CN114309947A - 一种锆基非晶金属材料和不锈钢材料的激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种锆基非晶金属材料与不锈钢材料的激光焊接方法，包括以下步骤：将不锈钢材料和锆基非晶材料进行激光焊接；所述激光焊接的过程中，调节激光的焦点位于焊接平面以下0.15～0.60mm处，且至不锈钢材料与锆基非晶材料连接缝隙向不锈钢方向偏离1/4～1/2处；所述激光的单点能量为0.8～15J，所述激光的单电脉冲不小于2毫秒；所述激光的出光频率不大于20Hz。本申请通过焊接过程中上述参数的控制，避免了锆基非晶金属材料的晶化现象，使得不锈钢材料和锆基非晶金属材料焊接后的焊缝强度得到了提高。
Description
技术领域
本发明涉及锆基非晶材料制备技术领域，尤其涉及一种锆基非晶金属材料和不锈钢材料的激光焊接方法。
背景技术
锆基非晶金属材料具有强度高、硬度高、模量低、弹性好、压铸成型尺寸精密高以及耐腐蚀等特点，因此，其在精密金属结构件领域有着广阔的应用前景。
锆基非晶金属材料成本高、不能直接成型大尺寸结构产品、硬度高、没有塑性、不能冲压、机械加工难度高，由此限制了锆基非晶的应用。不锈钢具有相对成本低、易加工、尺寸精度高以及耐腐蚀等特点，可以和锆基非晶形成互补。但两种金属的熔点差异大，锆基非晶在高温环境下容易晶化等原因，两种金属焊接的后的焊缝强度极低，无法满足产品强度要求。
发明内容
本发明解决的技术问题在于提供一种锆基非晶金属材料与不锈钢材料的激光焊接方法，该激光焊接方法可以极大提高焊接拉伸强度。
有鉴于此，本申请提供了一种锆基非晶金属材料与不锈钢材料的激光焊接方法，包括以下步骤：
将不锈钢材料和锆基非晶材料进行激光焊接；
所述激光焊接的过程中，调节激光的焦点位于焊接平面以下0.15～0.60mm处，且至不锈钢材料与锆基非晶材料连接缝隙向不锈钢方向偏离1/4～1/2处；所述激光的单点能量为0.8～15J，所述激光的单电脉冲不小于2毫秒；所述激光的出光频率不大于20Hz。
优选的，所述激光焊接前还包括：
将所述不锈钢材料和锆基非晶材料的焊接面压紧，并紧压在铜基的焊接治具底板上。
优选的，在激光焊接的过程中，调整激光焊接的速度与频率，使两焊点之间的重叠率大于30％。
优选的，所述不锈钢材料的厚度不大于2mm。
优选的，所述锆基非晶金属材料的厚度不大于2mm。
优选的，在激光焊接过程中，调整激光焊接的单点能量和脉宽，使每个焊点完全穿透焊接材料，并与铜基的焊接治具产生小于0.10毫米深的焊点。
优选的，所述激光焊接在氩气保护气氛下进行。
本申请提供了一种锆基非晶金属材料与不锈钢材料的激光焊接方法，其通过限定激光焊接过程中的相关参数，通过激光焊接的焊点穿透达到快速冷却、激光离焦降低能量密度、焊点偏离焊缝使不锈钢和锆基非晶充分融合相互扩散等方法，将不锈钢与锆基非晶的焊接拉伸强度从120MPa提升到210MPa，拓宽了锆基非晶的应用范围。
附图说明
图1为本发明锆基非晶金属材料与不锈钢材料的激光焊接示意图；
图2为本发明实施例1和对比例1激光焊接的外观照片；
图3为本发明实施例1和对比例1激光焊接的非晶热影响区分析图像；
图4为本发明实施例1和对比例1的焊点抗拉曲线图；
图5为本发明实施例2激光焊接的外观照片和焊点金相照片；
图6为本发明实施例3激光焊接的外观照片和焊点金相照片。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
鉴于现有技术中不锈钢与锆基非晶焊接强度低的问题，本申请提供了一种锆基非晶和不锈钢材料激光焊接的方法，申请人通过反复研究锆基非晶与不锈钢焊接断裂的基理，通过焊点穿透达到快速冷却、激光离焦降低能量密度、焊点偏离焊缝使不锈钢和锆基非晶充分融合相互扩散等方法，研究了一种适合的激光焊接工艺，最终将不锈钢与锆基非晶的焊接拉伸强度从120MPa提升到210MPa，拓宽了锆基非晶的应用范围。具体的，本发明实施例公开了一种锆基非晶金属材料与不锈钢材料的激光焊接方法，包括以下步骤：
