CN116441656A - 铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种铝合金连续‑短脉冲双束激光填丝钎焊方法，包括：步骤S1，将第一组件和第二组件接触形成接合处，接合处存在容纳填充材料的空间；步骤S2，将填充材料连续送入接合处；步骤S3，使用第一束激光辐照填充材料的外表面，同时，第二束激光振荡扫描辐照填充材料、接合处二者的待焊区域的表面，熔化的填充材料填充至接合处形成钎焊缝。本发明通过采用第一束连续激光作为主加热热源，与此同时，采用第二束高功率纳秒脉冲激光对填充材料背部及待填充母材表面进行氧化膜清理与预热，通过双束激光的能量匹配、加热位置匹配来进行温度场调控，在两束激光的共同作用下，获得填充材料的稳定熔化和润湿铺展，实现铝合金局部加热钎焊高适应性、低热输入的焊接效果。

Description

铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法

技术领域

本发明涉及焊接技术领域，具体地，涉及一种铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法。

背景技术

铝合金具有比强度高、耐腐蚀性好等优势，在航空航天、汽车、船舶等领域具有广泛的应用。如在新能源汽车领域，基于轻量化需求，汽车白车身的铝合金使用将逐渐增加；在船舶领域，舰船轻量化也对铝合金使用需求迫切；在航空航天领域，则大量存在以铝合金为主要材料的轻质高强复杂结构。这些关键装备的进一步轻量化制造、高效低变形制造需求，为铝合金的应用带来了新的发展契机和制造技术的挑战。

虽然铝合金具有良好的焊接性，传统的电弧熔化焊技术，如TIG、MIG和等离子弧穿孔立焊等工艺，可以获得良好的焊缝成形与接头力学性能。然而，由于铝合金较大的线膨胀系数、热传导能力，使得传统熔化焊接变形大；此外，铝合金表面极易形成吸附水汽的氧化膜，焊接过程的气孔等缺陷控制困难。这些问题限制了电弧焊接在铝合金薄壁构件中的应用。搅拌摩擦焊以较低的连接温度及固相焊接的特征，使得其焊接过程变形小、接头质量优异。然而，搅拌摩擦焊对于接头装配、接头形式具有严格要求，其更多地适用于能够实现零间隙装配的对接、搭接\锁底接头。然而，实际的铝合金薄板零件装配，存在普遍的装配尺寸偏差。如航空航天及船舶领域，存在大量的T-型接头；汽车白车身为了提高装配精度，通常采用卷对接接头。这些装配形式限制了搅拌摩擦焊的应用。因此，人们一直在寻找一种既具有电弧熔化焊接灵活性与适应性，又具有搅拌摩擦焊低热输入、低连接温度的工艺方法。

激光是一种能够精准投送、精密可控的优秀焊接热源，由于其具有高能密度特征、较低的线能量，在铝合金焊接中被广泛关注。然而由于铝合金对激光的反射率过高、氧化膜清理困难，再加上铝合金熔点、沸点较低，熔池粘度较低，使得激光焊接匙孔稳定性不足。这些特点使得气孔、焊缝成形控制是激光焊接铝合金的两个主要困难。随着激光器件的发展，激光摆动焊接在一定程度上解决了铝合金焊接匙孔稳定性控制难题，但仍存在过程控制要求严格，适应性低等问题。对于大尺寸薄壁弱刚性构件，激光焊接依然会带来较大的变形量。

钎焊是一种在低于母材熔点的温度下熔化钎料，实现母材连接的工艺，其较低的连接温度能够实现对薄板焊接变形的有效控制；良好的装配条件适应性特别适合于异型接头形式的连接。典型的如汽车白车身车顶棚与侧围的镀锌板填丝钎焊，解决了传统电阻点焊连接强度与可靠性问题、密封性问题。镀锌板激光填丝钎焊开发之后，首先在德国大众汽车后备箱盖卷边接头实现了应用，然后被迅速应用至车顶棚与侧围的焊接。目前已经在以镀锌钢板为主要材料的白车身制造中获得广泛应用，表现出了极高的焊接适应性、较低的焊接变形、优异的接头力学性能和密封性能等优势。对于铝合金而言，激光填丝钎焊同样具有上述优点，但由于铝合金的材料特点，使得现有的激光填丝钎焊方法面临如下困难：

一是铝合金局部加热钎焊温度精准控制困难：由于铝的熔点(660℃)与硬钎料熔点(如常用的AlSi 12钎料熔点575℃)的温度差距较小，要实现在狭小的温度范围内加热熔化钎料，传统的单激光加热很难控制。

