀后的不锈钢板材进行化学刻蚀，制得带有复合微结构的不锈钢板材；
(2)将带有复合微结构的不锈钢板材与清洗过的铝板材搭接放置装配，并在不锈钢表面涂覆钎剂，调整激光器至合适的工艺参数，实施焊接。
所述步骤(1)所述的激光刻蚀采用的工艺参数主要包括激光功率、扫描速度、扫描次数；激光功率为90-150W，扫描速度300-1500mm/s,扫描次数为10-30次。
所述步骤(1)所述的表面微结构为沟槽型表面微结构，沟槽间距为0.05-1mm。
所述步骤(1)所述的表面微结构与待焊接方向呈夹角，夹角范围为0-180°。
所述步骤(1)所述的化学刻蚀的化学刻蚀液的成分为磷酸20-50g/L，硝酸5-10g/L，盐酸100-150g/L，十二烷基苯磺酸钠5-10g/L，甘油10-30g/L。
所述步骤(1)所述的化学刻蚀温度为75-95℃，时间为3-5min。
所述步骤(2)中搭接放置的次序为不锈钢在下，铝在上，搭接长度为10-30mm。
所述步骤(2)中的激光器为光纤激光器、半导体激光器、CO2激光器中的任意一种。
所述步骤(2)中的工艺参数主要包括激光功率、焊接速度、送丝速度、离焦量和保护气流量；激光功率为2000-4000W，焊接速度0.5-1m/min，送丝速度4-8min/min，离焦量为+20-50mm，保护气为Ar气，流量为10-15L/min。
所述步骤(1)中的焊前清理的过程是采用丙酮对不锈钢板材进行擦拭，对铝板材先采用氢氧化钠溶液碱洗后采用盐酸酸洗，晾干后采用丙酮擦拭。
本发明的有益效果：
本发明采用激光刻蚀和化学刻蚀的复合调控的方法，在不锈钢表面制备微米及百微米级的多尺度表面微结构。相比与在未处理表面实施的焊接，表面微结构的存在能够显著促进钎料的润湿铺展，由于沟槽本身极强的疏导作用，使得熔融的金属在沟槽的作用发生具有方向约束的定向移动，避免了局部过热产生的组织恶化，增加了钎料在母材的接触面积。并且由于界面化合物沿微结构表面形成，具备一定的遗传特性，能够优化铝/不锈钢界面处的应力分布。在受力过程中，微结构的存在增大了裂纹的拓展路径，能够阻碍裂纹沿界面脆性化合物的拓展。钎料充分填入微结构的凹槽中，起到了物理钉扎的作用，从而提高接头强度，从而获得强度可靠的高质量铝/不锈钢接头。
附图说明
图1为本发明中不锈钢微结构角度及焊接装夹示意图；
图2为本发明中铝/不锈钢激光焊接示意图；
图3为本发明中原始不锈钢表面的宏观形貌图；
图4为本发明中激光刻蚀后不锈钢表面的宏观形貌图；
图5为本发明中激光刻蚀后不锈钢表面的三维形貌图；
图6为本发明中激光刻蚀+化学刻蚀后不锈钢表面的宏观形貌图；
图7为本发明中激光刻蚀+化学刻蚀后不锈钢表面的三维形貌图；
图8为本发明中不锈钢表面原始SEM形貌；
图9为本发明中不锈钢激光刻蚀+化学刻蚀后表面处理后的微观SEM形貌；
图10为本发明中铝/不锈钢未处理的激光连接实施效果宏观形貌图；
图11为本发明中实施例2中铝/不锈钢经过表面微结构处理的激光连接实施效果宏观形貌图；
图12为本发明中实施例1的接头微观组织SEM效果图；
图13为本发明中实施例2的接头微观组织SEM效果图；
图14为本发明中实施例2中铝/不锈钢经过表面微结构处理的激光连接实施效果图；符号说明
1.大尺寸沟槽微结构；2.小尺寸凹坑微结构；3.铝；4.不锈钢；5.焊接方向；6.微结构沟槽方向；7.微结构与焊接方向夹角；8.填充材料；9.接头断裂路径；101.激光头；102.激光；103.送丝设备；104.保护气嘴；105.夹具；106.不锈钢；107.不锈钢；108.垫片。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明的技术方案做进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。下列实施例中未具体注明的工艺设备或装置均采用本领域内的常规设备或装置，若未特别指明，本发明实施例中所用的原料等均可市售获得；若未具体指明，本发明实施例中所用的技术手段均为本领域技术人员所熟知的常规手段。
