CN114247992A - 激光热冲压焊接方法 - Google Patents

激光热冲压焊接方法 Download PDF

Info

Publication number
CN114247992A
CN114247992A CN202111527582.5A CN202111527582A CN114247992A CN 114247992 A CN114247992 A CN 114247992A CN 202111527582 A CN202111527582 A CN 202111527582A CN 114247992 A CN114247992 A CN 114247992A
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser beam
laser
layer
sample
welding method
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202111527582.5A
Other languages
English (en)
Inventor
胡耀武
张啸寒
刘胜
刘健
陆恒
夏敏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Wuhan University WHU
Original Assignee
Wuhan University WHU
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Wuhan University WHU filed Critical Wuhan University WHU
Priority to CN202111527582.5A priority Critical patent/CN114247992A/zh
Publication of CN114247992A publication Critical patent/CN114247992A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/20—Bonding
    • B23K26/21—Bonding by welding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/06—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing
    • B23K26/062—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam
    • B23K26/0622—Shaping the laser beam, e.g. by masks or multi-focusing by direct control of the laser beam by shaping pulses

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Plasma & Fusion (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Laser Beam Processing (AREA)

Abstract

本发明提供一种激光热冲压焊接方法，包含以下步骤：S1、在待焊接的试样上按顺序依次叠放动量传输层、吸收层、约束层；S2、第一激光束透过约束层作用于吸收层以激发出等离子体，产生压力冲击波；第二激光束透过吸收层、动量传输层作用于试样待焊接处从而加热试样使得试样待焊接处处于熔融或半熔融态，冲击波在约束层作用下向下传播经动量传输层作用于熔融或半熔融态的试样待焊接处从而进行冲压焊接。本发明通过加热激光束消除焊接材料的残余应力，提升增材构件温度分布的均匀性，且通过脉冲激光束降低成形件内部裂纹缺陷的萌生概率，避免了传统焊接造成的焊接件综合力学性能降低的问题。

