CN114589390A - 一种超声激光焊接方法和金属材料 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超声激光焊接方法和金属材料，其中，上述焊接方法包括以下步骤：S10：获取第一板材和第二板材；其中，第一板材包括相对的第一面和第二面，第二板材包括相对的第三面和第四面，对第一面和第三面进行表面处理；S20：对第三面进行毛化处理；S30：将第一板材和第二板材相对放置，使得第一面和第三面贴合；其中，第一面和第三面中间设有中间金属层；S40：采用超声激光焊接的方式对第一板材和第二板材进行焊接处理，使得第一板材和第二板材之间生成准晶结构。本发明通过超声激光的方式降低脆性相生成的同时细化晶粒并且形成了准晶结构，利用准晶的增强弥散分布这一特点，提高焊缝的强度。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体而言，涉及一种超声激光焊接方法和金属材料。
背景技术
由于节能减排降碳的需求，航空航天、汽车制造、电子通讯以及轨道交通等领域的高端装备核心零部件的轻量化是未来的重要发展方向之一。轻量化是在保证结构的强度和役使性能的条件下，选用密度较低的结构材料是实现高端装备轻量化的途径之一，减轻重量来降低高端装备的能耗，同时提高其高速性、机动性等。由于铝合金具有轻质高强、加工性能好、抗腐蚀性能好、产量丰富等优点，是一种替代钢铁材料理想的结构材料之一。然而目前铝合金的性能还达不到完全替代钢铁材料的要求，因此一种铝/钢双金属材料应时而生。
相关技术中，对于铝合金与钢之间的连接通常使用的是焊接方法，然而由于铝合金与钢的自身特性相差较大且互相之间的溶解度较低，会导致铝/钢界面之间的冶金变得非常困难，二者界面间会形成脆性相Fe3Al导致界面润湿性差极易发生脆性断裂，风险较大。
发明内容
因此，为了解决上述问题，需要开发一种能够提高铝/钢界面润湿性使其不易发生脆断且可以提高强度的工艺方法。
本发明提供一种超声激光焊接方法，包括以下步骤：S10：获取第一板材和第二板材；其中，第一板材包括相对的第一面和第二面，第二板材包括相对的第三面和第四面，对第一面和第三面进行表面处理；S20：对第三面进行毛化处理；S30：将第一板材和第二板材相对放置，使得第一面和第三面贴合；其中，第一面和第三面中间设有中间金属层；S40：采用超声激光焊接的方式对第一板材和第二板材进行焊接处理，使得第一板材和第二板材之间生成准晶结构。
在本实施例中，通过超声激光焊接的方式，使得第一板材、第二板材以及中间金属层三种材料形成了准晶结构；准晶是周期晶体的简称，它是一种具有长程准周期性平移序和非晶体学旋转对称性的固态有序相；许多铝基合金系中发现了亚稳准晶相，准晶具有一系列独特的性能，如：高的硬度、高弹性模量、低热膨胀系数等，目前准晶材料的应用主要作为表面改性材料或作为增强相弥散分布于结构材料中。在本实施例中，第一板材为铝合金母材，第二板材为钢板，中间金属层为铜；通过激光焊接的方式，使得焊缝中形成准晶结构，利用准晶可以作为增强相弥散分布这一特点，有效降低脆性相Fe3Al的形成使焊缝中形成AlCuFe准晶相，从而提高铝/钢界面的强度和韧性，达到解决铝/钢界面润湿性差且易发生脆断这一问题的目的，同时提高其强度。
进一步地，表面处理包括：使用角磨机打磨、砂纸打磨、脉冲激光清洗中的任意一种方法，去除第一面和第三面表面的氧化层。
在本实施方式中，需要先去除金属板材表面的氧化物、油污或其他影响焊接强度的物质；进一步的，使用有机溶剂对第一板材和第二板材进行擦拭，尤其是待焊接部位；可以有效清除金属表面残留的油污。其中，有机溶剂优选丙酮或无水乙醇，这两种物质的溶解性和渗透性较强，具有优秀的清洁效果。
