CN101073857A - 铜或铝与碳钢激光对接焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是一种异种金属连接技术领域的铜或铝与碳钢激光对接焊接方法。方法为：将铜或铝与碳钢板接头设计成无坡口的斜端面接头形式，焊接时，将激光光束焦点调节至被焊工件表面下方，并同时将激光光束向具备更好吸收率的碳钢板一侧偏置，进而使另一侧铜或铝得到加热熔化。本发明仅仅改变铜或铝与钢板对接接头的形式及相应技术措施，采用单激光实现铜或铝与钢板接头的对接。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种异种金属连接技术领域的焊接方法，具体是一种铜或铝与碳钢激光对接焊接方法。
背景技术
铜或铝等有色金属与碳钢之间实现优质高效的连接是焊接领域中的一个技术难点。目前铜或铝可采用摩擦焊，***焊，真空扩散焊，真空钎焊，电弧钎焊等方法，也可采用电子束焊接方法。但摩擦焊一般适用于棒材，或棒材与板材焊接；***焊需要十分苛刻的安全保障环境，不适宜工厂车间生产环境；真空扩散焊，真空钎焊，真空电子束焊由于需要真空，生产率低，工件结构与尺寸受真空室限制，电弧钎焊的接头强度受限制，而且需要一个中间合金过渡层，以使与相邻材料具备较好的冶金相溶性，工艺复杂。目前，在焊接铜或铝与碳钢焊接时，可以采用高功率激光作为焊接热源来实现异种材料的焊接，但由于铜或铝熔点低，特别对激光的反射率高，往往激光能量很难熔化此种材料，造成实现熔化焊接十分困难。
经对现有技术文献的检索发现，公开号为JP2005254282的日本发明专利，专利名称“Method for manufacturing butt-welded metallic plates by laser”(一种金属板材激光对接焊接方法)：公开了利用激光进行铜或铝与钢板进行对接焊接，其发明主要在于将激光置于钢板一侧，达到激光能量熔化接头的目的，但这种方法基本上属于利用钢板熔化的熔池热量进行对另一侧铜或铝的热传导，以达到使铜或铝一侧的高热温床，使熔化金属在该一侧实现充分热润湿与原子扩散，其本质是一种钎焊原理。若采用该发明对较厚的铜或铝与钢板进行焊接，由于厚板激光焊缝呈现明显的上宽下窄形状，当为确保整个焊缝能焊透，置于钢板一侧的激光束靠近铜或铝时，势必会造成焊缝上部分过熔化而导致铜向钢中的过多渗入，从而形成气孔等问题难以解决；而当置于钢板一侧的激光束远离铜或铝时，虽然焊缝上部分不会过多熔合，但焊缝下部分会造成未熔合。因此，该发明提出的铜或铝与钢板进行激光焊接的方法一般只能局限于薄片焊接。
发明内容
本发明目的在于克服现有技术的不足，提供一种铜或铝与碳钢激光对接焊接方法。本发明仅仅改变铜或铝与钢板对接接头的形式及相应技术措施，采用单激光实现铜或铝与钢板接头的对接。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明将铜或铝与碳钢板接头设计成无坡口的斜端面接头形式，为使整个焊缝板厚方向上的铜或铝能均匀熔合和达到激光深熔目的。焊接时，将激光光束焦点调节至被焊工件表面下方，并同时将激光光束向具备更好吸收率的碳钢板一侧偏置，以实现激光能量束在被焊工件中实现小孔深熔目的，进而使另一侧铜或铝得到加热熔化，最终实现整个厚度方向上铜或铝与碳钢的熔化连接。调整激光光束向碳钢侧的偏置量，可避免低熔点铜或铝的过多熔化，以及控制焊缝中的铜或铝的熔合比，避免大量低熔点共晶物的形成。
本发明具体方法步骤是：
(1)以铜或铝与碳钢面向激光光束照面为计算基准面，将铜或铝一侧端面加工成呈钝角的斜面，依采用激光功率、板厚及具体材料种类确定；
(2)将碳钢板另一侧端面加工成锐角的斜面，同样依采用的激光功率、板厚及具体材料种类确定。
(3)然后将加工好的两种材料对接形成具有斜端面配合特征的对接接头，即配合好的对接接头在面向激光光束照射面上，碳钢板式覆盖在铜或铝板上。
(4)在进行焊接时，必须将激光光束焦点调至于被焊工件表面下方，且激光光束偏置于高吸收率钢板一侧。目的为避免激光被高反射率的铜或铝反射掉过多的激光能量，在合适的斜端面角度设计的条件下，使激光能量顺利形成工件内部小孔效应，使激光能量在小孔中获得多次壁反射和聚焦效应，在板厚方向上得到能量的有效传输。斜端面、激光焦点和偏置量设计的主要目标在于避免产生对接配合接头在板厚方向上的两种材料的未熔合，又要避免低熔点铜的过多熔化以及铜或铝过多向碳钢熔化区的有害侵入，还要避免低熔点铜或铝过高温度而形成熔池的表面张力降低，难以形成正面、反面的良好焊缝成形。
步骤(1)中，所述的钝角，角度设计为95°-100°。
步骤(2)中，所述的锐角，角度设计为80°-85°。
所述的激光光束，偏置于碳钢板一侧，且距离对接接头中心线为1mm-2mm，具体偏置量依激光功率、激光类型、板厚、接头斜端面角度、材料种类确定。
所述的激光光束，可以是Nd:YAG(掺铝石榴石激光器)固体激光，也可以是CO2气体激光，也可以是光纤激光。
