CN114406469A - 采用镍基高熵合金中间层的钢-铝合金激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种采用镍基高熵合金中间层的钢‑铝合金激光焊接方法，属于异种材料焊接技术领域。以镍基高熵合金金属箔片作为中间层材料。镍基高熵合金金属箔片的高熵效应以及高热阻效应，控制在焊缝熔合区内部不产生金属间化合物，金属间化合物仅在熔合区与铝合金界面处生成。镍元素与硅元素的添加，降低界面处Fe‑Al金属间化合物的生成，生成韧性更好的Ni‑Al‑Si相，提高界面处的冶金反应，进而提高接头的力学性能。采用激光束A，B，C同时焊，既增加钢板与铝合金板界面处的连接面积又确保熔融状态的铝对界面进行充分润湿铺展。提高搭接接头抗剪切强度的同时又避免裂纹、气孔等缺陷的产生。
Description
技术领域
本发明涉及异种材料焊接技术领域，特别涉及一种采用镍基高熵合金中间层的钢-铝合金激光焊接方法。添加镍基高熵合金金属箔片中间层，钢板与铝合金板异种金属搭接双光束激光焊接方法。
背景技术
随着新能源汽车的发展，对汽车工业实现环境污染小，能源消耗低的战略提出了更高的要求。异种金属（铝合金与钢）的连接对于汽车工业、轨道交通工业、航空航天工业的轻量化具有重要意义。但由于铝合金与钢的热物理化学性质差异较大并且铁在铝中的固溶度几乎为零，这使得采用熔化焊的方式较难获得力学性能达到工业要求的接头。影响铝合金与钢搭接接头力学性能的主要因素为界面处存在大量脆硬的金属间化合物和铝合金与钢界面处的连接面积过小。
金属间化合物是连接界面的必要条件，但大量脆硬Fe-Al金属间化合物的生成是导致接头力学性能降低的主要原因。目前有学者认为将金属间化合物层的厚度控制在10μm内，接头的力学性能将显著提升。如何控制脆硬金属间化合物层的厚度，是铝合金与钢材异种金属激光焊接的难点。
激光焊接技术作为一种能量密度高，焊接速度快，高效率的焊接方法在工业应用上得到了广泛的重视。但由于单束激光束加热范围小、温度梯度过大，对于焊缝处温度场的调控存在一定的局限性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种采用镍基高熵合金中间层的钢-铝合金激光焊接方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明添加镍基高熵合金金属箔片作为中间层材料，采用双光束激光焊接方法，实现铝合金板与钢板的有效连接。通过添加高熵合金金属箔片，抑制界面处脆硬金属间化合物的过量生成，生成韧性更好的Al-Ni-Si相，从而提高接头的力学性能。通过调控激光束A，B，C的入射角度来调控温度场的分布，适当增加铝合金与钢界面处的连接面积，达到进一步提高焊件力学性能的目的。
本发明以镍基高熵合金金属箔片为中间层，被焊工件可以是同种材料，钢材、铝及铝合金合金、钛合金，也可以是异种材料，钢材与铝合金、钛合金与铝合金、钢材与镍基合金、镍合金与铝合金、钢材与铜合金。根据高熵合金金属箔片组分变化，改变各元素的摩尔比，可获得不同的中间层材料。改变钛元素与硅元素的摩尔比，则可采用钛基高熵合金金属箔片CoTixCuNiSiy作为中间层材料。其中x为Ti元素的摩尔比，y为Si元素的摩尔比，则x，y的取值范围为：0＜x ≤2，0＜y ≤1；改变铜元素与硅元素的摩尔比，则可采用铜基高熵合金金属箔片CoTiCuxNiSiy作为中间层材料。其中x为Cu元素的摩尔比，y为Si元素的摩尔比，则x，y 的取值范围为：0＜x ≤2，0＜y ≤1。
