CN113814510A - 一种黄铜与钢铁的激光焊接工艺 - Google Patents

Abstract

一种黄铜与钢铁的激光焊接工艺，对钢铁的表面进行镀锌处理，在黄铜侧深熔焊，利用摆动焊接方式，将液态黄铜在钢铁表面铺展，实现黄铜与钢铁的平整牢固和均匀的焊接。

Description

一种黄铜与钢铁的激光焊接工艺

技术领域

本发明涉及一种黄铜与钢铁的焊接工艺，提供了一种光纤激光焊接黄铜和钢铁的方法。

背景技术

黄铜具有良好的导热与导电性能，但是黄铜的力学性能（如抗拉强度、硬度）较差，不适用于一些需要承受高载荷的情况。钢铁的力学性能相比黄铜要高出很多，但其导热与导电性能相比黄铜较差。因此，黄铜与钢铁的结合既兼顾了黄铜优良的导热、导电性能，又兼顾了钢铁优良的力学性能。比如冷水机中的管道、空调的热交换器等方面都采用的是黄铜与钢铁的焊接结构。

目前针对黄铜和钢铁的焊接方法主要有钎焊、气焊、弧焊和激光焊，其中钎焊需要添加钎料，增加了生产成本。气焊、弧焊的热输入量大，工件极易产生变形。而激光焊接能量密度集中，热影响区小，且易于自动化，可以说是一种极佳的焊接方式。

黄铜对CO2和YAG激光的吸收率通常很低，想要熔化形成熔池就需要很高的功率，反射的激光对设备与操作员的安全也造成了威胁；采用蓝光或绿光时，可以提高黄铜对激光的吸收率，但是蓝光和绿光激光器成本极高。而光纤激光可以相对于固体激光提高吸收率，并且成本较低。

但是，黄铜在光纤激光作用下，其中的锌元素蒸发烧损严重，易造成焊缝凹陷及焊缝焊接过程不稳定等缺陷；且黄铜与钢铁的热物性差异大，熔化情况不一致，给焊接造成了很大困难。现有技术（如CN113134664A）中为了解决锌的蒸发，多采用避免将热量直接作用在母材上，母材主要依靠熔池金属的传热来加热融化；但这样会导致焊接效率的降低。现有技术中为了防止锌的含量降低，多是采用含硅、Fe、Sn等元素的焊丝，阻止熔池内的锌的氧化与蒸发，但这样不仅使用过程复杂，且会导致多余元素的混入。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种黄铜与钢铁的激光焊接工艺，克服了现有技术的不足，使其达到有效连接，获得优良的焊缝形貌与接头性能，设计合理。

为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：

一种黄铜与钢铁的激光焊接工艺：

S1：准备焊接用的黄铜工件与钢铁工件；

S2:对钢铁的表面进行镀锌处理；

S3:将黄铜板和镀锌钢铁板布置在一起，采用激光熔钎焊的方式，将激光能量主要集中在黄铜一侧，使黄铜熔化为液态，钢铁保持固态，利用熔化后的液态黄铜浸润钢铁界面形成钎接接头；该方式在黄铜侧为深熔焊机制，在钢铁侧为钎焊机制,采用摆动焊接方式、并调整合适的离焦量，在铜侧可以获得较为均匀、平整的焊缝，优选的，焊接激光可以采用光纤激光。（激光熔钎焊即为在黄铜侧为熔焊机制，在钢铁侧为钎焊机制，而在钢铁侧的钎焊机制中，钎料对应为融化的黄铜板侧的部分黄铜）

S4:焊接完成，关闭激光输出。

钢铁包括焊接领域通常意义上的钢材或铁材等材料。

本发明提供了一种黄铜与钢铁的激光焊接工艺：

1、黄铜的主要成分是铜和锌，锌的沸点较低，在焊接过程中极易蒸发。对钢铁的表面附近进行镀锌处理：第一，可以补充一部分蒸发的锌；第二，可以增加钢铁表面的润湿性，促进液态黄铜在钢铁表面铺展，有利于钎接；第三，有助于和铜形成混合，促进元素的相互扩散与溶解，增加结合强度。

2、激光熔钎焊原理：能量大部分集中在黄铜一侧，该侧的黄铜熔化成为液态金属，而钢铁侧金属基本不熔或者仅有很少部分熔化。这样，液态黄铜在固态钢铁表面上铺展开，形成钎接接头。这种熔钎焊的方式结合了熔焊和钎焊两者的优点：第一，黄铜侧为深熔焊机制，激光能量利用率高，可以进行一定厚度的连接；第二，钢铁侧为钎焊机制，避免了钢铁侧过量熔化，产生金属间化合物降低结合强度。