二是铝合金表面氧化膜显著影响钎焊过程的润湿铺展：传统采用钎剂的方式实现对铝合金氧化膜的去除，但钎剂的存在或者对产品具有腐蚀性或者带来额外的清除工作，降低了效率。

综上，现有的激光填丝钎焊技术在铝合金的应用方面面临了进一步提高焊接温度控制精确性与灵活性、提高氧化膜去膜效果与效率等问题。因此，本发明提供了传统加热熔化的激光热源与去膜预热的短脉冲激光相耦合的双束激光填丝钎焊方法，有效解决上述两个方面的问题。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法。

根据本发明提供的一种铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法,包括：

步骤S1，将第一组件和第二组件接触形成接合处，所述接合处处存在容纳填充材料的空间；

步骤S2，将所述填充材料连续送入所述接合处；

步骤S3，使用第一束激光辐照加热焊接区域的所述填充材料的外表面，同时，第二束激光扫描辐照所述填充材料、所述接合处二者的待焊区域的表面，清理氧化膜并预热。熔化的所述填充材料填充至所述接合处形成钎焊缝。

优选地，所述第一束激光采用连续激光，所述第二束激光采用纳秒短脉冲激光。

优选地，所述第一束激光的平均功率是所述第二束激光的平均功率的2-5倍，所述第二束激光的平均功率不低于500W。

优选地，所述第一束激光、所述填充材料以及所述第二束激光三者沿所述接合处的走向依次设置；所述第一束激光与所述第二束激光倾斜辐照所述填充材料的两侧。

优选地，所述第一束激光与所述第二束激光沿所述接合处的走向同步运动，运动速度为0.2-2米/分钟之间。

优选地，所述第一束激光采用散焦方式辐照所述填充材料，所述第二束激光采用振镜面扫描的方式进行扫描辐照。

优选地，所述填充材料包括丝状焊料，所述填充材料包括含有铝、硅、锌、铜及其合金的群组焊料，所述填充材料(1)包括含有钎剂的焊丝。

优选地，所述接合处包括卷对接接头焊接区、T-型接头焊接区、搭接接头焊接区。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、本发明可更精确控制铝合金局部加热硬钎焊温度场：通过采用第一束激光作为主加热热源，以散斑加热或振镜扫描加热获得相对均匀的加热效果，与此同时，采用第二束高功率短脉冲激光对填充材料背部及待填充母材表面进行扫描预热，通过双束激光的能量匹配、加热位置匹配来进行温度场调控，在两束激光的共同作用下，获得填充焊丝的稳定熔化和母材表面薄层温度控制，满足钎焊低焊接温度、低热输入的焊接效果。

2、本发明可改善铝合金钎焊钎料润湿铺展:通过采用短脉冲激光对待焊区域进行扫描清理，通过瞬时高能密度脉冲激光轰击铝合金表面氧化膜，使其在激光脉冲与材料交互作用的热、力驱动下实现氧化膜的烧蚀、破碎，露出纯金属表面；与此同时，在高功率快速扫描脉冲激光持续作用下，待焊金属表面持续形成瞬时的浅表面层高温，甚至到达熔点以上，这将在待焊金属表面构造一薄层有利于钎料润湿铺展的物质、温度状态，实现润湿铺展和钎焊连接。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明主要体现铝合金双束激光填丝钎焊方法用于铝合金卷对接接头的示意图；

图2为本发明主要体现铝合金双束激光填丝钎焊方法用于铝合金T-型接头的示意图；

图3为本发明主要体现卷对接接头焊接后示意图；

图4为本发明主要体现T-型接头焊接后示意图；

图5为本发明主要体现搭接接头焊接后示意图。

图中所示：

填充材料1 第一束激光2 钎焊缝3

第二束激光4 第一组件5 第二组件6

接合处7

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1和2所示，根据本发明提供的一种铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法，包括：

步骤S1，将第一组件5和第二组件6接触形成接合处7，接合处7处存在容纳填充材料1的空间；

步骤S2，将填充材料1连续送入接合处7上；

步骤S3，使用第一束激光2辐照加热焊接区域的填充材料1的外表面，同时，第二束激光4扫描辐照填充材料1、接合处7二者的待焊区域的表面，清理氧化膜并预热待焊金属表面；熔化的填充材料1填充至接合处7形成钎焊缝3。