进一步地，脉冲激光清洗的工艺参数为：脉冲激光功率50-500W，和/或脉冲频率10-50kHz，和/或扫描速度1-5m/s，和/或扫描次数1-5次，和/或脉冲宽度为10-500ns，和/或激光功率密度105-106W/cm2。
在本实施方式中，采用激光脉冲的方式，使用冲击波将金属表面的污染物变成碎片并且将碎片去除，实现表面处理的目的；为了避免破坏金属表面的组织，本实施方式对于各项工艺参数进行限定，在保证效果清理效果的前提下，也保护了金属的结构。
进一步地，对第三面进行毛化处理包括：在保护气氛或真空环境下，采用激光毛化或者电子束毛化技术对第三面进行毛化处理，形成毛化点阵。
在本实施方式中，毛化处理需要在保护气氛或者真空环境下进行，防止金属氧化，一般来说，保护气氛选用惰性气体，例如氩气。毛化处理的目的在于使得毛化后的金属表面形成的凸台、凹坑等密度可控、有序；在本实施例中，使用高能束毛化可以提高界面的润湿性能，具体的，当采用激光毛化的技术时，各项工艺参数优选为：脉冲激光功率30-200W，脉冲宽度0.5-105μs，扫描速度为2-6m/s，激光功率密度105-106W/cm2；当采用电子毛化技术时，各项工艺参数优选为：加速电压50-150kV，电子束电流100-1000mA，扫描频率100-1000Hz，工作距离2-50mm，焦斑大小0.1-0.5mm。
进一步地，毛化点阵中，任意相邻的两点间距为0.1-1mm；和/或毛化点阵为平行网格式、空位网格式、平行间隔式中的任意一种。
在本实施方式中，毛化点阵的具体形貌参见图1-图3；其中，图1为平行网格式毛化点阵，图2为空位网格式毛化点阵，图3为平行间隔式毛化点阵。
进一步地，中间金属为放置在第一面和第三面之间的铜箔；或中间金属为电镀至第三面的镀铜层。
在本实施方式中，为了有效降低铝/钢界面的脆性相Fe3Al的形成，引入了金属铜，具体可以是在待焊接的第一面和第三面之间放置铜箔，也可以是在毛化处理后的第三面电镀一层铜。
进一步地，铜箔的厚度为50-200μm；和/或镀铜层的厚度为20-100μm。
在本实施方式中，为了准晶相的生成，铜箔和镀铜层不宜太厚，因此本实施方式优选铜箔厚度为50-200μm；镀铜层的厚度为20-100μm。
进一步地，超声激光焊接的工艺参数为：超声功率1-5kw；和/或超声频率10-50kHz；和/或激光功率1-5kw；和/或离焦量30-100mm；和/或激光铝侧偏移量0.2-2mm；和/或焊接速度2-50mm/s。
在本实施方式中，焊接过程中采用氩气进行钎焊面和背面双保护，超声激光焊接的工艺方式可以提高铝/钢界面润湿性，同时生成了准晶相，以其弥散强化的特点增强了界面的强度和韧性；在本实施方式中，对于超声激光焊接的各项工艺参数进行限定，保证了准晶相的形成，从而实现上述效果。其中，激光器优选为连续式光纤激光器。
进一步地，焊接处理包括：在第一面和第三面的中间填充钎料；其中，钎料为铜铝钎料或铝铜钎料；和/或钎料的直径为0.8-1.6mm。
在本实施方式中，钎料填充在待焊接的两个接触面之间，本发明部分实施例主要针对铝/钢焊接工艺，因此，在上述实施方式中，钎料优选为铜铝钎料或铝铜钎料，保证材料的纯度，避免引入新的成分而破坏原有的强度和韧性。
本发明还提供一种金属材料，使用上述任一实施方式提供的的焊接方法焊接得到。在本实施例中，该金属材料的焊缝处形成准晶相，因而相较于相关技术中焊接得到的金属材料，具有更好的强度和韧性。
附图说明
图1为本发明部分实施例提供的平行网格式毛化形貌。
