CN114632987A - 一种用于铝钢异质金属的低热输入激光钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于焊接方法的技术领域，公开了一种用于铝钢异质金属的低热输入激光钎焊方法，其特征在于：先在钢质工件的表面沿焊接路径间隔设置有多个微凹槽织构，所述微凹槽织构的长度方向与焊接路径的延伸方向垂直，再将铝质工件搭接在钢质工件上进行激光钎焊。通过在钢质工件表面的焊接区域加工出微凹槽织构形貌，再和铝质工件一起进行激光钎焊，能够在降低热输入保证脆性化合物无法大量形成的同时提高接头润湿性与铺展性、提高接头强度、降低气孔发生率和裂纹敏感性，从而获得优质连接的接头。
Description
技术领域
本发明属于焊接方法的技术领域，涉及一种用于铝钢异质金属的低热输入激光钎焊方法。
背景技术
目前，在航空航天、汽车、轮船等行业中铝/钢复合结构已得到了广泛应用，铝钢异种金属的复合结构除了具有两种金属的优点还具有其他优点，能够通过降低重量来提高燃油效率、延续航程、控制污染。然而，铝/钢之间的焊接，一直是焊接领域的难点和热点问题。就铝及其铝合金而言，因为铝在空气中很容易氧化，且焊接时容易产生气孔，降低其接头性能，导致其本身焊接难度就大，而异种金属之间的焊接通常要考虑的问题更多。铝/钢由于两者的固溶度相对较低，热物理性能差异大，连接较为困难，往往需要较大的热输入才能进行结合，但热输入过大也会导致促进界面硬脆金属间化合物的大量形成和生长，降低其接头的抗拉强度，使接头脆性断裂倾向大，极大地影响了铝/钢轻质构件的工业应用，因此实现铝/钢之间优质的结合是业界研究的热点。
熔钎焊是近年来发展的一种新的连接方法，即低熔点金属和填充材料熔化形成熔焊接头，并铺展在高熔点金属侧形成钎焊接头。激光熔钎焊具有能量密度高、焊接速度快、适应性强、焊缝成形良好等优点，因而引起了国内外学者的广泛关注。然而铝/钢激光熔钎焊过程中仍然存在很多问题：一方面，熔钎焊低热输入有利于金属间化合物的控制，但不利于钎料的润湿铺展性能，焊缝成形性较差；另一方面，高热输入提高了铺展性和焊缝成形性，但不利于接头界面金属间化合物的控制。因此，亟需提供一种在低热输入条件下实现优质焊缝的熔钎焊方法。
发明内容
本发明提供了一种用于铝钢异质金属的低热输入激光钎焊方法，通过在钢质工件表面的焊接区域加工出微凹槽织构形貌，再和铝质工件一起进行激光钎焊，能够在降低热输入保证脆性化合物无法大量形成的同时提高接头润湿性与铺展性、提高接头强度、降低气孔发生率和裂纹敏感性，从而获得优质连接的接头。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种用于铝钢异质金属的低热输入激光钎焊方法，先在钢质工件的表面沿焊接路径间隔设置有多个微凹槽织构，所述微凹槽织构的长度方向与焊接路径的延伸方向垂直，再将铝质工件搭接在钢质工件上进行激光钎焊。
进一步，所述微凹槽织构的外形呈长条形状，它们均匀间隔排列，部分的微凹槽织构被铝质工件覆盖，部分的微凹槽织构裸露在外。
进一步，所述微凹槽织构采用超快激光加工技术得到，外形呈长腰孔状，其深度设置为40-60μm，宽度设置为90-110μm，长度设置为24-26mm，间距设置为140-160μm，小于一半体积的微凹槽织构被铝质工件覆盖。