本申请适用于铝及铝合金等表面氧化膜强烈影响钎料润湿铺展的金属材料局部加热钎焊，特别是需要填充材料的卷对接、搭接、角接接头。本申请目的在于解决局部加热铝合金硬钎焊的温度控制问题、氧化膜去除与钎料润湿铺展等问题，该方法可以通过双光束的能量大小、位置匹配加热焊接区域实现对钎焊过程温度场的准确控制；同时，通过短脉冲激光清理作用实现钎料与铝合金表面氧化膜高效去除以控制钎料润湿铺展。

将第一组件5和第二组件6接触，在其间形成接合处7，接合处7具备容纳一定填充材料1体积的空间。在接合处7处送入填充材料1。第一组件5和第二组件6二者的熔点均高于填充材料1的熔点，填充材料1具备与母材良好的润湿铺展性能。采用第一束激光2加热填充材料1和焊接区域，采用第二束激光4清理接合处7待焊区域及填充材料1的表面氧化膜并预热填充材料与待焊母材表面，填充材料1包括丝状焊料，填充材料1以丝状材料连续送入，熔化并填充接合处7待焊区域，形成钎焊缝3。

第一束激光2为主要焊接热源，作为钎焊的主要能量输入，第二束激光4用于实现钎焊去膜、预热的作用。第一束激光2提供的总功率大于第二束激光束4提供的总功率，即第一束激光2的平均功率输出大于第二束激光4的平均功率。第一束激光2的平均功率是第二束激光4的平均功率的2-5倍。优选地，第一束激光功率在800W至2000W，第二束激光4的平均功率通常不低于500W。

第一束激光2、填充材料1以及第二束激光4三者沿接合处7的走向依次设置；填充材料1远离接合处7的一端倾斜设置，第一束激光2与第二束激光4倾斜辐照填充材料1的两侧。第一束激光2与填充材料1、第二束激光4的相对位置为填充材料1居中，第一束激光2与第二束激光4分布于填充材料1两侧，沿钎缝方向排列，三者与待焊工件平面夹角可调。第一束激光2可以垂直，也可以倾斜入射填充材料1及接合处7。第二束激光4主要作用区域包括填充材料1与接合处7即将贴合的底部表面、接合处7与填充材料1即将贴合的表面。

第一束激光2、第二束激光4以及丝状送入的填充材料1沿接合处7的走向同步运动，运动速度为0.2-2米/分钟之间。优选地，发射激光的激光钎焊头以0.3米/分钟至1.5米/分钟的速度沿接合处移动进行焊接，送丝速度与焊接速度及钎料填充量相匹配。

第一束激光2采用散焦方式辐照填充材料1，主要用于加热熔化填充材料1。第一束激光2可以用散焦的方式扩大加热区域，也可以采用振镜扫描方式获得相对均匀的加热效果。第一束激光2一般采用连续加热方式，加热位置包括填充材料1表面，也可以局部覆盖填充材料1周围母材。

第二束激光4采用振镜面扫描的方式进行扫描辐照，聚焦辐照接合处7材料表面与填充材料1背面。第二束激光4为纳秒短脉冲激光，采用振镜面扫描方式对接合处7母材表面、填充材料1背面区域进行扫描，清除材料表面氧化膜。第二束激光4同时所具有的热效应也将对接合处7进行预热，为温度场控制提供更灵活的控制手段。

本申请可以使用多种填充材料1。填充材料1的选择通常取决于待钎焊的材料及焊后的组件质量要求。本发明通常地，铝基钎料，如铝硅钎料、铝硅铜钎料等，锌基钎料都可用于本发明铝合金双束激光填丝钎焊方法。优选地，具有较低熔点的铝基钎料特别适合作为填充材料1。

特殊的，填充材料1也可以使用钎剂，通常使用药芯焊丝，将钎剂包裹至焊丝内部，与焊丝一起送入焊接区域进行加热，在惰性气氛或惰性与还原性混合气体中进行，以保证被清理的待焊金属表面不会重新氧化，并减少燃烧风险。作为钎焊材料的填充焊丝，包含铝、硅、锌、铜，以及其合金的群组。