本发明通过添加高熵合金金属箔片中间层材料降低界面处金属间化合物的生成。多主元高熵合金的高混合熵，使搭接接头焊缝熔合区内部倾向形成单相或多相的固溶体而不是金属间化合物。由于界面处元素间相互扩散，会在界面处形成金属间化合物层。但由于高熵合金的缓慢扩散效应抑制元素由熔合区向界面处进行扩散，从而达到降低界面处脆硬金属间化合物层的目的。本发明以双光束激光束为热源，精确调控温度场分布，增加铝合金与钢界面处连接面积的同时也保证熔融状态的铝对界面处进行充分的润湿铺展，有助于搭接接头力学性能的提高的同时减少接头界面处裂纹、气孔等缺陷的生成。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
采用镍基高熵合金中间层的钢-铝合金激光焊接方法，
本发明的有益效果在于：
1、以镍基高熵合金金属箔片为中间层材料，利用高熵合金较高的混合熵控制焊缝熔合区内部不产生金属间化合物，而倾向形成固溶体。利用高熵合金的缓慢扩散效应降低界面处元素间的相互扩散，减少铁原子与铝原子发生反应而生成脆硬Fe-Al金属间化合物。生成韧性更好的Al-Ni-Si相，从而达到降低界面处金属间化合物层厚度的目的。
2、以激光束A，B，C为焊接热源，减小温度梯度从而改善焊缝处能量分布，降低搭接接头的应力分布，进而提高接头的力学性能。通过精确控制温度场分布，而实现铝合金板与钢板的有效连接。
3、精确调控激光束A，B的入射角度以及热输入，可适当增加铝合金板与钢板界面处的连接面积。精确调控激光束C的热输入可以保证熔融态的铝对熔合区界面充分润湿铺展，有助于搭接接头力学性能提升的同时又降低接头裂纹、气孔等缺陷的产生。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的激光焊接的过程示意图；
图2为本发明的激光束A，B，C施焊时，激光束入射角度以及气体方向示意图。
图3为本发明的激光束A，B两圆形光斑相交时，铝合金板与钢板施焊俯视图；
图4为本发明的激光束A，B两圆形光斑相离时，铝合金板与钢板施焊俯视图。
图中：1、钢板；2、铝合金板；3、镍基高熵合金金属箔片；4、激光束A；5、激光束B；6、激光束C；7、焊接方向； 8、保护气体；9、焊接夹具平台；10、焊缝；4-1、激光束A的圆形光斑；5-1、激光束B的圆形光斑；6-1、激光束C的圆形光斑。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明的采用镍基高熵合金中间层的钢-铝合金激光焊接方法，以镍基高熵合金金属箔片作为中间层材料。镍基高熵合金金属箔片的高熵效应以及高热阻效应，控制在焊接后所形成的焊缝10的熔合区内部不产生金属间化合物，金属间化合物仅在熔合区与铝合金界面处生成。镍元素与硅元素的添加，降低界面处Fe-Al金属间化合物的生成，生成韧性更好的Ni-Al-Si相，提高界面处的冶金反应，进而提高接头的力学性能。采用激光束A，B，C同时焊，既增加钢板与铝合金板界面处的连接面积又确保熔融状态的铝对界面进行充分润湿铺展。提高搭接接头抗剪切强度的同时又避免裂纹、气孔等缺陷的产生。
本发明以镍基高熵合金金属箔片3作为钢板1与铝合金板2异种金属激光焊接的中间层材料。通过添加镍元素与硅元素，使脆硬Fe-Al 金属间化合物转变为Ni-Al-Si相，提高生成金属间化合物的韧性。采用钢板1在上、铝合金板2在下的搭接形式。精确调控激光束A4、激光束B5的热输入与角度，可增加搭接接头界面处的连接面积，进而提高接头的抗剪切强度。精确调控激光束C6的热输入，通过热传导作用，使得搭接界面下的铝合金发生熔化而镍基高熵合金金属箔片处于固相，以确保熔融状态的铝对搭接界面进行充分润湿铺展，避免裂纹、气孔等缺陷的生成。