图2为本发明部分实施例提供的空位网格式毛化形貌。
图3为本发明部分实施例提供的平行间隔式毛化形貌。
图4为本发明部分实施例提供的金属材料金相图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，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。
在相关技术中，对于铝合金与钢之间的连接通常使用的是焊接方法，然而由于铝合金与钢的自身特性相差较大且互相之间的溶解度较低，会导致铝/钢界面之间的冶金变得非常困难，二者界面间会形成脆性相Fe3Al导致界面润湿性差极易发生脆性断裂，风险较大。
基于上述问题，本发明旨在提供一种能够提高铝/钢界面润湿性使其不易发生脆断且可以提高强度的工艺方法。
本发明提供的一种超声激光焊接方法，包括以下步骤：
S10：获取第一板材和第二板材；
其中，第一板材包括相对的第一面和第二面，第二板材包括相对的第三面和第四面，对第一面和第三面进行表面处理；
S20：对第三面进行毛化处理；
S30：将第一板材和第二板材相对放置，使得第一面和第三面贴合；其中，第一面和第三面中间设有中间金属层；
S40：采用超声激光焊接的方式对第一板材和第二板材进行焊接处理，使得第一板材和第二板材之间生成准晶结构。
在本实施例中，通过超声激光焊接的方式，使得第一板材、第二板材以及中间金属层三种材料形成了准晶结构；准晶是周期晶体的简称，它是一种具有长程准周期性平移序和非晶体学旋转对称性的固态有序相；许多铝基合金系中发现了亚稳准晶相，准晶具有一系列独特的性能，如：高的硬度、高弹性模量、低热膨胀系数等，目前准晶材料的应用主要作为表面改性材料或作为增强相弥散分布于结构材料中。在本实施例中，第一板材为铝合金母材，第二板材为钢板，中间金属层为铜；通过激光焊接的方式，同时使用超声辅助，使得焊缝中形成准晶结构，利用准晶可以作为增强相弥散分布这一特点，有效降低脆性相Fe3Al的形成使焊缝中形成AlCuFe准晶相，从而提高铝/钢界面的强度和韧性，达到解决铝/钢界面润湿性差且易发生脆断这一问题的目的，同时提高其强度。
在本实施例的部分实施方式中，表面处理包括：使用角磨机打磨、砂纸打磨、脉冲激光清洗中的任意一种方法，去除第一面和第三面表面的氧化层。
在本实施方式中，需要先去除金属板材表面的氧化物、油污或其他影响焊接强度的物质；进一步的，使用有机溶剂对第一板材和第二板材进行擦拭，尤其是待焊接部位；可以有效清除金属表面残留的油污。其中，有机溶剂优选丙酮或无水乙醇，这两种物质的溶解性和渗透性较强，具有优秀的清洁效果。
在本实施例的部分实施方式中，脉冲激光清洗的工艺参数为：脉冲激光功率50-500W，和/或脉冲频率10-50kHz，和/或扫描速度1-5m/s，和/或扫描次数1-5次，和/或脉冲宽度为10-500ns，和/或激光功率密度105-106W/cm2。
在本实施方式中，采用激光脉冲的方式，使用冲击波将金属表面的污染物变成碎片并且将碎片去除，实现表面处理的目的；为了避免破坏金属表面的组织，本实施方式对于各项工艺参数进行限定，在保证效果清理效果的前提下，也保护了金属的结构。
在本实施例的部分实施方式中，对第三面进行毛化处理包括：在保护气氛或真空环境下，采用激光毛化或者电子束毛化技术对第三面进行毛化处理，形成毛化点阵。
