CN101941119B - 一种激光填丝连接铝合金与钢的方法 - Google Patents

Abstract

一种激光填丝连接铝合金与钢的方法，适用于异种材料连接领域，尤其适合熔点以及热物性相差很大的异种材料之间的连接。本发明首先装配铝板在上、钢板在下的搭接接头，其中激光束、送丝喷嘴与保护气喷嘴固定在同一平面内，激光束垂直入射，焊接时保证激光焦点与焊丝的落丝点以及保护气体的送入点一致；激光熔化送进的铝焊丝，熔化的铝焊丝与铝板之间达到熔化连接，同时在钢板一侧形成微小熔层，进而形成熔-钎焊连接，从而实现铝合金与钢异种金属之间搭接连接。本发明提高了铝合金与钢异种金属之间的连接效率，接头的拉伸强度可以达到149.6Nmm^-1以上。本发明解决了焊铝钢异种金属预涂层连接过程中准备时间长、自动化程度低、焊接结果可现性差的问题。

Description

一种激光填丝连接铝合金与钢的方法

技术领域

本发明是一种通过填充焊丝连接铝和钢异种金属的激光焊接方法，适用于异种材料连接领域，尤其适合熔点以及热物性相差很大的异种材料之间的连接。

背景技术

现代社会能源紧缺，节能减排的产品越来越受到消费者的青睐。众多厂家在产品中纷纷使用轻质材料或采用两种材料连接的模式，以达到减轻产品自身重量的目标。世界范围的工业生产中，“钢+铝”异种金属焊接结构的产品越来越多，例如在汽车行业中，新奥迪TTASF车身的概念设计首次使用铝合金与高强度钢混合的制造技术；宝马5系即是钢制车身和铝制车首的结合体实例。在船舶制造中，由铝质的上层建筑与钢质的主甲板组成的轻质船舶是未来的发展方向。另外铝合金与不锈钢的连接结构在日常生活中也有着非常广泛的应用。但是由于钢与铝合金的熔点以及热物理特性相差很多，它们之间直接焊接的难度很大，探讨钢与铝合金的连接方法非常重要。

铝合金和钢异种金属熔化焊接的关键在于焊接时热输入量的控制。当热输入量较大时，焊接接头形成的金属间化合物层较厚，大量脆性化合物的存在使焊接接头很难满足实用性要求；当热输入量较小时，金属间化合物层的厚度太薄，钎焊接头不能实现致密性连接，接头强度低。到目前为止，还未能实现铝合金与钢的有效熔化连接。因此，人们先后采用摩擦焊、***焊、扩散焊、超声波焊等固态连接的焊接方法连接铝合金和钢，旨在焊接接头减少金属件间化合物形成的几率，可是这些焊接方法因为各自的焊接特点使得它们的应用范围都相对较小，并且各自存在局限性，难以满足大批量生产对高生产效率的要求。因而钢与铝合金连接方法的探讨都局限在熔化连接和钎接两种方法上。

以电弧为热源的MIG焊由于电弧的广泛存在以及制造成本较低而备受关注。但是电弧为发散热源、在焊接过程中热输入量难以控制，容易形成较大的热影响区，焊接接头形成的金属间化合物层厚也难以控制。例如日本学者曾使用CMT电弧焊技术实现了铝-钢异种金属薄板的连接，与其他固态焊接方法相比其适应性也有了较大提高，但是受电弧特性的限制，其生成效率难以满足大批量生产的需求。另外国内外很多人采用激光-电弧复合热源焊接技术焊接铝和钢，同样受电弧特性的限制，其生产效率难以满足大批量生产制造的需求。

德国和法国学者都曾采用YAG激光器添加焊丝的方法连接铝合金与钢板，基本方法是使熔化后的焊丝在钢板表面铺展，确保钢板表面不被熔化，在钢板与焊缝之间的界面形成钎接界面，即钢板与铝合金板通过填充金属形成钎接接头。虽然这种连接方式在钢板与焊缝之间的界面处生成较薄的金属间化合物层，但是其钎接接头形式使这种焊接工艺本身存在严重弊端：1、钎接接头连接强度比较低，且接头的耐热能力差，这些特点可能会导致焊接接头性能弱化甚至失效。2、保证钢板不被熔化的参数窗口很小，实际操作时焊接过程不易操作，这会导致生产效率低。以上这些问题的存在，使这种激光填丝焊接方法的应用受到很大限制，所以急需一种简单、实用的连接铝合金和钢的方法。

激光填丝焊接技术是20世纪80年代发展起来的，与传统的焊接技术相比，激光焊的优势在于焊接热输入量可控、焊接速度快、焊接效率高、焊接变形小、光束的可达性好，是其他传统热源不能比拟的。在焊接过程中添加填充焊丝不仅起到稳定焊接过程的作用，还在待焊材料之间起到很好的桥联作用，有利于异种金属之间的连接，而且可以通过调整焊丝的成分有效的提高焊接接头的性能。这些技术的特点为铝合金和钢的激光填丝连接提供了可能。