一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)对铝/不锈钢表面进行预处理；所述预处理包括如下步骤：
对待焊接的不锈钢板材及铝板材进行焊前清理；所述焊前清理，具体为对不锈钢板材采用丙酮进行擦拭，对铝板材采用砂纸进行打磨后采用丙酮进行擦拭或对铝板材先采用氢氧化钠溶液碱洗后采用盐酸酸洗，晾干后采用丙酮擦拭。
在清洗后的不锈钢板材表面进行激光刻蚀，制备表面微结构；
对激光刻蚀后的不锈钢板材进行化学刻蚀，制得带有复合微结构的不锈钢板材；
(2)将带有复合微结构的不锈钢与清洗过的铝板材搭接放置装配，并在不锈钢表面涂覆钎剂，调整激光器至合适的工艺参数，实施焊接。
所述步骤(1)所述的激光刻蚀，采用的工艺参数主要包括激光功率、扫描速度、扫描次数；激光功率为90-150W，扫描速度300-1500mm/s,扫描次数为10-30次。
所述步骤(1)所述的表面微结构，主要为沟槽型表面微结构，沟槽间距为0.05-1mm。
所述步骤(1)所述的表面微结构与待焊接方向呈一定夹角，夹角范围为0-180°。保证对钎料的定向疏导作用。其中该加工夹角的示意如图1所示，在不锈钢4表面加工有大尺度沟槽微结构1和小尺寸沟槽微结构2，其中大尺寸微结构的沟槽加工方向6与焊接方向5所成的夹角7即为加工夹角。所述步骤(1)所述的化学刻蚀的化学刻蚀液的成分为磷酸20-50g/L，硝酸5-10g/L，盐酸100-150g/L，十二烷基苯磺酸钠5-10g/L，甘油10-30g/L。
所述步骤(1)所述的化学刻蚀温度为75-95，℃时间为3-5min。
所述步骤(2)中搭接放置，其次序为不锈钢在下，铝在上，搭接长度为10-30mm。
所述步骤(2)中的激光器为光纤激光器、半导体激光器和CO2激光器的任意一种。
所述步骤(2)中的工艺参数，主要包括激光功率、焊接速度、送丝速度、离焦量和保护气流量；激光功率为2000-4000W，焊接速度0.5-1m/min，送丝速度4-8min/min，离焦量为+20-50mm，保护气为Ar气，流量为10-15L/min。
详细的焊接过程示意如图1所示，将激光刻蚀后的不锈钢106和清洗后的不锈钢107以铝上钢下的顺序搭接放置，并采用夹具105进行固定。为了保证夹具105装夹的牢固性，在铝107下方放置与不锈钢106等厚的垫片108。调整激光头101位置，使得激光束102位于激光刻蚀后的不锈钢106和清洗后的铝板107的搭接的中缝位置，随着激光102的照射，送丝设备103提供稳定的焊丝送进，同时保护气嘴104喷出Ar气，实施保护，进而实现多尺度表面微结构复合调控的铝/不锈钢激光连接。
实施例1
本发明提供一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，按以下步骤进行制备：
具体包括以下步骤：
对待焊接的不锈钢板材及铝板材进行焊前清理。
待焊材料选择为2mm厚的304不锈钢和2mm厚的6063铝合金，对待焊接的不锈钢板材及铝板材进行焊前清理。对铝板材采用砂纸进行打磨后采用丙酮进行擦拭。
在清洗后的不锈钢板材表面进行激光刻蚀，制备表面微结构。
选用短脉冲纳秒激光器对清洗后得到的不锈钢进行激光刻蚀，激光功率为90W，扫描速度600mm/s,扫描次数为10次。扫描策略设置为直线型，主要为沟槽形表面微结构，以保证对钎料的定向疏导作用，其沟槽间距为0.5mm。其与待焊接方向呈一定夹角，夹角范围为60°。
将得到的不锈钢板材进行化学刻蚀，制得带有复合微结构的不锈钢板材。
配置不锈钢化学刻蚀液，其成分选择为磷酸20g/L，硝酸5g/L，盐酸100g/L，十二烷基苯磺酸钠5g/L，甘油10g/L，水余量。激光刻蚀后得到不锈钢板材放入配置好的不锈钢化学刻蚀液中，采用恒温加热平台加热并保温一段时间。设定刻蚀温度为75，℃时间为3min。