在本实施方式中，毛化处理需要在保护气氛或者真空环境下进行，防止金属氧化，一般来说，保护气氛选用惰性气体，例如氩气。毛化处理的目的在于使得毛化后的金属表面形成的凸台、凹坑等密度可控、有序；在本实施例中，使用高能束毛化可以提高界面的润湿性能，具体的，当采用激光毛化的技术时，各项工艺参数优选为：脉冲激光功率30-200W，脉冲宽度0.5-105μs，扫描速度为2-6m/s，激光功率密度105-106W/cm2；当采用电子毛化技术时，各项工艺参数优选为：加速电压50-150kV，电子束电流100-1000mA，扫描频率100-1000Hz，工作距离2-50mm，焦斑大小0.1-0.5mm。
在本实施例的部分实施方式中，毛化点阵中，任意相邻的两点间距为0.1-1mm；和/或毛化点阵为平行网格式、空位网格式、平行间隔式中的任意一种。
在本实施方式中，毛化点阵的具体形貌参见图1-图3；其中，图1为平行网格式毛化点阵，图2为空位网格式毛化点阵，图3为平行间隔式毛化点阵。
在本实施例的部分实施方式中，中间金属为放置在第一面和第三面之间的铜箔；或中间金属为电镀至第三面的镀铜层。
在本实施方式中，为了有效降低铝/钢界面的脆性相Fe3Al的形成，引入了金属铜，具体可以是在待焊接的第一面和第三面之间放置铜箔，也可以是在毛化处理后的第三面电镀一层铜。
在本实施例的部分实施方式中，铜箔的厚度为50-200μm；和/或镀铜层的厚度为20-100μm。
在本实施方式中，为了准晶相的生成，铜箔和镀铜层不宜太厚，因此本实施方式优选铜箔厚度为50-200μm；镀铜层的厚度为20-100μm。
在本实施例的部分实施方式中，超声激光焊接的工艺参数为：超声功率1-5kw；和/或超声频率10-50kHz；和/或激光功率1-5kw；和/或离焦量30-100mm；和/或激光铝侧偏移量0.2-2mm；和/或焊接速度2-50mm/s。
在本实施方式中，焊接过程中采用氩气进行钎焊面和背面双保护，超声激光焊接的工艺方式可以提高铝/钢界面润湿性，同时生成了准晶相，以其弥散强化的特点增强了界面的强度和韧性；在本实施方式中，对于超声激光焊接的各项工艺参数进行限定，保证了准晶相的形成，从而实现上述效果。其中，激光器优选为连续式光纤激光器。
在本实施例的部分实施方式中，焊接处理包括：在第一面和第三面的中间填充钎料；其中，钎料为铜铝钎料或铝铜钎料；和/或钎料的直径为0.8-1.6mm。
在本实施方式中，钎料填充在待焊接的两个接触面之间，本发明部分实施例主要针对铝/钢焊接工艺，因此，在上述实施方式中，钎料优选为铜铝钎料或铝铜钎料，保证材料的纯度，避免引入新的成分而破坏原有的强度和韧性。
本发明实施例还提供一种金属材料，使用上述任一实施方式提供的的焊接方法焊接得到。在本实施例中，该金属材料的焊缝处形成准晶相，因而相较于相关技术中焊接得到的金属材料，具有更好的强度和韧性。
实施例1
本实施例提供一种超声激光焊接方法，包括以下步骤：
S10：获取第一板材和第二板材；第一板材包括相对的第一面和第二面，第二板材包括相对的第三面和第四面，采用脉冲激光清洗的方式对第一面和第三面进行表面处理，然后使用丙酮对待焊接的部位进行擦拭；
其中，第一板材选用3mm厚的6063铝合金板，第二板材选用2mm厚的304不锈钢板；清洗6063铝板脉冲激光功率100W，脉冲频率50kHz，扫描速度3m/s，扫描次数2次，脉冲宽度100ns，激光功率密度1.5×105W/cm2；清洗304不锈钢板脉冲激光功率300W，脉冲频率20kHz，扫描速度2m/s，扫描次数3次，脉冲宽度100ns，激光功率密度1.5×105W/cm2。
S20：对第三面进行毛化处理：将不锈钢板放置于氩气保护氛围当中，采用激光毛化技术对其第三面进行处理。
其中，激光毛化技术所使用的激光器参数为：脉冲激光功率为100W，脉冲宽度为100μs，扫描速度为2m/s，毛化形貌采用平行网格式，毛化点间距为0.5mm。