将不锈钢材料和锆基非晶材料进行激光焊接；
所述激光焊接的过程中，调节激光的焦点位于焊接平面以下0.15～0.60mm处，且至不锈钢材料与锆基非晶材料连接缝隙向不锈钢方向偏离1/4～1/2处；所述激光的单点能量为0.8～15J，所述激光的单电脉冲不小于2毫秒；所述激光的出光频率不大于20Hz。
在本申请中，所述锆基非晶金属材料和所述不锈钢材料分别为本领域技术人员熟知的材料，对此本申请不进行特别的限制。本申请采用的不锈钢及锆基非晶金属材料的厚度均不大于2毫米；若大于2毫米，则焊接的过程中焊点焊接热量扩散速度不够，锆基非晶晶化，导致焊接强度降低。
在激光焊接之前，首先将不锈钢材料和锆基非晶金属材料焊接面压紧，保证两个接触面紧密接触，并紧压在铜基的焊接治具底板上；焊接面紧密接触保证激光熔化后两金属相互快速扩散，焊缝没有裹气等不良现象；紧压在铜基的焊接治具底板上，以保证焊点足够的散热速度。
在激光焊接之前，调节激光的焦点位于焊接平面以下(0.15～0.60毫米)的厚度1/3处，以降低表面激光能量密度，在保证焊接的合金能够熔化但不会产生气化出现飞溅缺陷；将激光的焦点调整至偏离不锈钢与锆基非晶连接缝隙向不锈钢方向约0.15～0.30毫米；，偏距离依据焊接的材料的厚度确定，锆基非晶材料越薄偏离距离越大；由于不锈钢与锆非晶熔点差异大，通过焦点偏离，调整激光能量在两种材料中的分布，以达到均匀熔化混合扩散的目的。
进一步的，通过调节激光的脉宽和功率调整激光的单点能量0.8～15焦耳(依据材料的不同厚度选择)，单点激光的能量应能够穿透焊接不锈钢和锆基非晶，与铜材的焊接治具轻微相连，通过焊点与铜治具焊接相连，消除了产品与治具的空气热阻层，大大的提升了焊点的冷却速度，减少了锆基非晶的焊接热影响区晶化现象；激光焊接单点的脉宽应不小于2毫秒，以确保锆基非晶与不锈钢有足够的时间熔融并相互扩散；调整激光焊接的速度与频率，使两焊点之间的重叠率应大于30％，以确保锆基非晶与不锈钢之间在整个连接平面上有最大的焊接面积并减少焊接气孔现象。同时，焊接出光频率，应不大于20Hz，以减少连续焊接时相邻焊点之间的能量累积，加快每个焊点降温速度，减小焊点热影响区锆基非晶的晶化现象。进一步的，在激光焊接过程中，调整激光焊接的单点能量和脉宽，使每个焊点完全穿透焊接材料，并与铜基的焊接治具产生小于0.10毫米深的焊点。
在上述准备工作之后则开始进行激光焊接。本申请通过焊接过程中上述参数的控制，避免了锆基非晶金属材料的晶化现象，使得不锈钢材料和锆基非晶金属材料焊接后的焊缝强度得到了提高。
为了进一步理解本发明，下面结合实施例对本发明提供的锆基非晶金属材料与不锈钢材料的激光焊接方法进行详细说明，本发明的保护范围不受以下实施例的限制。
实施例1
按照图1的方式放置不锈钢片和锆基非晶片；具体为：选取1毫米15毫米宽厚的304不锈钢片(1)和1毫米厚15毫米宽的106C锆基非晶片(5)，将等焊接的两端面切平，以保证焊接面两端紧密接触，将不锈钢片(1)和106C非晶片(5)焊接面紧贴并压紧在铜质的焊接治具(6)上；
调节激光焦点(3)在焊接平面(2)下0.3毫米处，再调整激光焦点，沿焊缝(4)向不锈钢方向偏置0.25毫米；
调节激光能量及焊接频率和脉宽，单点能量4.5J，功率1.2Kw，脉宽3.75毫秒，出光频率8Hz；焊点单点直径为0.80毫米，按重叠率40％，焊接速度为3.12毫米/秒；
调整好氩气出口，保证每次焊接均在氩气保护氛围下进行，避免出现焊点氧化现象；启动激光焊接，焊接完成，将样品从铜焊接治具(6)上轻轻敲下，检测。
对比例1
选取1毫米15毫米宽厚的304不锈钢片和1毫米厚15毫米宽的106C锆基非晶片，将等焊接的两端面切平，以保证焊接面两端紧密接触，焊缝位置治具避空，以防止产品焊到治具上；
调整激光焦点正对焊缝，单点能量4.5J，功率1.2Kw，脉宽3.75毫米，出光频率20Hz，焊点重叠率40％，焊接速度为8毫米/秒；
调整好氩气出口，保证每次焊接均在氩气保护氛围下进行，避免出现焊点氧化现象；启动激光焊接，焊接完成，取出样品检测。