本申请提出的铝合金双束激光填丝钎焊方法，其主要思路是在传统激光填丝钎焊的基础上，加入同时具有一定热效应与“非热加工”效应的第二束高功率短脉冲激光，通过双束激光耦合作用实现铝合金的局部加热钎焊连接。第二束短脉冲激光采用不低于500W的纳秒激光，一方面通过短脉冲激光的“冷加工”特性，进行铝合金氧化膜轰击、去除，并构造有利于毛细作用的表面微结构；另一方面，持续的脉冲叠加将在材料浅表面层维持一薄层瞬时高温，促进钎料的填充和润湿铺展。这种传统激光热源与高功率短脉冲激光光源耦合作用，同时利用激光热效应与“冷加工”效应来解决传统铝合金局部加热钎焊带来的问题，可以实现大尺寸铝合金结构的高效、高质量钎焊效果，在汽车白车身、航空航天及船舶领域的卷边接头、角接与T-型接头结构制造中极具应用前景和应用价值。

一般的，第一组件5和第二组件6可以由铝合金材料制成，优选地，为2系铝合金或6系铝合金构成，接合处7可以为卷对接接头焊接区、T-型接头焊接区、搭接接头焊接区。

特殊的，本申请还可以用于第一组件5和第二组件6为镁合金等需要解决钎焊氧化膜清理、有效控制钎焊加热温度的金属钎焊连接。为了获得良好的焊接效果，第一组件5与第二组件6的表面应清洁，通常应经过机械或化学去除氧化膜工序。第一组件5和第二组件6同样可为预先具有涂覆层，如阳极氧化膜的情形，但在第一组件5和第二组件6装配形成接合处7之前，接合处7及其附近区域应预先经过机械或激光清理去除涂覆层。此外，第一组件5和第二组件6，可以为不相同的材料，例如第一组件为钢材，第二组件为铝合金。

焊接时，激光加工头由第一束激光2与第二束激光4和填充材料1组成。填充材料1可以送丝机构送入焊丝的方式在接合处7进行连续提供，同时填充材料1还可以以任何公知的方法铺设。

将2组被焊工件接触组合，形成接合处7；由送丝机构将填充材料1送入接合处7待焊区域，由激光钎焊加工头提供2束激光。第一束激光2作为主要加热热源，以脉冲或连续方式垂直或倾斜入射焊接区域，熔化填充材料1；第二束激光4为短脉冲激光，以振镜面扫描方式，倾斜入射至填充材料1下部与接合处7待焊区域，清除填充材料1与母材表面氧化膜并同时预热待焊金属表面；两束激光同时作用，熔化填充材料1并使其与接合处7母材润湿铺展，形成钎焊连接。

一旦将填充材料1送入接合处7附近，第一束激光2与第二束激光4同时开始提供光束。第一束激光2通常由一台连续激光光源提供，通过散焦的方式辐照填充材料1及接合处7，进行加热。通常地，第一束激光2还可以采用振镜摆动光束加热、脉冲光束输出加热。这些光束参数组合可以通过使用所述技术领域的技术人员，能很好理解加热温度场控制的实现。与此同时，第二束激光4开始采用振镜扫描方式，进行聚焦扫描接合处7与填充材料1(通常为焊丝)背面。第二束激光4为纳秒短脉冲激光，可通过脉冲频率、扫描速度、扫描路径、激光功率等参数组合进行光束输出调控。这些光束参数组合可以通过使用所述技术领域的技术人员，能很好理解激光清理铝合金表面氧化膜同时预热接合处7的实现。

如图3所示，在一个具体实施方式中，按所述的工艺方法，将6061铝合金材料，加工成卷边组件，组合成为卷对接接头。填充焊丝为AlSi12。将组合件用夹具压紧，形成没有间隙的卷边接头。两束激光前后进行辐照，焊丝居于双束激光中间。钎焊速度为300毫米/分钟，第一束激光2功率1100W，连续模式输出，第二束激光4平均功率500W，短脉冲输出。双束激光作用下，焊丝连续送入，熔化填充卷边间隙，形成卷对接接头。

如图4和5所示，在其他具体实施方式中，按所述的工艺方法，将第一组件5和第二组件6组合成为T-型接头或搭接接头，将组合件用夹具压紧，两束激光前后进行辐照，焊丝连续送入，熔化填充接合处7，形成钎焊缝3。

本申请解决了铝合金激光硬钎焊钎料与母材熔点温度过于接近带来的焊接温度场精确控制难题。传统的局部加热钎焊，焊接区域存在一定的温度梯度，很难通过精确控制加热热源实现钎料熔化而母材不熔化的效果。特别是温度梯度更大的激光加热情况，很容易造成在被激光辐照的区域表面温度较高，而背部温度较低，增加激光功率则极易引起母材熔化。本申请采用了双束激光的能量匹配、加热位置匹配来进行温度场调控。首先采用第一束激光2作为主加热热源，通过散斑加热或振镜扫描加热获得相对均匀的加热效果，将填充材料1加热至熔融状态。与此同时，采用高功率纳秒短脉冲激光对填充材料背部及待填充母材表面进行扫描预热。振镜快速扫描方式，使得填充焊丝与母材表面接触区域始终获得脉冲激光持续作用，可以维持熔融焊丝填充与润湿铺展瞬间的接触温度。而脉冲激光的短脉宽特点，使得其热效应仅维持瞬时，在材料极浅表面构造钎料润湿铺展所需的表面状态，而不会显著增加焊接热输入。在两束激光的共同作用下，获得填充焊丝的稳定熔化和母材表面薄层温度控制，满足钎焊低焊接温度、低热输入的焊接效果。

本申请还解决了钎料的稳定润湿铺展困难问题。铝合金由于稳定的表面氧化膜的存在，传统的局部加热钎焊很难实现钎料良好的润湿铺展。一般而言容易将母材加热熔化破碎氧化膜实现连接，使得传统意义上的钎焊变成熔化焊状态；另一种方式是采用钎剂进行去膜，但钎剂往往对母材具有一定的腐蚀性，即使采用无腐蚀钎剂，同样存在钎剂去除困难等问题。因此，在实际的工程应用中，较少采用铝合金局部加热硬钎焊工艺，通常采用真空钎焊等炉中整体加热的方法。整体加热钎焊对待焊工件具有极大的限制，包括对工件尺寸、热处理强化状态等，此外焊接效率也限制了其应用范围。针对铝合金硬钎焊润湿铺展问题，本申请提出采用纳秒短脉冲激光扫描清理的方式进行钎焊去膜。即采用短脉冲激光对待焊区域进行扫描清理，通过瞬时高能密度脉冲激光轰击铝合金表面氧化膜，使其在激光脉冲与材料交互作用的热、力驱动下实现氧化膜的烧蚀、破碎，露出纯金属表面；与此同时，在高功率快速扫描脉冲激光持续作用下，待焊金属表面持续形成瞬时的浅表面层高温(甚至到达熔点以上)，这将在待焊金属表面构造一薄层有利于钎料润湿铺展的物质、温度状态，实现润湿铺展和钎焊连接。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (8)

1.一种铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1，将第一组件(5)和第二组件(6)接触形成接合处(7)，所述接合处(7)处存在容纳填充材料(1)的空间；

步骤S2，将所述填充材料(1)连续送入所述接合处(7)上；

步骤S3，使用第一束激光(2)辐照加热焊接区域的所述填充材料(1)的外表面，同时，第二束激光(4)扫描辐照所述填充材料(1)、所述接合处(7)二者的待焊区域的表面，清理氧化膜并预热待焊金属表面；熔化的所述填充材料(1)填充至所述接合处(7)形成钎焊缝(3)。

2.如权利要求1所述的铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法，其特征在于，所述第一束激光(2)采用连续激光，所述第二束激光(4)采用纳秒短脉冲激光。

3.如权利要求1所述的铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法，其特征在于，所述第一束激光(2)的平均功率是所述第二束激光(4)的平均功率的2-5倍，所述第二束激光(4)的平均功率不低于500W。

4.如权利要求1所述的铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法，其特征在于，所述第一束激光(2)、所述填充材料(1)以及所述第二束激光(4)三者沿所述接合处(7)的走向依次设置；所述第一束激光(2)与所述第二束激光(4)倾斜辐照所述填充材料(1)的两侧。

5.如权利要求1所述的铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法，其特征在于，所述第一束激光(2)与所述第二束激光(4)沿所述接合处(7)的走向同步运动，运动速度为0.2-2米/分钟之间。

6.如权利要求1所述的铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法，其特征在于，所述第一束激光(2)采用散焦方式辐照所述填充材料(1)，所述第二束激光(4)采用振镜面扫描的方式进行扫描辐照。

7.如权利要求1所述的铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法，其特征在于，所述填充材料(1)包括丝状焊料，所述填充材料(1)包括含有铝、硅、锌、铜及其合金的群组焊料，所述填充材料(1)包括含有钎剂的焊丝。

8.如权利要求1所述的铝合金连续-短脉冲双束激光填丝钎焊方法，其特征在于，所述接合处(7)包括卷对接接头焊接区、T-型接头焊接区、搭接接头焊接区。