S30：第二板材放置在第一板材的下方，二者搭接，同时使用合适的夹具加紧，使得第一面和第三面贴合；在第一面和第三面中间放置铜箔，铜箔厚度为200±2μm。
S40：在第一板材和第二板材的搭接处填充钎料，保护气体环境下，采用超声激光焊接的方式对第一板材和第二板材进行焊接处理，使得第一板材和第二板材之间生成准晶结构。
其中，超声功率2kW，超声频率20kHz，激光功率2kW，离焦量50mm，激光铝侧偏移量为1mm，焊接速度20mm/s，钎焊面氩气流量20L/min，背面氩气流量10L/min，采用铝铜钎料，焊丝直径1.2mm，送丝速度30mm/s。
采用本实施例提供的技术方案，焊接得到的铝/钢钎焊的焊接接头表面平滑，无裂纹，无气孔等缺陷。对铝/钢界面的微观组织进行观察和检测，发现铝/钢焊缝中形成了网状断续分布的AlCuFe准晶，对钎焊接头进行拉伸测试，接头的抗拉强度可达到铝合金母材强度的75％以上，抗剪强度达到铝合金母材强度的60％以上。
实施例2
本实施例提供一种超声激光焊接方法，包括以下步骤：
S10：获取第一板材和第二板材；第一板材包括相对的第一面和第二面，第二板材包括相对的第三面和第四面，采用脉冲激光清洗的方式对第一面和第三面进行表面处理，然后使用无水乙醇对待焊接的部位进行擦拭；
其中，第一板材选用3mm厚的6063铝合金板，第二板材选用2mm厚的304不锈钢板；清洗6063铝板脉冲激光功率100W，脉冲频率50kHz，扫描速度3m/s，扫描次数2次，脉冲宽度100ns，激光功率密度1.5×105W/cm2；清洗304不锈钢板脉冲激光功率300W，脉冲频率20kHz，扫描速度2m/s，扫描次数3次，脉冲宽度100ns，激光功率密度1.5×105W/cm2。
S20：对第三面进行毛化处理：将不锈钢板放置于氩气保护氛围当中，采用电子束毛化技术对其第三面进行处理。
其中，电子束毛化技术所使用的激光器参数为：加速电压100kV，电子束流200mA，扫描频率1000Hz，工作距离20mm，焦斑大小0.2mm。毛化形貌采用平行空位式，毛化点间距为0.7mm。
S30：对毛化后的第二板材的第三面进行镀铜处理，镀铜层厚度为20±1μm。然后将镀铜后的第二板材放置在第一板材的下方，二者搭接，同时使用合适的夹具加紧，使得第一面和第三面贴合。
S40：在第一板材和第二板材的搭接处填充钎料，保护气体环境下，采用超声激光焊接的方式对第一板材和第二板材进行焊接处理，使得第一板材和第二板材之间生成准晶结构。
其中，超声功率2kW，超声频率20kHz，激光功率3kW，离焦量100mm，激光铝侧偏移量为0.3mm，焊接速度15mm/s，钎焊面氩气流量15L/min，背面氩气流量10L/min，采用铜铝钎料，焊丝直径1.0mm，送丝速度20mm/s。
采用本实施例提供的技术方案，焊接得到的铝/钢钎焊的焊接接头表面平滑，无裂纹，无气孔等缺陷。对铝/钢界面的微观组织进行观察和检测，发现铝/钢焊缝中形成了网状断续分布的AlCuFe准晶，对钎焊接头进行拉伸测试，接头的抗拉强度可达到铝合金母材强度的80％以上，抗剪强度达到母材强度的70％以上。
实施例3
本实施例提供一种金属材料，由实施例1或2的方法制备得到，其铝/钢界面形成了网状断续分布的AlCuFe准晶，准晶相的透射衍射花样参见图4。
实施例5
本实施例提供一种超声激光焊接方法，其步骤参见实施例1，区别在于，超声激光焊接的工艺参数为：超声功率1kw；超声频率10kHz；激光功率1kw；离焦量30mm；激光铝侧偏移量0.2mm；焊接速度2mm/s。
实施例6