如图2所示，对比实施例和对比例焊接外观，对比例焊缝处正面及背面表面氧化变色差异明显，实施例没有明显的氧化变色现象。
如图3所示，从对比例和实施例的非晶热影响区分析可知，采用本发明焊接的焊点，非晶热影响区的范围明显小，热影响区的晶化比例也少。
如图4所示，由图可知，采用本发明的锆基非晶与不锈钢激光焊接工艺，焊接强度明显提升。
实施例2
选取1.2毫米厚10毫米宽的440不锈钢片(1)和1毫米厚10毫米宽的106C锆基非晶片(5)，将等焊接的两端面切平，以保证焊接面两端紧密接触，将不锈钢片(1)和106C非晶片(5)焊接面紧贴并压紧在铜质的焊接治具(6)上；
调节激光焦点(3)在焊接平面(2)下0.33毫米处，再调整激光焦点，沿焊缝(4)向不锈钢方向偏置0.30毫米；
调节激光能量及焊接频率和脉宽，单点能量5.5J，功率1.2Kw，脉宽4.58毫秒，出光频率6Hz；焊点单点直径为0.80毫米，按重叠率55％，焊接速度为2.16毫米/秒；
调整好氩气出口，保证每次焊接均在氩气保护氛围下进行，避免出现焊点氧化现象；启动激光焊接，焊接完成，将样品从铜焊接治具(6)上轻轻敲下，检测。焊接外观和金相如图5所示，焊接拉伸强度：210MPa。
实施例3
选取1.0毫米厚10毫米宽的17-4不锈钢片(1)和1毫米厚10毫米宽的106C锆基非晶片(5)，将等焊接的两端面切平，以保证焊接面两端紧密接触，将不锈钢片(1)和106C非晶片(5)焊接面紧贴并压紧在铜质的焊接治具(6)上；
调节激光焦点(3)在焊接平面(2)下0.35毫米处，再调整激光焦点，沿焊缝(4)向不锈钢方向偏置0.35毫米；
调节激光能量及焊接频率和脉宽，单点能量8.5J，功率1.6Kw，脉宽5.31毫秒，出光频率4Hz；焊点单点直径为0.80毫米，焊点重叠率80％，焊接速度为0.54毫米/秒；
调整好氩气出口，保证每次焊接均在氩气保护氛围下进行，避免出现焊点氧化现象；启动激光焊接，焊接完成，将样品从铜焊接治具(6)上轻轻敲下，检测。焊接外观和金相如图6所示，焊接拉伸强度：208MPa。
因此，本申请提供的焊接工艺使得焊缝氧化变色现象消除了，在保证不锈钢与非晶充分扩散和融合的前提下，非晶的热影响区明显减小，热影响区非晶晶化比例也明显减小，强度明显提升，扩展了锆基非晶应用范围。
以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (7)
1.一种锆基非晶金属材料与不锈钢材料的激光焊接方法，包括以下步骤：
将不锈钢材料和锆基非晶材料进行激光焊接；
所述激光焊接的过程中，调节激光的焦点位于焊接平面以下0.15～0.60mm处，且至不锈钢材料与锆基非晶材料连接缝隙向不锈钢方向偏离1/4～1/2处；所述激光的单点能量为0.8～15J，所述激光的单电脉冲不小于2毫秒；所述激光的出光频率不大于20Hz。
2.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接前还包括：
将所述不锈钢材料和锆基非晶材料的焊接面压紧，并紧压在铜基的焊接治具底板上。
3.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，在激光焊接的过程中，调整激光焊接的速度与频率，使两焊点之间的重叠率大于30％。
4.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述不锈钢材料的厚度不大于2mm。
5.根据权利要求1所述的激光焊接方法，其特征在于，所述锆基非晶金属材料的厚度不大于2mm。
6.根据权利要求1所述激光焊接方法，其特征在于，在激光焊接过程中，调整激光焊接的单点能量和脉宽，使每个焊点完全穿透焊接材料，并与铜基的焊接治具产生小于0.10毫米深的焊点。
7.根据权利要求1～6任一项所述的激光焊接方法，其特征在于，所述激光焊接在氩气保护气氛下进行。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20220412 |