进一步，加工时，所述超快激光的功率设置为0.9～1.5W，扫描速率设置为1m/s，重复次数设置为1～20，脉冲能量设置为2.1～3.8μJ，能量密度设置为0.12～0.23J/cm2。
进一步，包括以下步骤：。
步骤一、对钢质工件进行清洁处理，然后将其固定在工作台上，采用超快激光加工技术在钢质工件的待加工部位进行扫描加工处理，形成多个微凹槽织构；
步骤二、对铝质工件进行清洁处理，再采用铝上钢下搭接结构，将处理后的铝质工件紧贴钢质工件的加工部位放置，搭接长度设置为10～15mm；
步骤三、对搭接好的焊件进行激光熔钎焊，将焊接完成后的焊件自然冷却至室温，再置于温水中洗刷，使用吹风机对焊件在冷风下吹干。
进一步，使用不同目数的砂纸对铝质工件的表面进行打磨，再用酒精溶液清洗干燥；清理去除钢质工件的表面杂质、氧化物以及油污，再使用砂纸打磨钢表面，然后用酒精溶液清洗干燥。
本发明有益的技术效果在于：
采用超快激光技术在钢质基材表面进行微凹槽织构加工，改变钢质基材表面形貌以及表面粗糙度，获得的微织构形貌具有促进液态金属润湿铺展的作用，使得后续激光焊接时钎料与基板反应更加充分，进而改善连接界面的微观结构，提高连接性能，使激光熔钎焊接时使用较小的热输入就能获得成型美观，综合性能优异的接头。
采用本发明的方法能够降低焊接过程中的热输入量，避免了铝/钢界面处产生大量的脆性金属间化合物，有效提高了接头的连接强度和力学性能，实现了异种金属之间的优质连接，是一种新的技术思路，极具有应用前景。
附图说明
图1为本发明制备钢表面微槽织构的超快激光加工示意图；
图2为实例中铝合金和钢异质金属激光搭接熔钎焊示意图；
图3(a)为实施例1中，焊接后得到的铝/钢宏观焊缝示意图；
图3(b)为织构化钢表面焊接区域的超景深图片；
图4为实施例1和2的焊接接头示意图，其中，(a)为实施例1中低碳钢板表面加工微槽后的焊接接头示意图，(b)为实施例2中低碳钢板表面未加工的焊接接头示意图；
图5为实施例1、2中，制备得到铝/钢焊接接头反应层界面图片，其中，(a)为实施例1的示意图，(b)为实施例2的示意图；
图6(a)为实施例1、2中，制备得到铝/钢焊接接头试样拉伸尺寸示意图；
图6(b)为接头的拉伸强度测试结果示意图；
其中，1-铝合金板，2-Q235钢，3-垫板，4-Al-Si系焊丝，5-光纤激光器，6-保护气体，7-焊缝，8-工装夹具台。
具体实施方式
下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。
如图1和2所示，本发明提供了一种用于铝钢异质金属的低热输入激光钎焊方法，先在钢质工件的表面沿焊接路径间隔设置有多个微凹槽织构，该微凹槽织构的长度方向与焊接路径的延伸方向垂直，再将铝质工件搭接在钢质工件上进行激光钎焊。
该微凹槽织构的外形呈长条形状，如长腰孔状，可采用超快激光加工技术得到，它们均匀间隔排列，在进行激光熔钎焊接的时候，部分的微凹槽织构被铝质工件覆盖，部分的微凹槽织构裸露在外，如小于一半体积的微凹槽织构被铝质工件覆盖，剩余部分裸露在外。具体如下：
步骤一、对钢质工件进行清洁处理，然后将其固定在工作台上，采用超快激光加工技术在钢质工件的待加工部位进行扫描加工处理，形成多个微凹槽织构；
使用砂纸对钢质工件需要焊接的部位进行打磨后并用酒精擦拭，以去除板材表面的氧化膜和杂质，之后进行干燥处理，然后将钢质工件如低碳钢基板固定在工作台上，将超快激光光束聚焦在基材待加工部位，并对其进行扫描加工处理，形成微织构形貌。