3、通过采用光束摆动的方式、并调整离焦，在黄铜侧深熔焊时，可以提高小孔的稳定性，避免局部温度过高产生沸腾，提高焊缝的均匀性与平整性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本发明的焊接方式示意图；

图2为本发明的焊接效果示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例：

S1：准备焊接用的黄铜板和钢铁板；在一些实施例下，黄铜板采用H62黄铜板；

S2：对钢铁的表面进行镀锌处理，其中镀锌工艺包括但不限于机械镀锌、电镀锌、热浸镀锌；在一些实施例下，具体的可以采用SGCC热浸镀锌钢板。镀锌区域应至少包含焊接熔化区域，也可以对整块板进行镀锌，镀锌厚度参照GB/T13912-2002国家标准，一般在35μm以上。

在一些实施例下，黄铜板和镀锌钢板的具体规格可以采用100×50×2mm；

S3：将黄铜板和镀锌钢铁板采用对接形式布置在一起，（如图1所示）焊接区域分为钢铁板侧的第一区域和黄铜板侧的第二区域，保护气体采用氩气，气体流量为5-25L/min,例如为15L/min，使用光惠激光1500W风冷手持光纤激光焊接机，离焦量设置为-2mm至-3mm，例如为-2mm，激光束经过焊接头以90HZ-150HZ（例如为120HZ）频率摆动0.8mm-1.5mm(例如为1.4mm)直线，并将激光偏向黄铜侧（即第二区域），使得激光能量主要集中在焊接区域黄铜侧靠近钢铁的区域，以1-2cm/s的速度进行手持焊接。光纤激光使得靠近钢铁侧的部分黄铜熔化为液态，钢铁保持固态，利用熔化后的液态黄铜浸润钢铁界面形成钎接接头；该方式在黄铜侧为深熔焊机制，在钢铁侧为钎焊机制,采用摆动焊接方式、并调整合适的离焦量，在铜侧可以获得较为均匀、平整的焊缝。（激光熔钎焊即为在黄铜侧为熔焊机制，在钢铁侧为钎焊机制，而在钢铁侧的钎焊机制中，钎料其实为融化的黄铜板侧的部分黄铜）；

S4:焊接完成，关闭激光输出。

参照图1，焊接区域又可依次分为左侧的钢铁侧区域，中部的融化黄铜区域，右侧的未融化黄铜区域。其中融化黄铜区域对应光纤激光的能量集中区域。

钢铁包括焊接领域通常意义上的钢材或铁材等材料。

焊完后的焊缝截面形貌如图2所示（S3中可选择的参数范围中具体选择气体流量为15L/min，离焦量设置为-2mm，激光束经过焊接头以120HZ频率摆动1.4mm直线，以1-2cm/s的速度进行手持焊接作为实施参数的情况下的效果）。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种黄铜与钢铁的激光焊接工艺：

S1：准备焊接用的黄铜工件与钢铁工件；

S2：对钢铁的表面进行镀锌处理；

S3：将黄铜板和镀锌钢铁板布置在一起，采用激光熔钎焊的方式，将激光能量主要集中在黄铜一侧，利用熔化后的液态黄铜浸润钢铁界面形成钎接接头；

S4:焊接完成，关闭激光输出。

2.根据权利要求1的黄铜与钢铁的激光焊接工艺：在S3中，使黄铜熔化为液态，钢铁保持固态，其在黄铜侧为深熔焊机制，在钢铁侧为钎焊机制。

3.根据权利要求1的黄铜与钢铁的激光焊接工艺：在S3中，采用摆动焊接方式、并调整合适的离焦量。

4.根据权利要求1的黄铜与钢铁的激光焊接工艺：焊接激光采用光纤激光。

5.根据权利要求1的黄铜与钢铁的激光焊接工艺：对钢铁的表面的镀锌处理采用SGCC热浸镀锌钢板。

6.根据权利要求1的黄铜与钢铁的激光焊接工艺：S3中，焊接区域分为钢铁板侧的第一区域和黄铜板侧的第二区域，保护气体采用氩气，气体流量设置为5-25L/min,使用光纤激光焊接机，离焦量设置为-2mm至-3mm，激光束经过焊接头以90HZ-150HZ频率摆动0.8mm-1.5mm直线，并将激光偏向黄铜侧，以1-2cm/s的速度进行手持焊接。

7.根据权利要求1的黄铜与钢铁的激光焊接工艺：镀锌厚度在35μm以上。

8.根据权利要求1的黄铜与钢铁的激光焊接工艺：黄铜板和镀锌钢铁板采用对接形式布置在一起。

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