发明内容

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种方便、快捷的实现铝合金和钢的激光填丝连接方法。该方法以填充焊丝为连接金属，使用千瓦级激光器作为热源，通过严格控制焊接过程中的热输入量以及焊接工艺来控制钢板表面发生的热传导以及熔化过程，在钢板表面形成微小熔区，使铝合金与钢板之间形成熔焊与钎接的混合连接，这样不仅实现了铝合金与钢板之间的连接，也控制了连接区金属间化合物的层厚，通过微小熔化区的形成提高了接头的连接强度，实现了铝合金与钢的高效连接，解决了异种金属焊接中不能优质、高效连接的难题。

本发明的技术方案参见图1、图2，激光填丝连接铝合金和钢的方法，其特征在于：对待焊材料表面清洗后，首先将待焊钢板2与铝合金板1装配成铝合金板在上、钢板在下的搭接接头，其中激光束5、送丝喷嘴4与保护气喷嘴6固定在同一平面内，送丝喷嘴4与保护气喷嘴6分别位于激光束5的两侧，激光束5垂直入射至钢板表面，铝合金焊丝与钢板2表面间的夹角(即送丝角度3)在45-60°之间，保护气喷嘴与钢板2表面间的夹角(即保护气角度7)为45°；焊接时保证激光焦点与铝合金焊丝的落丝点以及保护气体的送入点一致；铝合金焊丝落丝点在铝合金板1上，且铝合金焊丝中心轴线与在钢板2与铝合金板1搭接接头的距离为铝合金焊丝直径的0.7-0.9倍；在焊接的过程中还需通过调节激光功率、焊接速度和送丝速度来准确控制焊接热输入量，使焊丝熔化，位于焊接接头上面的铝合金板熔化，钢板2在熔化焊丝的热传导作用下发生微小熔化，熔层在0.1-0.6mm之间，进而与熔化的焊丝在钢板一侧形成熔-钎焊焊接接头，而在铝合金板一侧形成熔化焊连接从而实现搭接连接；焊接过程需保证铝合金焊丝的送入方向与焊接方向9相反，焊接过程采用氦气保护。所述的铝合金与钢异种金属激光填丝连接方法中，激光光源可以为CO₂、Nd:YAG、半导体或者光纤激光的任意一种，光束的横截面分布可以是高斯分布、平顶方形分布或者矩形平顶分布的任意一种。

送入焊接区的焊丝为AlSi焊丝，直径在0.8-1.2mm之间，质量百分比在4.5-13％之间。

钢板为普通低碳钢、低合金钢或者镀锌钢板，铝合金板为纯铝或铝合金。

本发明的基本原理是：

在焊接时将铝合金板与钢板装配成铝合金在上，钢板在下的搭接形式，通过调节激光辐照在铝合金焊丝的位置、铝合金焊丝与铝合金板侧边的距离，使激光束、焊丝和被焊铝合金板三者在合理的相对位置上，精确控制焊接时的热输入量即采用合理的激光功率、焊接速度和送丝速度，使熔化的AlSi填充焊丝和6061铝合金板形成过渡性良好的联接接头；而在DC06钢板一侧，使钢板在熔化焊丝的热传导作用下发生区域很小的熔化区，使该界面形成既有微小的熔化区又有钎接区的混合结合区，从而实现这两种金属的熔-钎连接。

通过激光焊接时热输入量精确可控的特点，精确控制焊接过程中的热输入量，使焊接头内部焊缝与钢板的界面处产生两个连接区域，分别为很小的熔化区10-2和钎接区10-1。焊接区的横截面形状根据光斑形状(高斯型、平顶方形分布或者矩形平顶分布)分别呈倒高斯型、梯形或者长方形，但是激光光斑直径或者长方形的其一边长尺寸控制在0.34～0.42mm之间，精确控制激光束5的能量，使钢板在熔化焊丝的热传导作用下发生轻微的熔化，熔层深度在0.1-0.6mm之间，由于熔化层很小，此时形成的金属间化合物的量很小，金属间化合物的层厚得到控制，不会对接头的性能带来不利影响，相反，由于此处的熔化区，大大提高了接头的连接强度；使钢板与熔化的焊丝之间形成熔-钎焊焊接接头。

Al-Si焊丝中Si元素不仅可以降低焊丝的熔点，还可以改善焊丝的电化学性能，有效防止焊缝晶界腐蚀。另外，Si还能减缓金属间化合物层生长的作用，使互熔在一起的钢与焊丝在冷却时产生的金属间化合物生长受到限制，大大减少铝合金与钢连接界面处金属间化合物的层厚。同时Al-Si焊丝能与熔化的铝合金形成过渡性非常好的接头，此接头由熔化区10-3凝固后形成。

附图说明

图1：激光填丝焊接铝合金与钢的方法示意图。

图2：焊丝熔化后形成的搭接接头示意图。

图3：采用本发明方法焊接的铝合金与钢的焊接接头横截面实施例1。

图4：采用本发明方法焊接的铝合金与钢的焊接接头横截面实施例2。

图中：1、铝合金板，2、钢板，3、送丝角度，4、送丝喷嘴，5、激光束，6、保护气喷嘴，7、保护气角度，8、焊缝，9、焊接方向，10-1、焊缝与钢界面的钎接区，10-2、焊缝与钢界面的熔化区，10-3、焊缝与铝的熔化区

具体实施方式

以下为本发明的实施例与效果。

实验采用SLABCO₂激光器，波长为10.6μm，功率为3500W.