本实施例提供一种超声激光焊接方法，其步骤参见实施例2，区别在于，超声激光焊接的工艺参数为：超声功率5kw；超声频率50kHz；激光功率5kw；离焦量100mm；激光铝侧偏移量2mm；焊接速度50mm/s。
实施例7
本实施例提供一种超声激光焊接方法，其步骤参见实施例2，区别在于，超声激光焊接的工艺参数为：超声功率2kw；超声频率30kHz；激光功率3kw；离焦量100mm；激光铝侧偏移量1mm；焊接速度20mm/s。
最后应说明的是：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 (10)
1.一种超声激光焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10：获取第一板材和第二板材；
其中，所述第一板材包括相对的第一面和第二面，所述第二板材包括相对的第三面和第四面，对所述第一面和所述第三面进行表面处理；
S20：对所述第三面进行毛化处理；
S30：将所述第一板材和所述第二板材相对放置，使得所述第一面和所述第三面贴合；其中，所述第一面和所述第三面中间设有中间金属层；
S40：采用超声激光焊接的方式对所述第一板材和所述第二板材进行焊接处理，使得所述第一板材和所述第二板材之间生成准晶结构。
2.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述表面处理包括：
使用角磨机打磨、砂纸打磨、脉冲激光清洗中的任意一种方法，去除所述第一面和所述第三面表面的氧化层。
3.根据权利要求2所述的焊接方法，其特征在于，所述脉冲激光清洗的工艺参数为：
脉冲激光功率50-500W，和/或
脉冲频率10-50kHz，和/或
扫描速度1-5m/s，和/或
扫描次数1-5次，和/或
脉冲宽度为10-500ns，和/或
激光功率密度105-106W/cm2。
4.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述对所述第三面进行毛化处理包括：
在保护气氛或真空环境下，采用激光毛化或者电子束毛化技术对第三面进行毛化处理，形成毛化点阵。
5.根据权利要求4所述的焊接方法，其特征在于，
所述毛化点阵中，任意相邻的两点间距为0.1-1mm；和/或
所述毛化点阵为平行网格式、空位网格式、平行间隔式中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，
所述中间金属为放置在所述第一面和所述第三面之间的铜箔；或
所述中间金属为电镀至所述第三面的镀铜层。
7.根据权利要求6所述的焊接方法，其特征在于，
所述铜箔的厚度为50-200μm；和/或
所述镀铜层的厚度为20-100μm。
8.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述超声激光焊接的工艺参数为：
超声功率1-5kw；和/或
超声频率10-50kHz；和/或
激光功率1-5kw；和/或
离焦量30-100mm；和/或
激光铝侧偏移量0.2-2mm；和/或
焊接速度2-50mm/s。
9.根据权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述焊接处理包括：
在所述第一面和所述第三面的中间填充钎料；
其中，所述钎料为铜铝钎料或铝铜钎料；和/或
所述钎料的直径为0.8-1.6mm。
10.一种金属材料，其特征在于，使用如权利要求1-9任一项所述的焊接方法焊接得到。
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