所述镍基高熵合金金属箔片3为CoTiCuNixSiy。其厚度范围为0.01mm~0.5mm。其中x为Ni元素的摩尔比，y为Si元素的摩尔比，x，y 的取值范围为0＜x ≤2，0＜y ≤1。x=1时，即CoTiCuNiSi的混合熵最大。当镍基高熵合金金属箔片中硅元素的摩尔比一定时，镍元素的摩尔比小于1或镍元素的摩尔比大于1，均使其混合熵降低。镍基高熵合金金属箔片的混合熵越大，焊缝10的熔合区内部越倾向形成固溶体，而抑制金属间化合物的生成。镍基高熵合金金属箔片的缓慢扩散效应，阻止熔合区的元素向界面处进行扩散，进一步抑制界面处金属间化合物的生成。以镍基高熵合金金属箔片作为中间层材料，当Ni元素进入熔池后，阻碍脆硬Fe-Al 金属间化合物的生成，Si元素的加入提高了Al-Ni-Si金属间化合物的韧性，从而提升搭接接头的强韧性，进而提高接头的强度。综合考虑，
镍基高熵合金金属箔片的混合熵对焊缝10的熔合区内部金属间化合物生成的影响；②镍基高熵合金金属箔片的缓慢扩散效应对熔合区内部元素扩散以及界面处金属间化合物生成的影响；③镍基高熵合金金属箔片中镍元素与硅元素的摩尔比对界面冶金反应的影响，进而确定镍基高熵合金金属箔片中镍元素以及硅元素的摩尔比。
所述激光焊即：激光束A的圆形光斑4-1的半径R1与激光束B的圆形光斑5-1的半径R2相等，其半径R1=R2为0mm~1.0mm。激光束C的圆形光斑6-1半径R3是激光束A的圆形光斑4-1的半径R1的1.5~2.0倍。激光束A、B两圆形光斑在钢板上表面处于相交或相切或相离的状态。当激光束A、B两圆形光斑相切或相交时，相交距离d2为R1的0%~100%，当激光束A，B两圆形光斑相切或相离时，相离距离d3为R1的0%~50%。控制激光束A、B的入射角α1=α2，角度变化范围为40º~90º，使得在铝合金侧的熔深为铝合金板厚度的1/2~2/3。适当减小α1与α2的角度，可增加搭接接头界面处的连接面积，有助于搭接接头的力学性能的提升。控制激光束C的入射角α3为 90º。
优选地，将激光束A的圆形光斑与激光束B的圆形光斑同时并排置于上层钢板表面，激光束C的圆形光斑与激光束A、B的两圆形光斑的距离d1为钢板板厚的0.5~1倍。激光束A的功率P1与激光束B的功率P2相等。激光束C的功率P3是激光束A的功率P1的1/4~3/4。
优选地，所述钢板与铝合金板为等厚板或为不等厚板：当等厚时，①钢板与铝合金板厚度范围为0mm~2mm，中间层镍基高熵合金金属箔片的厚度为0.01mm~0.2mm，调节激光束A、B两圆形光斑处于相切或相离状态，并调节相离距离d3为0mm~0.5mm，d1为0mm~1mm。②钢板与铝合金板厚度范围为2mm~6mm，镍基高熵合金金属箔片的厚度为0.2mm~0.5mm，调节两圆形光斑处于相切或相交状态，并调节相交距离d2为0mm~1.0mm，d1为1mm~6mm；
当钢板与铝合金板不等厚时，①钢板的厚度范围为0mm~2mm，铝合金板的厚度小于3mm，中间层镍基高熵合金金属箔片的厚度为0.01mm~0.2mm，调节两圆形光斑处于相切或相离状态，调节相离距离d3为0mm~0.5mm，d1为0mm~1mm。②钢板的厚度范围为2mm~6mm，铝合金板的厚度小于3mm，中间层镍基高熵合金金属箔片的厚度为0.2mm~0.5mm，调节两圆形光斑处于相切或相交状态，并调节相交距离d2为0mm~1.0mm，d1为1mm~6mm。