Description

激光热冲压焊接方法
技术领域
本发明属于增材制造的技术领域，具体涉及一种激光热冲压焊接方法。
背景技术
随着科学技术的发展，要求焊接件在更为高效的焊接工艺下，具备更为优异的综合力学性能。热源与材料相互作用及材料冷却的过程中，在焊接热应力及残余应力的作用下，极易诱发热开裂问题。此外，材料凝固收缩及熔池元素挥发也会导致气孔缺陷。因此现阶段，制约材料焊接技术进一步发展及应用的主要技术瓶颈为如何抑制材料焊接成形过程中的缺陷问题及有效提升焊接效率的问题。
热与力是焊接作业中不可忽略的两个关键因素，包括不同焊接热源下的热量输入情况及焊接作业过程中，试样自身产生的蒸汽反冲压力、洛伦兹力、表面张力及重力等力的约束作用形式及外部输入的力的约束形式。焊接工艺不同也使得焊接作业过程中，试样的热力分布不同。目前能够明显实现焊接作业过程中试样热与力因素调节的工艺方法为热压焊接。目前，相关领域学者也开展了一系列基于热压焊接工艺的研究工作，但仍存在较多问题，如公开号为CN102626821A的中国专利，提出了一种半固态材料连接成形一体化方法，通过将两种或两种以上预连接材料分别制备成半固态坯料或半固态浆料，将其放置于模腔中或轧辊下进行压力一次复合成形，该方法具有成形温度低，连接界面的结合性能优异等优势，但也存在着作业流程繁琐，模具依懒性强等弊端。公开号为CN1785913A的中国专利，提出了一种TiAl合金与TiB2金属陶瓷的自蔓延反应焊接方法，通过将粉末压坯放置于合金与陶瓷之间，采用高频电磁场预热待焊接的叠置工件，同时施加轴向压力，粉末压坯在高频电磁场作用下引燃并发生自蔓延反应，实现合金与陶瓷的连接，该方法通过采用中间层粉末压坯，有效改善界面处的润湿情况和致密程度，提高接头的高温力学性能。公开号为CN104803699A的中国专利，提出一种交流电场辅助陶瓷与金属非真空扩散焊接的方法，首先在氩气气氛及压力下，将扩散连接炉升温，然后在氩气气氛、交流电压、静电压、压力及一定温度下保温，最终冷却至室温，即完成交流电场辅助陶瓷与金属非真空扩散连接的方法。虽然上述专利逐步实现了材料的焊接，但仍无法突破传统热压焊接作业的固有短板，如：1)持续高压作业导致的裂纹扩展会造成焊接件较低的综合力学性能；2)焊接设备庞大，存在较大的购置、维修、保养及折旧费用；3)焊接工艺流程繁琐，焊接效率低下。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足之处，提供一种激光热冲压焊接方法，该焊接方法能够消除焊接材料的残余应力，提升增材构件温度分布的均匀性，降低成形件内部裂纹缺陷的萌生概率，避免了传统焊接造成的焊接件综合力学性能降低的问题。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种激光热冲压焊接方法，包含以下步骤：
S1、在待焊接的试样上按顺序依次叠放动量传输层、吸收层、约束层；
S2、第一激光束透过约束层作用于吸收层以激发出等离子体，产生压力冲击波；第二激光束透过吸收层、动量传输层作用于试样待焊接处从而加热试样使得试样待焊接处处于熔融或半熔融态，冲击波在约束层的作用下向下传播经动量传输层作用于熔融或半熔融态的试样待焊接处从而进行冲压焊接。
进一步地，所述步骤S1中，所述试样为金属材料、非金属材料或是金属-非金属合成材料中的任意一种。
进一步地，所述动量传输层为透射第一激光束、第二激光束的固体材料。
进一步地，所述吸收层为选择性吸收第一激光束并透射第二激光束的纯流体介质、固体介质或流体与固体的混合介质中的任意一种。
进一步地，所述约束层为透射第一激光束、第二激光束的气体、液体或固体材料。
进一步地，所述第一激光束脉宽小于300ns。
进一步地，第二激光束的工作方式为连续输出或脉冲输出中的任意一种。
进一步地，第一激光束与第二激光束由同一台激光器产生或分别由两台激光器产生；第一激光束与第二激光束的出、关光同步或者存在间隔时间。
进一步地，第一激光束与第二激光束同为脉冲激光或者第一激光束为脉冲激光，第二激光束为连续激光。
本发明的工作机理如下：
第一束脉冲激光辐照吸收层，产生等离子体冲击波，冲击波在约束层作用下向下传播，经动量传输层，作用于试样材料表面，向下冲压试样材料，增加焊接件的致密度；第二激光束辐照试样材料表面，降低焊接区域的有害残余应力，提升焊温度分布的均匀性，并使得试样材料处于熔融或半熔融态。在两束激光的共同作用下，集合脉冲激光输入的力及加热激光输入的热，实现了材料的高效焊接作业。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明的加热激光束辐照试样表面，既能使试样的待焊接处处于熔融或半熔融态，又能够降低焊接区域的有害残余应力，还可提升焊温度分布的均匀性，而脉冲激光束产生的动态等离子体冲击波，向下冲压试样材料，会降低焊接件孔隙率，闭合微裂纹，提升焊接件的综合力学性能；基于两束激光的热力耦合作用，能够实现材料的高效焊接作业；
2、本发明的工艺设备简单，改变了热压焊接，工艺设备庞大的传统理念；此外，本发明工艺流程简洁，避免了传统热压焊接工艺繁杂的焊接流程，有效提升了焊接作业的效率；工艺设备及工艺材料造价低廉，有效缩减了焊接作业的工艺成本；
3、本发明设计思路新颖，可行性高，目的性强，适用范围广，可在工程焊接制造领域规模化推广，具备极高的应用前景。
附图说明
图1为本发明实施例的激光热冲压焊接方法的工作示意图；
图中：第一激光束101；第二激光束102；约束层103；吸收层104；动量传输层105；基板106；试样107；等离子体冲击波108；试样待焊接处的熔融或半熔融态109；
图2为激光热冲压焊接铜金属纳米线的SEM照片，其中，(a)原始的铜纳米线；(b)焊接后的铜纳米线。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