在进行微凹槽织构的加工时，超快激光器包括激光发射器、反射镜、光圈、衰减器、遮板以及扫描振镜，其功率设置为0.9～1.5W，扫描速率设置为1m/s，重复次数设置为1～20，脉冲能量设置为2.1～3.8μJ，能量密度设置为0.12～0.23J/cm2，加工得到的微凹槽织构的深度设置为40-60μm，宽度设置为90-110μm，长度设置为24-26mm，间距设置为140-160μm。
步骤二、对铝质工件进行清洁处理，再采用铝上钢下搭接结构，将处理后的铝质工件紧贴钢质工件的加工部位放置，搭接长度设置为10～15mm。
可使用砂纸对铝质工件需要焊接的部位进行打磨后并用酒精擦拭，以去除板材表面的氧化膜和杂质，之后进行干燥处理。
采用搭接的方式将铝质工件如铝合金板置于加工后的钢质工件如低碳钢板上，钢板和铝板重叠部分的宽度为10～15mm，加入Al-Si钎料，在保护气体环境下进行激光熔钎焊。
激光焊接的光源为YLS-5000光纤固体激光器，波长为1070nm，最大输出功率为5000W，焦距为310mm，焦点处光斑直径为0.6mm。
低碳钢板表面加工部位朝上并与铝合金紧密接触，以铝上钢下搭接结构放置在夹紧系统中，搭接长度为10～15mm，同时在铝合金底部放置垫板。
该钎料采用Al-Si系合金焊丝，焊丝由质量百分比的以下成分组成：Si 4.5％-6.0％，Fe 0.8％，Cu 0.3％，其它元素0.4％，余量为Al，该Al-Si合金焊丝直径为1.2～1.6mm，焊丝干伸长为10mm，送丝速度为1.8～2.2m/min。
采用的保护气体为Ar、N2或两者混合气体，气体流量大小为15～25L/min。
该铝钢激光熔钎焊工艺参数范围为：激光功率为1.5～3.0kW，焊接速度为0.3～0.5m/min，离焦量为+20～+40mm，光斑偏移量为0.5～1.5mm。
步骤三、对搭接好的焊件进行激光熔钎焊，将焊接完成后的焊件自然冷却至室温，再置于温水中洗刷，使用吹风机对焊件在冷风下吹干。具体如下：
激光熔钎焊后，自然冷却至室温，再置于温水中洗刷，其温水的温度为45℃～55℃，自然冷却至室温，可降低焊接裂纹风险；温水中洗刷，以去除铝/钢焊件表面药皮残渣；使用吹风机对接头在冷风下吹干。
为了验证本发明的焊接方法的可行性，我们进行了如下实验：
实施例1
步骤S1.焊材和钎料的选取：
低碳钢(Q235)，尺寸150mm×100mm，厚度1.5mm。
铝合金(5052)，尺寸150mm×100mm，厚度2.0mm。
所述钎料采用Al-Si系合金焊丝，焊丝直径为1.2～1.6mm，其成分质量百分比为：Si 4.5％-6.0％，Fe 0.8％，Cu 0.3％，其它元素0.4％，余量为Al。其它元素为符合标准的Al-Si系合金焊丝中所允许出现的其它成分，对主要成分Al和Si的焊接反应无影响。
步骤S2.焊前准备：
ⅰ.将剪板机切割后的铝合金和钢试样用角磨机去除表面毛刺。
ⅱ.将低碳钢基板固定在工作台上，将超快激光光束聚焦在基材待加工部位，并对其进行扫描加工处理，获得平均深度为50μm，宽度为100μm且平均间距为150μm的表面微槽织构形貌，如图3(b)所示。其中，超快激光器包括激光发射器、反射镜、光圈、衰减器、遮板及扫描振镜，激光发射器用于发射激光，反射镜用于调整激光光路，激光光路依次通过光圈、衰减器、遮板及扫描振镜照射到待加工部位上，加工过程示意图如图1所示。超快激光器的激光功率为1.14w，扫描速率为1m/s，重复次数为1，脉冲能量为3.8μJ，能量密度0.19J/cm2，在加工时激光束为平行线，设定平行线间距为150μm。
ⅲ.对铝合金试样表面将要进行焊接的一侧先后用400#粗砂纸和1500#细砂纸打磨至锃亮，去除其表面氧化膜等杂质，然后用沾酒精的脱脂棉球对其表面进行擦拭。同时，也对加工后的低碳钢表面反复擦拭清洗，再将铝合金和低碳钢放入酒精中进行超声清洗3-5分钟，去除表面油污、颗粒等杂质，最后用电吹风冷风吹干保持干燥。
ⅳ.如图2所示，采用铝上钢下的搭接方式将铝合金板1和低碳钢板2放置在激光加工工作台8上，钢板和铝板重叠部分的宽度为10～15mm。为使铝合金放置稳固，在铝合金板的底部放置一块垫板3。
ⅴ.确认搭接长度、两试样紧密贴合程度后，用专用的焊接夹具夹紧。
步骤S3.施焊：
ⅰ.调节激光器5引导激光位于铝合金和钢板的焊接区域上方，激光束与焊接母材入射夹角为90°，所述激光光斑的1/4照射于铝合金表面，激光光斑的3/4照射于钢板表面。所述送丝机构与激光器固定，按如图2所示放置，与激光束一齐行进，钎料采用Al-Si系合金焊丝(2-4)，Al-Si合金焊丝直径为1.2～1.6mm，焊丝干伸长为10mm，送丝速度为1.8～2.2m/min。
采用如图2所示装置对焊接区域送入保护气体6，所述焊接保护气为氩气(Ar)，送气方向与焊接区域的水平面形成的角度为45°，气体流量为15～25L/min。
ⅱ.焊接时，激光光束沿着图2所示的焊接方向实施焊接，所述焊接激光工艺参数为：激光功率为1.5～3.0kW，焊接速度为0.3～0.5m/min，离焦量为+20～+40mm，光斑偏移量为0.5～1.5mm。
ⅲ.焊后继续用氩气保护1～2分钟，待接头冷却后拆除夹具，清洁、干燥，如图3(a)所示的焊接试样。
步骤S4.焊后处理：
激光焊接完成后，将铝/钢焊件静置冷却至室温，可降低开裂风险；随后，将冷却至室温的焊件置于50℃温水中洗刷，去除焊接表面的药皮残渣；使用吹风机对焊件在冷风氛围下吹干，防止生锈。
步骤S5.焊后观察与性能检测：
1.在垂直焊缝7上截取大小为10mm×18mm的矩形制备金相试样，用180#、400#、600#、800#、1000#、1500#、2000#进行逐级打磨后抛光，在金相显微镜下观察焊缝，如图4、5所示。当焊接功率为2.5kW时，接头焊缝润湿角为64.8°，钎焊宽度为5.21mm，界面金属间化合物层厚度约为2.44～5.57μm，可以看到界面层生成了两种不同的金属间化合物相，分别是靠近钢侧的平滑层状相，以及靠近熔合区侧的锯齿状相。在焊缝中未曾观察到裂纹、气孔等缺陷，具有良好的结合。
2.按如图6(a)截取标准拉伸试样，用万能拉伸试验机测试铝/钢熔钎焊接头的抗拉强度。在本实施例中，当焊接功率为2.5kW时，所得到的铝/钢熔钎焊接头平均强度约为2413.0±60.70N。
实施例2
步骤S1.焊材和钎料的选取：
与实施例1相同。
步骤S2.焊前准备：
焊前表面清理与实施例1相同，与实施例1的不同之处在于，不对低碳钢进行超快激光表面织构化加工，使用原始钢板与铝合金进行搭接，搭接方法与实施例1相同。
步骤S3.施焊：
施焊方法同实施例1相同。
步骤S4.焊后处理：
焊后处理方法与实施例1相同。
步骤S5.焊后观察与性能检测：