优选地，所述激光束A、B、C所使用的激光器为相同激光器，即为光纤激光器或CO2激光器或Nd：YAG固体激光器或半导体激光器，其波型为连续型或脉冲型。
优选地，按以下工艺步骤进行：
步骤一、将钢板1与铝合金板2用砂纸打磨掉金属板表面的氧化膜，再用丙酮进行清洗，真空干燥后备用。钢板1与铝合金板2之间采用钢板1-镍基高熵合金金属箔片3-铝合金板2自上而下的搭接形式，用压板将其固定在焊接夹具平台9上，保证金属板的全部接触面接触良好。
步骤二、设置激光束A4、激光束B5、激光束C6的圆形光斑位置：将激光束A的圆形光斑4-1、激光束B的圆形光斑5-1、激光束C的圆形光斑6-1同时置于上层的钢板1的表面；设置圆形光斑大小并调节激光束A、B、C的入射角；设置圆形光斑的半径R1，R2，R3 ；设置圆形光斑之间的距离d1，d2，d3。
步骤三、选择焊接保护气体8为纯度99.999%的氩气并设置气体方向：采用同轴保护气体，避免熔池上方的等离子体以及熔滴飞溅污染激光器镜片；垂直于焊接方向7的保护气体避免熔池在焊接过程中发生氧化；旁轴侧吹的保护气体进一步保护熔池不发生氧化。
步骤四、设置焊接工艺参数：激光束A、B的功率P1=P2为400 W~6000 W，激光束C的功率P3为100 W~4500 W；保护气体的气流量为5L/min~20L/min；激光焊接速度为2mm/min~20mm/min；离焦量为-5 mm ~ + 5 mm。
步骤五、完成焊接。
实施例1：
采用厚度均为2mm的铝合金板与钢板，等厚板双光束激光焊接。中间层材料为镍基高熵合金金属箔片CoTiCuNiSi0.4，厚度为0.2mm，具体实施步骤如下：
一、将钢板与铝合金板用砂纸打磨掉金属板表面的氧化膜，再用丙酮进行清洗，真空干燥后备用。将干燥后的金属板，按照钢板-镍基高熵合金金属箔片-铝合金板自上而下的搭接形式，用压板将其固定在夹具上，保证金属板的全部接触面接触良好。
二、设置激光束A，B，C圆形光斑位置：调节激光束A，B的圆形光斑半径R1=R2为1mm，调节激光束C的圆形光斑半径R3为1.5mm。激光束A，B，C的圆形光斑同时置于上层钢板的表面。设置激光束A，B的入射角α1=α2=50º，激光束C的入射角α3=90º。设置圆形光斑之间相离距离d3=0.3mm，d1=1mm。
三、选择焊接保护气体为纯度99.999%的氩气并设置气体方向：采用同轴保护气体，避免熔池上方的等离子体以及熔滴飞溅污染激光器镜片；垂直于焊道方向的保护气体避免熔池在焊接过程中发生氧化；旁轴侧吹的保护气体，进一步保护熔池不发生氧化。
四、设置焊接工艺参数：发射激光束A，B，C的激光器为连续型激光器。激光束A，B的功率P1=P2为1400W，激光束C的功率P3为700W，激光焊接速度为10mm/min，离焦量为 -5 mm，保护气体的气流量为10L/min 。
五、焊接完成，获得搭接接头。所获得的搭接接头宏观上无裂纹、气孔等缺陷的产生并且钢板与铝合金板界面处的连接面积较大，有助于接头抗剪切强度的提升。微观上控制焊缝熔合区内部不产生金属间化合物，并且减少了接头界面处脆硬Fe-Al金属间化合物的生成，而生成韧性更好的Ni-Al-Si相，进一步提升接头的抗剪切强度。
实施例2：
采用厚度为4mm的钢板与厚度为2mm的铝合金板，非等厚板双光束激光焊接。中间层材料为镍基高熵合金金属箔片CoTiCuNiSi0.4，厚度为0.4mm，具体实施步骤如下：