本发明公开了一种激光热冲压焊接方法，包含以下步骤：
S1、在待焊接的试样上方按顺序依次叠放动量传输层、吸收层、约束层；
S2、第一激光束透过约束层作用于吸收层以激发出等离子体，产生压力冲击波；第二激光束透过吸收层、动量传输层作用于试样待焊接处从而加热试样使得试样待焊接处处于熔融或半熔融态，冲击波在约束层作用下向下传播经动量传输层作用于熔融或半熔融态的试样待焊接处从而进行冲压焊接。
其中，所述步骤S1中，所述试样为金属材料、非金属材料或是金属-非金属合成材料中的任意一种；所述动量传输层为透射第一、二激光束的固体材料；所述吸收层为选择性吸收第一激光束并透射第二激光束的纯流体介质、固体介质或流体与固体的混合介质中的任意一种；所述约束层为透射第一、二激光束的气体、液体或固体材料。
在该方法中，第一激光束用于激发等离子体，并产生压力冲击波，第一激光束的脉宽小于300ns。第二激光束用于加热待焊接试样，第二激光束的工作方式为连续输出与脉冲输出中的任意一种。第一激光束与第二激光束由同一台激光器产生或分别由两台激光器产生；第一激光束与第二激光束的出、关光同步或者存在间隔时间。另外，第一激光束与第二激光束同为脉冲激光或者第一激光束为脉冲激光，第二激光束为连续激光。所述第一激光束与第二激光束能够为单一激光束的两段激光，即焦点至焦点前的激光束为第一激光束，焦点后的激光束为第二激光束。
下面结合两个具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
实施例1：
本实施例是采用双激光热冲压焊接铜金属纳米线，如图1所示，为基于本实施例中激光热冲压焊接方法示意图，具体实施步骤为：
S1：采用丙酮溶剂并借助超声清洗机对基板106进行清洗处理；清洗后，在基板106表面采用滴管涂覆铜金属纳米线107，当然在别的实施例中，也可以在基板106的表面覆盖别的非金属材料或者金属-非金属合成材料作为待焊接试样；
S2：选用JGS2石英玻璃(厚度为200μm)作为动量传输层105、聚酰亚胺薄膜(厚度为500μm)作为吸收层104、JGS2石英玻璃(厚度为1mm)作为约束层103，之后在基板106的铜金属纳米线107上依次叠放动量传输层105、吸收层104、约束层103并将铜金属纳米线107上方的三者固定连接在一起；
S3：选择纳秒脉冲激光器(激光波长为1064nm，脉冲宽度为7ns，脉冲频率1Hz，电流为10A，电压为700V)作为第一激光束101，用于产生等离子体冲击波108；选择紫外激光器(激光波长为254nm)作为第二激光束102，用于辅助加热，形成熔融或半熔融的试样材料109；焊接时，第一激光束101透过约束层103作用于吸收层104以激发出等离子体从而产生压力冲击波；与此同时，第二激光束102依次透过约束层103(当然第二激光束102也可以不经过约束层103直接从吸收层104侧面辐照至吸收层104内部)、吸收层104、动量传输层105作用于铜金属纳米线107的待焊接处从而加热铜金属纳米线107使得铜金属纳米线107待焊接处处于熔融或半熔融态109，第一激光束产生的冲击波在约束层作用下向下传播经动量传输层作用于熔融或半熔融态109的铜金属纳米线107待焊接处从而进行冲压焊接；配合三坐标移动平台(移动速度为0.1mm/s)，采用“S”型扫描路径，完成对目标区域空间交错铜金属纳米线107的焊接作业。
实施例2：
本实施例是采用激光分束热冲压焊接铜金属纳米线，如图1所示，为基于本实施例中激光热冲压焊接方法示意图，具体实施步骤为：
S1：采用丙酮溶剂并借助超声清洗机对基板106进行清洗处理；清洗后，在基板106表面采用滴管涂覆铜金属纳米线107；
S2：选用聚酰亚胺薄膜作为动量传输层105、聚酰亚胺薄膜(厚度为500μm)作为吸收层104、BK7玻璃(厚度为1mm)作为约束层103，之后在基板106的铜金属纳米线107上依次叠放动量传输层105、吸收层104、约束层103并将铜金属纳米线107上方的三者固定连接在一起；
S2：选择纳秒脉冲激光器，(可发射波长为532nm激光束与355nm激光束，脉冲宽度为7ns，脉冲频率为1Hz，电流为10A，电压为700V)，借助干涉截止滤光镜、反射镜、分束镜、聚焦镜等光学元件，将532nm的激光束分为两束激光，其中，第一激光束101为355nm，用于产生等离子体冲击波108；第二激光束102为532nm，用于辅助加热试样材料109以使得熔融或半熔融；焊接时，第一激光束101透过约束层103作用于吸收层104以激发出等离子体，产生压力冲击波；之后第二激光束102直接从吸收层104侧面辐照至吸收层104内部，再经由动量传输层105作用于铜金属纳米线107的待焊接处从而加热铜金属纳米线107使得铜金属纳米线107待焊接处处于熔融或半熔融态109，第一激光束产生的冲击波在约束层作用下向下传播经动量传输层105作用于熔融或半熔融态109的铜金属纳米线107待焊接处从而进行冲压焊接；配合三坐标移动平台(移动速度为0.1mm/s)，采用“S”型扫描路径，完成对目标区域空间交错铜金属纳米线107的焊接作业。
如图2所示，为基于本实施例中双激光热冲压焊接铜金属纳米线的SEM照片，从图2中可以看出，采用双激光束，借助激光热力耦合作用，可实现铜金属纳米线的焊接作业。
实施例的作业机理：第一束脉冲激光辐照吸收层104，产生等离子体冲击波，冲击波在约束层103作用下向下传播，经动量传输层105，作用于试样107表面，向下冲压试样107的待焊接处，增加焊接件的致密度；第二激光束102辐照试样107表面，降低焊接区域的有害残余应力，提升焊温度分布的均匀性，并使得试样的待焊接处处于熔融或半熔融态，在两束激光的共同作用下，集合脉冲激光输入的力及加热激光输入的热，实现了材料的高效焊接作业。
以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims (9)