原始不锈钢的形貌如图3所示。可以看出其表面平整而光滑。激光刻蚀后的不锈钢形貌如图4所示，其3D形貌如图5所示。可以看出，激光刻蚀后的母材表面存在大量的飞溅毛刺等加工缺陷，3D轮廓不清晰，这些都是不利于焊接过程的。激光刻蚀+化学刻蚀后的不锈钢表面形貌如图6所示，其3D形貌如图6所示。可以看出，复合工艺加工后的不锈钢整体表面变得粗糙，但3D形貌的轮廓变得格外清晰。这是由于化学刻蚀不仅可以去除激光微结构处理产生的毛刺等加工缺陷，亦可以在平整的不锈钢表面产生微米级的表面微结构。
为了进一步验证加工的效果，采用SEM显微镜分别对加工前和加工的不锈钢表面进行观察。加工前不锈钢表面SEM形貌如图8所示，加工前不锈钢表面SEM形貌如图9所。可以看出加工前的表面微观形貌较为平整，而加工后的表面明显包括大尺寸沟槽微结构1和小尺寸凹坑微结构2，采用复合工艺进行的表面处理实现了复合微结构的制备。
将带有复合微结构的不锈钢与清洗过的铝板材搭接放置装配，并在不锈钢表面涂覆钎剂，调整激光器至合适的工艺参数，实施焊接。
所述的搭接放置，其次序为不锈钢在下，铝在上，搭接长度为15mm。对化学刻蚀后的不锈钢母材用丙酮进行冲洗，以洗去多余的酸液。选用NO-COLOK商用钎剂，该钎剂对铝母材本身无腐蚀作用，安全环保。
选用为半导体激光器作为激光发生源，并对工艺参数进行如下设置后进行施焊：激光功率为2500W，焊接速度0.6/min，送丝速度5min/min，离焦量为+20mm，保护气为Ar气，流量为12L/min。得到高质量的焊接接头。
对接头进行拉伸剪切强度测试，其拉伸剪切强度可达327N/mm，显著高于未进行表面预处理的接头强度270N/mm，强度提升20％。
实施例2
本实施例提供了一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，具体包括以下步骤：
对待焊接的不锈钢板材及铝板材进行焊前清理。
待焊材料选择为2mm厚的304不锈钢和2mm厚的6063铝合金，对待焊接的不锈钢板材及铝板材进行焊前清理。对铝板材采用氢氧化钠溶液碱洗后采用盐酸酸洗，晾干后采用丙酮擦拭。
在清洗后的不锈钢板材表面进行激光刻蚀，制备表面微结构。
选用短脉冲纳秒激光器对清洗后得到的不锈钢进行激光刻蚀，激光功率为150W，扫描速度500mm/s,扫描次数为15次。扫描策略设置为直线型，主要为沟槽形表面微结构，以保证对钎料的定向疏导作用，其沟槽间距为0.3mm。其与待焊接方向呈一定夹角，夹角范围为60°。
将得到的不锈钢板材进行化学刻蚀，制得带有复合微结构的不锈钢板材。
配置不锈钢化学刻蚀液，其成分选择为磷酸50g/L，硝酸10g/L，盐酸100g/L，十二烷基苯磺酸钠10g/L，甘油30g/L，水余量。将激光刻蚀后得到不锈钢板材放入配置好的不锈钢化学刻蚀液中，采用恒温加热平台加热并保温一段时间。设定刻蚀温度为85℃，时间为5min。化学刻蚀不仅可以充分去除激光微结构处理产生的毛刺等加工缺陷，亦可以在平整的不锈钢表面产生微米级的表面微结构。
将带有复合微结构的不锈钢与清洗过的铝板材搭接放置装配，并在不锈钢表面涂覆钎剂，调整激光器至合适的工艺参数，实施焊接。
所述的搭接放置，其次序为不锈钢在下，铝在上，搭接长度为15mm。对化学刻蚀后的不锈钢母材用丙酮进行冲洗，以洗去多余的酸液。选用NO-COLOK商用钎剂，该钎剂对铝母材本身无腐蚀作用，安全环保。
选用为半导体激光器作为激光发生源，并对工艺参数进行如下设置后进行施焊：激光功率为3000W，焊接速度0.5/min，送丝速度6min/min，离焦量为+50mm，保护气为Ar气，流量为15L/min。得到高质量的焊接接头。