一、将钢板与铝合金板用砂纸打磨掉金属板表面的氧化膜，再用丙酮进行清洗，真空干燥后备用。将干燥后的金属板，按照钢板-镍基高熵合金金属箔片-铝合金板自上而下的搭接形式，用压板将其固定在夹具上，保证金属板的全部接触面接触良好。
二、设置激光束A，B，C的两圆形光斑位置：R1=R2为1mm，激光束C的圆形光斑半径R3为1.5mm。激光束A，B，C的两圆形光斑同时置于上层钢板的表面。设置激光束A，B的入射角α1=α2=50º，激光束C的入射角α3=90º。设置圆形光斑之间相交距离d2=0.8mm，d1=1mm。
三、选择焊接保护气体为纯度99.999%的氩气并设置气体方向：采用同轴保护气体，避免熔池上方的等离子体以及熔滴飞溅污染激光器镜片；垂直于焊道方向的保护气体避免熔池在焊接过程中发生氧化；旁轴侧吹的保护气体，进一步保护熔池不发生氧化。
四、设置焊接工艺参数：发射并排激光束的激光器为连续型激光器。激光束A，B，C的功率P1=P2为2000W，激光束C的功率P3为1000W，激光焊接速度为12mm/min，离焦量为 -5mm，保护气体的气流量为15L/min 。
五、焊接完成，获得搭接接头。所获得的搭接接头宏观上无裂纹、气孔等缺陷的产生并且钢板与铝合金板界面处的连接面积较大，有助于接头抗剪切强度的提升。微观上控制焊缝熔合区内部不产生金属间化合物，并且减少了接头界面处脆硬Fe-Al金属间化合物的生成，而生成韧性更好的Ni-Al-Si相，进一步提升接头的抗剪切强度。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种采用镍基高熵合金中间层的钢-铝合金激光焊接方法，其特征在于：以镍基高熵合金金属箔片（3）作为钢板（1）与铝合金板（2）异种金属激光焊接的中间层材料，通过添加镍元素与硅元素，使脆硬Fe-Al 金属间化合物转变为Ni-Al-Si相，提高生成金属间化合物的韧性；采用钢板（1）在上、铝合金板（2）在下的搭接形式，精确调控激光束A（4）、激光束B（5）的热输入与角度，增加搭接接头界面处的连接面积，进而提高接头的抗剪切强度；精确调控激光束C（6）的热输入，通过热传导作用，使得搭接界面下的铝合金发生熔化而镍基高熵合金金属箔片处于固相，以确保熔融状态的铝对搭接界面进行充分润湿铺展，避免裂纹、气孔缺陷的生成；
所述镍基高熵合金金属箔片为CoTiCuNixSiy，其厚度范围为0.01mm~0.5mm；其中x为Ni元素的摩尔比，y为Si元素的摩尔比；x、y 的取值范围为0＜x ≤2，0＜y ≤1；
所述激光焊接是：激光束A的圆形光斑（4-1）的半径R1与激光束B的圆形光斑（5-1）的半径R2相等，R1=R2为0mm~1.0mm；激光束C的圆形光斑（6-1）的半径R3是激光束A的圆形光斑（4-1）半径R1的1.5~2.0倍；激光束A的圆形光斑（4-1）、激光束B的圆形光斑（5-1）在钢板（1）上表面处于相交或相切或相离的状态；当激光束A的圆形光斑（4-1）、激光束B的圆形光斑（5-1）相切或相交时，相交距离d2为R1的0%~100%，当激光束A的圆形光斑（4-1）、激光束B的圆形光斑（5-1）相切或相离时，相离距离d3为R1的0%~50%；控制激光束A、B的入射角α1=α2，角度变化范围为40º~90º，使得在铝合金侧的熔深为铝合金板厚度的1/2~2/3；减小α1与α2的角度，可增加搭接接头界面处的连接面积，有助于搭接接头的力学性能的提升；控制激光束C的入射角α3为 90º。