1.一种激光热冲压焊接方法，其特征在于，包含以下步骤：
S1、在待焊接的试样上按顺序依次叠放动量传输层、吸收层、约束层；
S2、第一激光束透过约束层作用于吸收层以激发出等离子体，产生压力冲击波；第二激光束透过吸收层、动量传输层作用于试样待焊接处从而加热试样使得试样待焊接处处于熔融或半熔融态，冲击波在约束层的作用下向下传播经动量传输层作用于熔融或半熔融态的试样待焊接处从而进行冲压焊接。
2.根据权利要求1所述的激光热冲压焊接方法，其特征在于，所述步骤S1中，所述试样为金属材料、非金属材料或是金属-非金属合成材料中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的激光热冲压焊接方法，其特征在于，所述动量传输层为透射第一激光束、第二激光束的固体材料。
4.根据权利要求1所述的激光热冲压焊接方法，其特征在于，所述吸收层为选择性吸收第一激光束并透射第二激光束的纯流体介质、固体介质或流体与固体的混合介质中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的激光热冲压焊接方法，其特征在于，所述约束层为透射第一激光束、第二激光束的气体、液体或固体材料。
6.根据权利要求1所述的激光热冲压焊接方法，其特征在于，所述第一激光束脉宽小于300ns。
7.根据权利要求1所述的激光热冲压焊接方法，其特征在于，第二激光束的工作方式为连续输出或脉冲输出中的任意一种。
8.根据权利要求1所述的激光热冲压焊接方法，其特征在于，第一激光束与第二激光束由同一台激光器产生或分别由两台激光器产生；第一激光束与第二激光束的出、关光同步或者存在间隔时间。
9.根据权利要求1所述的激光热冲压焊接方法，其特征在于，第一激光束与第二激光束同为脉冲激光或者第一激光束为脉冲激光，第二激光束为连续激光。
CN202111527582.5A 2021-12-14 2021-12-14 激光热冲压焊接方法 Pending CN114247992A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111527582.5A CN114247992A (zh) 2021-12-14 2021-12-14 激光热冲压焊接方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202111527582.5A CN114247992A (zh) 2021-12-14 2021-12-14 激光热冲压焊接方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN114247992A true CN114247992A (zh) 2022-03-29