为了形成更为明显的对比，在未处理不锈钢表面采用相同的激光参数进行了焊接，其实施效果如图10所示。一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法实施效果如图11所示，可以观察到填充材料8的充分填入制备的微结构沟槽1和2内，且填充材料8在不锈钢基板4上的铺展面积显著提高，润湿角明显减小，这均有利于接头性能的提高。对接头进行拉伸剪切强度测试，其拉伸剪切强度可达452N/mm，显著高于未进行表面预处理的接头强度315N/mm，强度提升超过40％。
相比与在未处理表面实施的焊接，表面微结构的存在能够显著促进钎料的润湿铺展，由于沟槽本身极强的疏导作用，使得熔融的金属在沟槽的作用发生具有方向约束的定向移动，避免了局部过热产生的组织恶化，增加了钎料在母材的接触面积。并且由于界面化合物沿微结构表面形成，具备一定的遗传特性，能够优化铝/不锈钢界面处的应力分布。
分别针对实施例1和实施例2中复合工艺加工后接头截面微观组织进行SEM分析，实施例1中接头SEM如图13所示，实施例2中接头SEM如图14所示。可以发现接头的断裂路径9发生了明显的变化。对于实施例1中，断裂路径9近似沿着填充材料8和不锈钢4的界面处发生断裂。而实施例2中，断裂路径9穿过填充材料8，这种断裂方式需要消耗更多的能量，因而表现出更强的力学性能。
实施例1与实施例2中的显著不同之处在于，在实施例2中，激光微结构的制备过程中采用了更大的功率，更慢的扫描速度，更多的加工次数和更小的微结构间距，因此在激光蚀刻过程中加工的凹槽将具有较大的宽度和深度以及更紧凑的沟槽轮廓。除此之外，在化学刻蚀的过程中选用更浓的酸液配置，更高的刻蚀和温度和更长的保温时间，这就导致了化学刻蚀后的表面更为粗糙，进而在钎料的润湿过程中产生更为明显的毛细力作用。两者的共同作用下，导致实施例2中制备的微结构表面相比于实施例1中制备的微结构表面，对钎料的润湿铺展过程有更为明显的促进作用，在承受拉伸剪切受力过程中进一步调控了受力分布，阻碍裂纹拓展，其更强的钉扎作用显著提高了接头的强度。
实施例3
本实施例提供了一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，具体包括以下步骤：
对待焊接的不锈钢板材及铝板材进行焊前清理。
待焊材料选择为2mm厚的304不锈钢和2mm厚的6063铝合金，对待焊接的不锈钢板材及铝板材进行焊前清理。对铝板材采用氢氧化钠溶液碱洗后采用盐酸酸洗，晾干后采用丙酮擦拭。
在清洗后的不锈钢板材表面进行激光刻蚀，制备表面微结构。
选用短脉冲纳秒激光器对清洗后得到的不锈钢进行激光刻蚀，激光功率为100W，扫描速度1500mm/s,扫描次数为30次。扫描策略设置为直线型，主要为沟槽形表面微结构，以保证对钎料的定向疏导作用，其沟槽间距为1mm。其与待焊接方向呈一定夹角，夹角范围为180°。
将得到的不锈钢板材进行化学刻蚀，制得带有复合微结构的不锈钢板材。
配置不锈钢化学刻蚀液，其成分选择为磷酸30g/L，硝酸8g/L，盐酸120g/L，十二烷基苯磺酸钠8g/L，甘油20g/L，水余量。将激光刻蚀后得到不锈钢板材放入配置好的不锈钢化学刻蚀液中，采用恒温加热平台加热并保温一段时间。设定刻蚀温度为85℃，时间为5min。化学刻蚀不仅可以充分去除激光微结构处理产生的毛刺等加工缺陷，亦可以在平整的不锈钢表面产生微米级的表面微结构。
将带有复合微结构的不锈钢与清洗过的铝板材搭接放置装配，并在不锈钢表面涂覆钎剂，调整激光器至合适的工艺参数，实施焊接。
所述的搭接放置，其次序为不锈钢在下，铝在上，搭接长度为15mm。对化学刻蚀后的不锈钢母材用丙酮进行冲洗，以洗去多余的酸液。选用NO-COLOK商用钎剂，该钎剂对铝母材本身无腐蚀作用，安全环保。
选用为半导体激光器作为激光发生源，并对工艺参数进行如下设置后进行施焊：激光功率为4000W，焊接速度0.8/min，送丝速度8min/min，离焦量为+20mm，保护气为Ar气，流量为12L/min。得到焊接接头。对接头进行拉伸剪切强度测试，其拉伸剪切强度仅为290N/mm，强度提升效果有限。