本发明针对熔点、激光反射率和热传导系数存在很大差别，且在小于8mm板厚的铜或铝与碳钢板对接焊接，提出将铜或铝与碳钢板接头设计成无坡口的斜端面接头形式，为使达到激光深熔目的。焊接时，将激光光束焦点调节至被焊工件表面下方，并同时将激光束向具备更好吸收率的碳钢板一侧偏置，以实现激光能量束在被焊工件中实现小孔深熔目的，进而使另一侧铜或铝得到加热熔化，最终实现整个厚度方向上铜或铝与碳钢的熔化连接，调整激光光束向碳钢侧的偏置量，可避免低熔点铜或铝的过多熔化，以及控制焊缝中的铜或铝的熔合比，避免大量低熔点共晶物的形成。
与现有技术相比，本发明采用本发明接头设计与相应激光光束偏置技术措施，可实现铜与碳钢板对接焊缝无气孔、裂纹，力学性能达到铜母材的90％以上，铝与碳钢板可以实现连接。
附图说明
图1为本发明的焊接方法指示图
图2为本发明的钢或铝对接接头激光焊接示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
本实施例的铜与碳钢的异种金属连接方法：如图1所示，采用斜端面的对接接头形式5，使激光束2能量能够首先被低反射率的碳钢件1所吸收并使碳钢首先熔化；当形成小孔时，激光再与铜或铝4接触，小孔对其中的激光存在壁聚焦效应，通过小孔效应将吸收的能量传递到铜或铝板一侧，使铜板熔化，从而形成完整的异种金属焊缝3。
本实施例材料为T2铜和Q235碳钢，板厚各为5mm，板加工如图2所示：将T2铜侧端面加工成97°，Q235钢侧端面加工成83°，即α＝83°，采用CO2激光器，输出功率为6.5Kw，焦点调至工件表面下方2mm处，焊接速度为1m/min。将两种材料对接，激光束偏置于钢一侧，碳钢板一侧的距离从对接接头中心线d＝1.2mm，试件尺寸为100×30×5mm。
本实施结果表明：焊缝的宏观表明无宏观缺陷，焊缝内部无气孔、裂纹等缺陷，焊缝成形良好。焊接接头抗拉强度达到189.038～219.512MPa。
实施例2
本实施例连接方法同实施例1。
本实施例材料为T2铜和Q235碳钢，板厚各为4mm，板加工如图2所示：将T2铜侧端面加工成95°，Q235钢侧端面加工成85°，即α＝85°，采用CO2激光器，输出功率为6.0Kw，焦点调至工件表面下方2mm处，焊接速度为1m/min。将两种材料对接，激光束偏置于钢一侧，碳钢板一侧的距离从对接接头中心线d＝1.0mm，试件尺寸为100×30×4mm。
本实施例结果表明：焊缝的宏观表明无宏观缺陷，焊缝内部无气孔、裂纹等缺陷，焊缝成形良好。焊接接头抗拉强度达到201.324～220.620MPa。
实施例3
本实施例连接方法同实施例1。
本实施例材料为T2铜和Q235碳钢，板厚各为8mm，板加工如图2所示：将T2铜侧端面加工成100°，Q235钢侧端面加工成80°，即α＝80°，采用CO2激光器，输出功率为9.5Kw，焦点调至工件表面下方4mm处，焊接速度为1m/min。将两种材料对接，激光束偏置于钢一侧，碳钢板一侧的距离从对接接头中心线d＝2.0mm，试件尺寸为100×30×8mm。
本实施例结果表明：焊缝的宏观表明无宏观缺陷，焊缝内部无气孔、裂纹等缺陷，焊缝成形良好。焊接接头抗拉强度达到178.442～202.716MPa。
Claims (8)
1.一种铜或铝与碳钢激光对接焊接方法，其特征在于，将铜或铝与碳钢板接头设计成无坡口的斜端面接头形式，焊接时，将激光光束焦点调节至被焊工件表面下方，并同时将激光光束向具备更好吸收率的碳钢板一侧偏置，进而使另一侧铜或铝得到加热熔化。
2.如权利要求1所述的铜或铝与碳钢激光对接焊接方法，其特征是，具体方法步骤是：
(1)以铜或铝与碳钢面向激光光束照面为计算基准面，将铜或铝一侧端面加工成呈钝角的斜面；
(2)将碳钢板另一侧端面加工成锐角的斜面；
(3)然后将加工好的两种材料对接形成具有斜端面配合的对接接头，在面向激光光束照射面上，碳钢板式覆盖在铜或铝板上；
(4)在进行焊接时，将激光光束焦点调至于被焊工件表面下方，且激光光束偏置于钢板一侧。
3.如权利要求1所述的铜或铝与碳钢激光对接焊接方法，其特征是，步骤(1)中，所述的钝角，角度设计为95°-100°。
4.如权利要求1所述的铜或铝与碳钢激光对接焊接方法，其特征是，步骤(2)中，所述的锐角，角度设计为80°-85°。
5.如权利要求1或2所述的铜或铝与碳钢激光对接焊接方法，其特征是，所述的激光光束，偏置于碳钢板一侧，且距离对接接头中心线为1mm-2mm。
6.如权利要求1或2所述的铜或铝与碳钢激光对接焊接方法，其特征是，所述的激光光束，是固体激光，或CO2气体激光，或光纤激光。
7.如权利要求5所述的铜或铝与碳钢激光对接焊接方法，其特征是，所述的激光光束，是固体激光，或CO2气体激光，或光纤激光。
8.如权利要求7所述的铜或铝与碳钢激光对接焊接方法，其特征是，所述的固体激光，是掺铝石榴石激光器的激光。
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