Family

ID=80795094

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202111527582.5A Pending CN114247992A (zh) 2021-12-14 2021-12-14 激光热冲压焊接方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN114247992A (zh)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD284429A5 (de) * 1989-05-26 1990-11-14 Zi Fuer Schweisstechnik Der Ddr,Dd Verfahren zur ueberwachung von laserschweissprozessen
EP0724929A2 (en) * 1995-01-31 1996-08-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Underwater laser processing method and apparatus
WO2012174768A1 (zh) * 2011-06-24 2012-12-27 江苏大学 一种激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入的方法和装置
CN112375899A (zh) * 2020-10-29 2021-02-19 上海交通大学 矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统及其运用方法
CN112518109A (zh) * 2020-12-17 2021-03-19 武汉大学 应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DD284429A5 (de) * 1989-05-26 1990-11-14 Zi Fuer Schweisstechnik Der Ddr,Dd Verfahren zur ueberwachung von laserschweissprozessen
EP0724929A2 (en) * 1995-01-31 1996-08-07 Kabushiki Kaisha Toshiba Underwater laser processing method and apparatus
WO2012174768A1 (zh) * 2011-06-24 2012-12-27 江苏大学 一种激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入的方法和装置
CN112375899A (zh) * 2020-10-29 2021-02-19 上海交通大学 矩形均匀激光脉冲冲击强化与成型系统及其运用方法
CN112518109A (zh) * 2020-12-17 2021-03-19 武汉大学 应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
张洁;孙爱华;祝乐;顾祥;: "激光冲击电火花堆焊焊缝表面的有限元模拟", 稀有金属材料与工程, no. 2 *

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Lei et al. Ultrafast laser applications in manufacturing processes: A state-of-the-art review
Nisar et al. Laser glass cutting techniques—A review
CN112518109B (zh) 应用于异种金属复合热源焊接的高频激光脉冲方法
CN102432302B (zh) 一种激光束近净成形陶瓷结构的方法
Yan et al. Experimental and theoretical investigation of fibre laser crack-free cutting of thick-section alumina
WO2021057725A1 (zh) 一种增材制造方法
Zhang et al. Vacuum brazing of alumina to stainless steel using femtosecond laser patterned periodic surface structure
CN113387553B (zh) 飞秒激光双脉冲玻璃焊接强度增强系统装置
CN113927045B (zh) 一种激光增材制造的在线原位应力控制装置
Hajavifard et al. The effects of pulse shaping variation in laser spot-welding of aluminum
CN107162395A (zh) 一种双层或多层垂直封装玻璃的方法
CN111302609A (zh) 一种双激光束复合焊接玻璃的方法及装置
CN114247992A (zh) 激光热冲压焊接方法
Mikolutsky et al. Effect of nanosecond ultraviolet laser radiation on the structure and adhesion properties of metals and alloys
JP2013022627A (ja) レーザによる割断方法、レーザ割断装置、およびレーザ光発生装置
Lipat’eva et al. Precision laser welding of silica glass with iron-nickel alloy
Chen et al. Comparative investigation on single laser beam and dual laser beam for lap welding of aluminum alloy
CN115570783A (zh) 脉冲激光选区熔化一体化成型系统及方法
CN115537737A (zh) 一种薄涂层的制备方法及系统
Yoshitake et al. Ultrafast and large-gap microwelding of glass substrates by selective absorption of continuous-wave laser into transiently excited electrons
Zhu et al. An eave-like model for the welding of 304 stainless-steel tailor-welded blanks with different thicknesses
Rondepierre et al. Development and optimization of Laser Shock Repeated Dense Peening (LSRDP) using most advanced laser architectures
Shihoyama et al. Micromachining with ultrafast lasers
Löffler Developments in disk laser welding
RU2752820C1 (ru) Способ диффузионной сварки заготовок из керамики

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination