CN114951997B - 一种基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法 - Google Patents

一种基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，它包括如下步骤：(1)对等厚度的待焊接铝板和钢板的端面及其内外壁两侧进行深度清理；(2)将等厚度的Co箔片、Cr箔片和Ni箔片顺次并排置于待焊接的铝板和钢板之间作为填充中间层金属；(3)调整激光束的位置，设置光束能量；(4)调节超声波发生器的超声波发生频率，在高频振动下促进熔融金属的充分混合并形成均匀的AlXCoCrFeNi高熵合金中间层；(5)设定焊接工艺参数。该方法可形成均匀的AlXCoCrFeNi高熵合金中间层，并可提高界面的结合强度，提升接头的力学性能。

Description

一种基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光 焊接方法
技术领域
本发明涉及一种基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，属于异种金属激光加工技术领域。
背景技术
异种金属焊接可以更大限度地发挥彼此的性能优势，在能源、航空航天及交通等领域获得广泛的应用，例如汽车车身复合结构与核反应等。由于异种金属在熔点、线膨胀系数、热导率及比热容等性能方面存在较大的差异，容易导致焊接接头处形成裂纹、气孔等缺陷。此外，较多的研究发现，利用焊接技术连接钢/铝异种金属复合结构的主要技术瓶颈之一是焊接界面处脆性金属间化合物的形成，它的存在将会严重降低异质焊接接头的强度和韧性。
长期以来研究学者们为了改善金属间脆性化合物给异种金属焊接带来的问题，他们提出的解决方案有调整焊接工艺参数、改变熔/钎焊填充材料的成分和添加中间层材料。其中，添加中间层材料的目的是防止Fe、Al两种元素的互扩散。目前使用的中间层材料主要为纯金属，如铜、镍和锌等，它们的添加方式包括机械包覆、镀层及薄片等。然而，截止至目前的研究表明，添加中间层材料虽然可以实现钢板与铝板的直接隔离，但是无法避免添加金属元素与Fe或Al元素形成脆性化合物，如CuAl2、Al3Ni及FeZn10等。因此，亟待寻求一种改善钢/铝异种金属焊接界面组织的焊接方法。高熵合金为等原子比或近等原子比的五种及以上的多组元合金。该合金具有热力学上的高熵效应、动力学上迟滞扩散效应、结构上的晶格畸变效应及性能上的鸡尾酒效应。其中，高熵效应会使其凝固组织易于得到简单的无序固溶体；迟滞扩散效应会利用其合金化学成分的复杂性和晶格畸变的严重性，使得原子在合金内部的扩散变得较为困难。因此，高熵合金的这两个效应将有利于防止钢/铝异种金属焊接过程中界面处生成脆性金属间化合物。
目前将高熵合金作为中间层激光焊接铝/钢异种金属对接接头的研究相对较少。在申请公布号为CN113500293A、申请公布日为2021.10.15的发明专利申请中公开了一种基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法，该焊接方法虽然减少了Fe-Al金属间脆性化合物的生成，但该方法选用Al/Fe基高熵合金金属片作为中间层材料，不仅增加了铝/钢异种金属连接的成本，而且高熵合金金属片中的Al/Fe元素大大增加了脆性金属间化合物的生成几率。
发明内容
本发明要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，该焊接方法将光纤激光器作为焊接热源，并把激光器发出的激光整形为矩形光斑，并通过添加Co、Cr、Ni三种箔片作为中间层材料，调节激光束辐照位置控制焊接热输入，进而调控钢与铝的熔化比，并在高频振动下促进熔融金属的充分混合，最终形成均匀的AlXCoCrFeNi高熵合金中间层，同时，利用高熵合金兼具的高熵效应和迟滞扩散效应遏制钢/铝异种金属焊接接头脆性金属间化合物形成，提高界面的结合强度，进而提升接头的力学性能。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，它包括如下步骤：
(1)对等厚度的待焊接铝板和钢板进行深度清理；
(2)将等厚度的Co箔片、Cr箔片和Ni箔片顺次并排置于待焊接的铝板和钢板之间作为填充中间层金属，并用焊接夹具进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；
(3)调整激光束的位置，设置光束能量：激光器作为焊接热源，将激光器发出的激光整形为矩形光斑，通过调节激光器的激光束辐照位置控制钢与铝的熔化比X；
(4)调节超声波发生器的超声波发生频率，在高频振动下促进熔融金属的充分混合并形成均匀的AlXCoCrFeNi高熵合金中间层；
(5)设定焊接工艺参数，焊接工艺参数一旦确定，在焊接过程中均保持不变：激光器的功率为2～4kW；离焦量为-10～+10mm；焊接速度为2～5m/min；超声波的发生频率为20～40KHz；采用50％氩气与50％二氧化碳混合保护气体进行焊接保护，纯度均为99.99％，气体流量为15～18L/min。
优选的，所述熔化比X＝4d2，其中，d2为激光束辐照于铝板的宽度，所述熔化比X的取值范围为0.2≤X≤0.5。
优选的，所述对接接头的背面设置有背部保护气体导入槽，所述超声波发生器与背部保护气体导入槽内的保护气体接触，将超声波的高频振动通过待焊接铝板和钢板作用于熔池，同时通过背部保护气体导入槽内输入的氩气和二氧化碳气体将超声波的高频振动作用于熔池，促进熔融金属的充分混合并形成均匀的AlxCoCrFeNi高熵合金中间层。
优选的，所述Co箔片、Cr箔片和Ni箔片的厚度d4分别为0.2～1mm，且d4＝d3，其中，d3为激光束辐照于钢板的宽度。
优选的，所述矩形光斑的宽度d1＝d2+3d4+d3，其中，d3＝2d2，所述矩形光斑的宽度d1为0.8～4.5mm，所述矩形光斑的长度L1为1～5mm。
优选的，所述保护气体分为正面保护气体和背面保护气体，其中，正面保护气体采用侧吹、沿焊道吹送的方式对焊接熔池进行保护；侧吹保护气体的导入是在激光器的侧面固定随激光器同步移动的气管输送保护气体，在焊接夹具上设有沿焊道正面和背面同时吹送保护气体的通道。
优选的，所述激光器为光纤激光器，所述激光器的功率为3kW，所述离焦量为+5mm，焊接速度为2.5m/min，所述超声波的发生频率为25KHz，所述气体流量为16L/min。
优选的，所述步骤(1)中对等厚度的待焊接铝板和钢板的端面及其内外壁两侧进行深度清理的方法为：分别逐级采用600～2000目的砂纸对铝板和钢板的端面及其内外壁两侧进行打磨，对打磨完成后的铝板先碱洗60s后酸洗120s，并用酒精清洗300s；对打磨完成后的钢板用丙酮进行擦拭；最后将清洗后的铝板和钢板置于真空干燥箱内保存。
优选的，所述铝板和钢板的厚度d为1.5～4mm。
优选的，所述矩形光斑的宽度d1为0.9mm，所述矩形光斑的长度L1为1.5mm，所述铝板和钢板的厚度d为2mm，所述激光束辐照于铝板的宽度d2为0.1mm，所述激光束辐照于钢板的宽度d3为0.2mm。
本发明的有益效果：该基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法中，将激光器作为焊接热源；并把激光器发出的激光整形为矩形光斑；并通过添加Co、Cr、Ni三种箔片作为中间层材料，调节激光器的激光束辐照位置控制焊接热输入，进而调控钢与铝的熔化比，并在高频振动下促进熔融金属的充分混合，最终形成均匀的AlXCoCrFeNi高熵合金中间层。同时，利用高熵合金兼具的高熵效应和迟滞扩散效应遏制钢/铝异种金属焊接接头脆性金属间化合物形成，提高界面的结合强度，进而提升接头的力学性能。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的焊接立体示意图。
图2为本发明具体实施方式的焊接主视示意图。
图3为本发明具体实施方式的焊接俯视示意图。
图4为本发明具体实施方式的焊接左视示意图。
图中，1-铝板，2-钢板，3-垫板，4-垫板，5-高熵合金中间层，6-铝板熔化区，7-Co箔片，8-Cr箔片，9-Ni箔片，10-钢板熔化区，11-矩形光斑，12-超声波发生器，13-焊接方向，14-背部保护气体导入槽，15-沿焊道背面吹送保护气体方向，16-侧吹保护气体方向，17-激光束辐照方向，18-沿焊道正面吹送保护气体的通道，d-铝板和钢板的厚度，d1-矩形光斑的宽度，L1-矩形光斑的长度，d2-激光束辐照于铝板的宽度，d3-激光束辐照于钢板的宽度，d4-Co箔片、Cr箔片和Ni箔片的厚度。
具体实施方式
为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。
一种基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，它包括如下步骤：
(1)对等厚度的待焊接铝板和钢板进行深度清理，主要对待焊接铝板和钢板的端面及焊接面及焊接面的相邻侧面进行深度清理，所述铝板和钢板的厚度d为1.5～4mm，优选铝板和钢板的厚度d为2mm，具体的深度清理的方法为：分别逐级采用600～2000目的砂纸对铝板和钢板进行打磨，对打磨完成后的铝板先碱洗60s后酸洗120s，并用酒精清洗300s；对打磨完成后的钢板用丙酮进行擦拭；最后将清洗后的铝板和钢板置于真空干燥箱内保存；
(2)将等厚度的Co箔片、Cr箔片和Ni箔片顺次并排置于待焊接的铝板和钢板之间作为填充中间层金属，所述Co箔片、Cr箔片和Ni箔片的厚度d4分别为0.2～1mm，且d4＝d3，其中，d3为激光束辐照于钢板的宽度，并用焊接夹具进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；
(3)调整激光束的位置，设置光束能量：激光器作为焊接热源，将激光器发出的激光整形为矩形光斑，所述矩形光斑的宽度d1＝d2+3d4+d3，其中，d3＝2d2，d2为激光束辐照于铝板的宽度，所述矩形光斑的宽度d1为0.8～4.5mm，所述矩形光斑的长度L1为1～5mm，优选矩形光斑的宽度d1为0.9mm，优选矩形光斑的长度L1为1.5mm，优选激光束辐照于铝板的宽度d2为0.1mm，优选激光束辐照于钢板的宽度d3为0.2mm。通过调节激光器的激光束辐照位置控制钢与铝的熔化比X，所述熔化比X＝4d2，所述熔化比X的取值范围为0.2≤X≤0.5；
(4)调节超声波发生器的超声波发生频率，在高频振动下促进熔融金属的充分混合并形成均匀的AlXCoCrFeNi高熵合金中间层：对接接头的背面设置有背部保护气体导入槽，所述超声波发生器与背部保护气体导入槽内的保护气体接触，将超声波的高频振动通过待焊接铝板和钢板作用于熔池，同时通过背部保护气体导入槽内输入的氩气和二氧化碳气体将超声波的高频振动作用于熔池，促进熔融金属的充分混合并形成均匀的AlxCoCrFeNi高熵合金中间层；
(5)设定焊接工艺参数，焊接工艺参数一旦确定，在焊接过程中均保持不变：激光器的功率为2～4kW，优选激光器为光纤激光器，激光器的功率为3kW；离焦量为-10～+10mm，优选离焦量为+5mm；焊接速度为2～5m/min，优选焊接速度为2.5m/min；超声波的发生频率为20～40KHz，优选超声波的发生频率为25KHz；采用50％氩气与50％二氧化碳混合保护气体进行焊接保护，纯度均为99.99％，气体流量为15～18L/min，优选气体流量为16L/min。所述保护气体分为正面保护气体和背面保护气体，其中，正面保护气体采用侧吹、沿焊道吹送的方式对焊接熔池进行保护；侧吹保护气体的导入是在激光器的侧面固定随激光器同步移动的气管输送保护气体，在焊接夹具上设有沿焊道正面和背面同时吹送保护气体的通道，其中，焊接夹具上设置有沿焊道正面吹送保护气体的通道18，焊接夹具上沿焊道背面设有的吹送保护气体的通道为图中的背部保护气体导入槽14。
由于高熵合金兼具的高熵效应和迟滞扩散效应使其具有作为异种金属连接接头材料以改善脆性金属间化合物带来问题的巨大潜力。此外，由于高熵合金具有较高的比强度，其可以在抑制焊接接头脆性金属间化合物形成的同时提高界面的结合强度，进而提升铝/钢异种金属和焊接接头的力学性能。该基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法中，将激光器作为焊接热源；并把激光器发出的激光整形为矩形光斑；并通过添加Co、Cr、Ni三种箔片作为中间层材料，调节激光器的激光束辐照位置控制焊接热输入，进而调控钢与铝的熔化比，并在高频振动下促进熔融金属的充分混合，最终形成均匀的AlXCoCrFeNi高熵合金中间层。同时，利用高熵合金兼具的高熵效应和迟滞扩散效应遏制钢/铝异种金属焊接接头脆性金属间化合物形成，提高界面的结合强度，进而提升接头的力学性能。
本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，其特征是：它包括如下步骤：
(1)对等厚度的待焊接铝板和钢板进行深度清理；
(2)将等厚度的Co箔片、Cr箔片和Ni箔片顺次并排置于待焊接的铝板和钢板之间作为填充中间层金属，并用焊接夹具进行装夹固定，焊接接头形式为对接接头；所述Co箔片、Cr箔片和Ni箔片的厚度d4分别为0.2～1mm，且d4＝d3，其中，d3为激光束辐照于钢板的宽度；
(3)调整激光束的位置，设置光束能量：激光器作为焊接热源，将激光器发出的激光整形为矩形光斑，通过调节激光器的激光束辐照位置控制钢与铝的熔化比X；所述熔化比X＝4d2，其中，d2为激光束辐照于铝板的宽度，所述熔化比X的取值范围为0.2≤X≤0.5；所述矩形光斑的宽度d1＝d2+3d4+d3，其中，d3＝2d2；
(4)调节超声波发生器的超声波发生频率，在高频振动下促进熔融金属的充分混合并形成均匀的AlXCoCrFeNi高熵合金中间层；
(5)设定焊接工艺参数，焊接工艺参数一旦确定，在焊接过程中均保持不变：激光器的功率为2～4kW；离焦量为-10～+10mm；焊接速度为2～5m/min；超声波的发生频率为20～40KHz；采用50％氩气与50％二氧化碳混合保护气体进行焊接保护，纯度均为99.99％，气体流量为15～18L/min；
所述对接接头的背面设置有背部保护气体导入槽，所述超声波发生器与背部保护气体导入槽内的保护气体接触，将超声波的高频振动通过待焊接铝板和钢板作用于熔池，同时通过背部保护气体导入槽内输入的氩气和二氧化碳气体将超声波的高频振动作用于熔池，促进熔融金属的充分混合并形成均匀的AlxCoCrFeNi高熵合金中间层。
2.根据权利要求1所述的基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，其特征是：所述矩形光斑的宽度d1为0.8～4.5mm，所述矩形光斑的长度L1为1～5mm。
3.根据权利要求2所述的基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，其特征是：所述保护气体分为正面保护气体和背面保护气体，其中，正面保护气体采用侧吹、沿焊道吹送的方式对焊接熔池进行保护；侧吹保护气体的导入是在激光器的侧面固定随激光器同步移动的气管输送保护气体，在焊接夹具上设有沿焊道正面和背面同时吹送保护气体的通道。
4.根据权利要求3所述的基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，其特征是：所述激光器为光纤激光器，所述激光器的功率为3kW，所述离焦量为+5mm，焊接速度为2.5m/min，所述超声波的发生频率为25KHz，所述气体流量为16L/min。
5.根据权利要求4所述的基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，其特征是：所述步骤(1)中对等厚度的待焊接铝板和钢板的端面及其内外壁两侧进行深度清理的方法为：分别逐级采用600～2000目的砂纸对铝板和钢板的端面及其内外壁两侧进行打磨，对打磨完成后的铝板先碱洗60s后酸洗120s，并用酒精清洗300s；对打磨完成后的钢板用丙酮进行擦拭；最后将清洗后的铝板和钢板置于真空干燥箱内保存。
6.根据权利要求5所述的基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，其特征是：所述铝板和钢板的厚度d为1.5～4mm。
7.根据权利要求6所述的基于原位合成AlXCoCrFeNi高熵合金中间层的铝/钢激光焊接方法，其特征是：所述矩形光斑的宽度d1为0.9mm，所述矩形光斑的长度L1为1.5mm，所述铝板和钢板的厚度d为2mm，所述激光束辐照于铝板的宽度d2为0.1mm，所述激光束辐照于钢板的宽度d3为0.2mm。
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