采用与实施例1相同的方式制备金相试样，逐级打磨抛光后，在金相显微镜下观察焊缝，如图4、5所示。当焊接功率为2.5kW时，接头焊缝润湿角为71.5°，钎焊宽度为4.92mm，对比铝/加工微槽钢接头而言，钎料在钢表面的润湿性能下降。界面金属间化合物层厚度约为2.75～5.82μm，与实施例1相差不大。用万能拉伸试验机测试铝/钢熔钎焊接头的抗拉强度，如图6(b)所示，当焊接功率为2.5kW时，所得到的未进行表面微织构加工处理的钢/铝熔钎焊接头强度为2046.5±42.65N，明显小于铝/加工微槽钢接头的接头强度。
综上，采用本发明工艺对铝合金和低碳钢激光熔钎焊，经对焊缝形貌、焊缝截面观察；测量润湿角、钎缝宽度、金属界面层厚度等；进行拉伸试验、显微硬度测试力学性能测试；以及对金相组织进行检测分析。结果表明：两种焊缝搭接接头成形美观，润湿性好，无气孔、裂纹及其他缺陷，但对比铝/未加工微槽钢的接头，铝/加工微槽钢接头的润湿铺展性能更好。并且通过力学性能测试可知，铝/加工微槽钢接头的抗拉强度要更高，由于热输入较低，形成的界面金属间化合物的厚度较薄，提高了接头的力学性能。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。
Claims (6)
1.一种用于铝钢异质金属的低热输入激光钎焊方法，其特征在于：先在钢质工件的表面沿焊接路径间隔设置有多个微凹槽织构，所述微凹槽织构的长度方向与焊接路径的延伸方向垂直，再将铝质工件搭接在钢质工件上进行激光钎焊。
2.根据权利要求1所述的用于铝钢异质金属的低热输入激光钎焊方法，其特征在于：所述微凹槽织构的外形呈长条形状，它们均匀间隔排列，部分的微凹槽织构被铝质工件覆盖，部分的微凹槽织构裸露在外。
3.根据权利要求2所述的用于铝钢异质金属的低热输入激光钎焊方法，其特征在于：所述微凹槽织构采用超快激光加工技术得到，外形呈长腰孔状，其深度设置为40-60μm，宽度设置为90-110μm，长度设置为24-26mm，间距设置为140-160μm，小于一半体积的微凹槽织构被铝质工件覆盖。
4.根据权利要求3所述的铝钢异质金属电弧焊接焊缝成形的控制方法，其特征在于：加工时，所述超快激光的功率设置为0.9～1.5W，扫描速率设置为1m/s，重复次数设置为1～20，脉冲能量设置为2.1～3.8μJ，能量密度设置为0.12～0.23J/cm2。
5.根据权利要求3所述的铝钢异质金属电弧焊接焊缝成形的控制方法，其特征在于包括以下步骤：。
步骤一、对钢质工件进行清洁处理，然后将其固定在工作台上，采用超快激光加工技术在钢质工件的待加工部位进行扫描加工处理，形成多个微凹槽织构；
步骤二、对铝质工件进行清洁处理，再采用铝上钢下搭接结构，将处理后的铝质工件紧贴钢质工件的加工部位放置，搭接长度设置为10～15mm；
步骤三、对搭接好的焊件进行激光熔钎焊，将焊接完成后的焊件自然冷却至室温，再置于温水中洗刷，使用吹风机对焊件在冷风下吹干。
6.根据权利要求5所述的铝钢异质金属电弧焊接焊缝成形的控制方法，其特征在于：使用不同目数的砂纸对铝质工件的表面进行打磨，再用酒精溶液清洗干燥；清理去除钢质工件的表面杂质、氧化物以及油污，再使用砂纸打磨钢表面，然后用酒精溶液清洗干燥。
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