2.根据权利要求1所述的采用镍基高熵合金中间层的钢-铝合金激光焊接方法，其特征在于：所述的激光焊接为两束以上激光束同时焊接，即：将激光束A的圆形光斑（4-1）与激光束B的圆形光斑（5-1）同时并排置于上层的钢板（1）表面，激光束C的圆形光斑（6-1）与激光束A的圆形光斑（4-1）、激光束B的圆形光斑（5-1）的距离d1为钢板（1）板厚的0.5~1倍；激光束A的功率P1与激光束B的功率P2相等；激光束C的功率P3是激光束A的功率P1的1/4~3/4。
3.根据权利要求1所述的采用镍基高熵合金中间层的钢-铝合金激光焊接方法，其特征在于：所述的钢板（1）与铝合金板（2）为等厚板或为不等厚板：当等厚时，钢板（1）与铝合金板（2）厚度范围为0mm~2mm，中间层的镍基高熵合金金属箔片（3）的厚度为0.01mm~0.2mm，调节激光束A的圆形光斑（4-1）、激光束B的圆形光斑（5-1）处于相切或相离状态，并调节相离距离d3为0mm~0.5mm，d1为0mm~1mm；钢板（1）与铝合金板（2）的厚度范围为2mm~6mm，镍基高熵合金金属箔片（3）的厚度为0.2mm~0.5mm，调节激光束A的圆形光斑（4-1）、激光束B的圆形光斑（5-1）处于相切或相交状态，并调节相交距离d2为0mm~1.0mm，d1为1mm~6mm；
当钢板（1）与铝合金板（2）不等厚时，钢板（1）的厚度范围为0mm~2mm，铝合金板（2）的厚度小于3mm，中间层的镍基高熵合金金属箔片（3）的厚度为0.01mm~0.2mm，调节激光束A的圆形光斑（4-1）、激光束B的圆形光斑（5-1）处于相切或相离状态，调节相离距离d3为0mm~0.5mm，d1为0mm~1mm；钢板（1）的厚度范围为2mm~6mm，铝合金板（2）的厚度小于3mm，中间层的镍基高熵合金金属箔片（3）的厚度为0.2mm~0.5mm，调节激光束A的圆形光斑（4-1）、激光束B的圆形光斑（5-1）处于相切或相交状态，并调节相交距离d2为0mm~1.0mm，d1为1mm~6mm。
4.根据权利要求1所述的采用镍基高熵合金中间层的钢-铝合金激光焊接方法，其特征在于：所述的激光束A（4）、激光束B（5）、激光束C（6）所使用的激光器为相同激光器，即为光纤激光器或CO2激光器或Nd：YAG固体激光器或半导体激光器，其波型为连续型或脉冲型。
5.根据权利要求1-4任一项所述的采用镍基高熵合金中间层的钢-铝合金激光焊接方法，其特征在于：按以下工艺步骤进行：
步骤一、将钢板与铝合金板用砂纸打磨掉金属板表面的氧化膜，再用丙酮进行清洗，真空干燥后备用；钢板与铝合金板之间采用钢板-镍基高熵合金金属箔片-铝合金板自上而下的搭接形式，用压板将其固定在焊接夹具平台上，保证金属板的全部接触面接触良好；
步骤二、设置激光束A、B、C的圆形光斑位置：将激光束A、B、C的圆形光斑同时置于上层的钢板的表面；设置圆形光斑大小并调节激光束A、B、C的入射角；设置圆形光斑的半径R1，R2，R3 ；设置圆形光斑之间的距离d1，d2，d3；
步骤三、选择焊接保护气体为纯度99.999%的氩气并设置气体方向：采用同轴保护气体，避免熔池上方的等离子体以及熔滴飞溅污染激光器镜片；垂直于焊接方向的保护气体避免熔池在焊接过程中发生氧化；旁轴侧吹的保护气体进一步保护熔池不发生氧化；
步骤四、设置焊接工艺参数：激光束A、B的功率P1=P2为400 W~6000 W，激光束C的功率P3为100 W~4500 W；保护气体的气流量为5L/min~20L/min；激光焊接速度为2mm/min~20mm/min；离焦量为-5 mm ~ + 5 mm；
步骤五、完成焊接。
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