实验采用的工件：6061-T6铝合金：70×30×2.0mm；DC06钢板：70mm×30×1.0mm。

实验所用焊丝：AlSi₅焊丝，直径：Φ1.2mm

如图2所示，实验前采用通用夹具将铝合金板与钢板装配成铝合金在上，钢板在下的搭接形式，通过调节铝合金焊丝与铝合金板侧边的距离，以及激光辐照在铝合金焊丝的位置，使三者在合理的相对位置上，通过激光功率的细致调节精确控制焊接时的热输入，使熔化的6061铝合金板和填充焊丝AlSi5形成过渡性良好的熔化焊接头；而在DC06钢板一侧，使钢板在熔化焊丝的热传导作用下发生区域很小的熔化区，其余为钎接区，这样在铝合金与钢板的连接界面形成了既有微小的熔化区又有钎接区的混合结合区，从而实现这两种金属的熔-钎连接，如图3。

激光功率P＝2200W，焊接速度2m/min，送丝速度为6m/min，离焦量+4mm，激光辐照在焊丝上的光斑直径0.34mm，填充焊丝为直径1.2mm的AlSi5焊丝，落丝点的位置为焊丝中心与位于焊接接头上部的铝合金板侧边之间的距离d为1.0mm，激光光斑辐照中心点与铝合金焊丝前端间的长度h为1.0mm，保护气为He，流量25L/min，送丝角56°

利用上述方法得到的连接接头的拉剪试验结果表明：试样的破坏位置发生在焊缝与钢板连接的界面处，接头的最大的抗拉剪强度达到了149.6Nmm^-1。

实施例2

其他焊接条件与实施例1相同，这里不再赘述，两种金属熔-钎连接的横截面图如图4所示。

激光功率P＝3000W，焊接速度3m/min，送丝速度为9m/min，离焦量+5mm，激光辐照在焊丝上的光斑直径0.38mm，填充焊丝为直径1.2mm的AlSi5焊丝，落丝点的位置为焊丝中心与位于焊接接头上部的铝板侧边之间的距离d为1.0mm，激光光斑中心点与铝合金焊丝前端间的长度h为1.0mm，保护气为He，流量25L/min，送丝角56°

利用上述方法得到的连接接头的拉剪试验结果表明：试样的破坏位置主要发生在铝合金板的热影响区，接头的最大的抗拉剪强度达到了108.8Nmm^-1。

Claims (3)

1.一种激光填丝连接铝合金与钢的方法，其特征在于：对待焊材料表面清洗后，首先将待焊钢板(2)与铝合金板(1)装配成铝合金板在上、钢板在下的搭接接头，其中激光束(5)、送丝喷嘴(4)与保护气喷嘴(6)固定在同一平面内，送丝喷嘴(4)与保护气喷嘴(6)分别位于激光束(5)的两侧，激光束(5)垂直入射至钢板表面，铝合金焊丝与钢板(2)表面间的夹角即送丝角度(3)在45-60°之间，保护气喷嘴与钢板(2)表面间的夹角即保护气角度(7)为45°；焊接时保证激光焦点与铝合金焊丝的落丝点以及保护气体的送入点一致；铝合金焊丝落丝点在铝合金板(1)上，且铝合金焊丝中心轴线与在钢板(2)与铝合金板(1)搭接接头的距离为铝合金焊丝直径的0.7-0.9倍；在焊接的过程中还需通过调节激光功率、焊接速度和送丝速度来准确控制焊接热输入量，使焊丝熔化，位于焊接接头上面的铝合金板(1)熔化，钢板(2)在熔化焊丝的热传导作用下发生微小熔化，熔层在0.1-0.6mm之间，进而与熔化的焊丝在钢板一侧形成熔-钎焊焊接接头，而在铝合金板一侧形成熔化焊连接从而实现搭接连接；焊接过程需保证铝合金焊丝的送入方向与焊接方向(9)相反，焊接过程采用氦气保护。

2.根据权利要求1所述的激光填丝连接铝合金与钢的方法，其特征在于所述的激光光源为CO₂、Nd:YAG、半导体或者光纤激光的任意一种，光束的横截面分布是高斯分布、平顶方形分布或者矩形平顶分布的任意一种。

3.根据权利要求1所述的激光填丝连接铝合金与钢的方法，其特征在于送入焊接区的铝合金焊丝为AlSi焊丝，直径选择在0.8-1.2mm之间的任意一种，Si的质量百分比选择在4.5-13％之间的任意一种。

Images