一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法实施效果如图14所示，可以观察到相比如实施例2，随着沟槽角度的变化，沟槽对钎料润湿铺展的促进作用减弱，这是由于沟槽方向与焊接方向平行，因而沟槽的导向作用为水平方向，并未对钎料的铺展宽度方向有实质性的促进作用。因此，整个接头的力学性能提升效果有限。由此可见，选择合适的沟槽角度对于微结构对于接头效果的提升具有十分重要的意义。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，其特征在于，所述焊接方法包括以下步骤：
(1)对铝/不锈钢表面进行预处理；所述预处理包括如下步骤：
对待焊接的不锈钢板材及铝板材进行焊前清理；
在清洗后的不锈钢板材表面进行激光刻蚀，制备带有表面微结构的不锈钢板材；
对激光刻蚀后的不锈钢板材进行化学刻蚀，制得带有复合微结构的不锈钢板材；
(2)将带有复合微结构的不锈钢板材与清洗过的铝板材搭接放置装配，并在不锈钢表面涂覆钎剂，调整激光器至合适的工艺参数，实施焊接。
2.根据权利要求1所述的多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，其特征在于，所述步骤(1)所述的激光刻蚀采用的工艺参数主要包括激光功率、扫描速度、扫描次数；激光功率为90-150W，扫描速度300-1500mm/s,扫描次数为10-30次。
3.根据权利要求2所述的多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，其特征在于，所述步骤(1)所述的表面微结构为沟槽型表面微结构，沟槽间距为0.05-1mm。
4.根据权利要求3所述的多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，其特征在于，所述步骤(1)所述的表面微结构与待焊接方向呈夹角，夹角范围为0-180°。
5.根据权利要求4所述的多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，其特征在于，所述步骤(1)所述的化学刻蚀的化学刻蚀液的成分为磷酸20-50g/L，硝酸5-10g/L，盐酸100-150g/L，十二烷基苯磺酸钠5-10g/L，甘油10-30g/L。
6.根据权利要求5所述的多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，其特征在于，所述步骤(1)所述的化学刻蚀温度为75-95，℃时间为3-5min。
7.根据权利要求6所述的多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，其特征在于，所述步骤(2)中搭接放置的次序为不锈钢在下，铝在上，搭接长度为10-30mm。
8.根据权利要求7所述的多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，其特征在于，所述步骤(2)中的激光器为光纤激光器、半导体激光器、CO2激光器中的任意一种。
9.根据权利要求8所述的多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，其特征在于，所述步骤(2)中的工艺参数主要包括激光功率、焊接速度、送丝速度、离焦量和保护气流量；激光功率为2000-4000W，焊接速度0.5-1m/min，送丝速度4-8min/min，离焦量为+20-50mm，保护气为Ar气，流量为10-15L/min。
10.根据权利要求9所述的多尺寸表面微结构复合调控的铝不锈钢激光连接方法，其特征在于，所述步骤(1)中的焊前清理的过程是采用丙酮对不锈钢板材进行擦拭，对铝板材先采用氢氧化钠溶液碱洗后采用盐酸酸洗，晾干后采用丙酮擦拭。
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