CN105215550A - 双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法，采用双焦点激光加热异种材料接头，通过调整两束光的排布方式、能量比、间距等热源参数以及双焦点作用于接头的不同位置，形成不同的熔池温度场、流场，进而调控异种材料焊接界面反应生成物及形态，有利于控制金属间化合物的生成和减少焊接残余应力。采用本发明的方法，可解决现有技术中异种材料焊接界面反应生成物及形态不容易控制，造成接头力学性能恶化的技术问题，大幅度地提高接头的强度和塑性。

Description

双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法

技术领域

本发明涉及异种材料焊接方法，具体涉及一种双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法。

背景技术

异种材料的焊接结构在工业领域有着越来越广泛的应用。对于异种材料焊接来说，由于二者在物理、化学性质上的差异，接头易生成过量的金属间化合物以及产生较大的残余应力，这是导致异种材料焊接接头力学性能不佳的本质原因。

从根本上讲异种材料要获得良好的接头力学性能，需要从控制焊缝的界面反应着手。这取决于两个方面：一是调控焊接填充材料(包括焊丝、钎料、中间层等)；二是调控焊接加热热源。

通过改善焊接热源能量密度的分布，对异种材料焊接熔池的温度梯度、反应时间进行精确控制，进而调控异种材料焊接界面反应生成物及形态，可获得异种材料焊接接头优良的力学性能。

发明内容

本发明的目的在于针对上述异种材料焊接界面反应生成物及形态不容易控制，造成接头力学性能恶化的技术问题，提供了一种双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

本发明涉及一种双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法，所述方法采用双焦点激光加热异种材料接头，通过调整两束光的排布方式、能量比、间距以及调整双焦点作用于接头的不同位置，形成不同的熔池温度场、流场，实现调控异种材料焊接界面反应生成物及形态；进而控制金属间化合物的生成和减少焊接残余应力，大幅度地提高接头的强度和塑性。

作为优选技术方案，所述异种材料接头之间可添加填充物，或不添加任何填充物。

作为优选技术方案，所述填充物选自焊丝、钎料或中间合金层。

作为优选技术方案，激光束的类型为CO₂气体激光束、YAG固体激光束、半导体激光束或光纤激光束等。

作为优选技术方案，所述双焦点激光光斑为圆形、矩形等多种形状以及均匀分布、高斯分布等多种能量密度分布形式，也可以二者任意组合。

作为优选技术方案，双焦点激光束二者之间的距离可以在0～2.84mm之间调整。

作为优选技术方案，双焦点激光束二者的能量比可以在1∶1～4∶1之间调整。

作为优选技术方案，双焦点激光束的排布方式为沿焊缝方向的串列式分布、垂直于焊缝方向的并列式分布或介于两者之间的交叉式分布，其中交叉式排布时，两个焦点之间的夹角与焊接方向的角度可以在0°～90°之间调整。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明能够显著减少异种材料焊接界面反应层的厚度，从而大幅度地提高异种材料焊接接头力学性能，从根本上解决异种材料焊接接头强度低、残余应力大的问题。

2、本发明可广泛用于Al-Ti、Al-Mg、Mg-Fe等多种异种金属材料的焊接，使用范围广泛，具有较大的工程和经济价值。

3、本发明涉及一种双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法，可在常规激光焊接设备上加以改造即可实现，易于该技术的推广应用，

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，本发明的其他特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明焊接方法示意图；

图2是双焦点热源排布示意图，其中；a)为串列式分布，b)为并列式分布，c)为交叉式分布；

图3是双焦点激光焊接铝钛异种材料界面的接头形貌图；

图4是单激光焊接铝钛异种材料界面的接头形貌图；

图5是双焦点激光焊与常规激光焊热循环曲线对比示意图；

其中，1为第一焦点，2为第二焦点，3为第一焊接材料，4为第二焊接材料，5为填充材料。

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。以下是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，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明的双焦点激光束焊接调控界面反应方法如下：采用双焦点激光热源加热异种材料接头，双焦点热源相对于焊接方向，可采用串联式、并联式以及交叉排布方式；异种材料接头之间可添加焊丝、钎料以及中间层等填充物，也可不添加填充物。采用的激光束的类型为CO₂气体激光束、YAG固体激光束、半导体激光束或光纤激光束。所述激光光斑为圆形、矩形等多种形状以及均匀分布、高斯分布等多种能量密度分布形式。焊接时，双焦点激光束二者之间的距离可以调整。双焦点激光束二者的能量比也可以调整。

如图1所示，第一焊接材料3和第二焊接材料4是两种异种材料，根据两种材料的特点，可以选在两种材料之间添加或者不添加填充材料5。图中箭头代表焊接方向。

如图2所示，双焦点激光焊接异种材料控制界面反应层可以通过调整两个焦点(图1的中第一焦点1、第二焦点2)之间的距离d，双焦点排布方式可以是并联、串联以及交叉排布(呈任一角度)，具体参数应根据实际的工艺试验来优化。

实施例1

本实施例涉及一种双焦点激光束焊接调控界面反应方法。具体是对2mm厚钛合金和铝合金对接接头焊接，采用铝硅焊丝作为填充材料；采用CO₂激光，激光功率为1600W，两束光均采用高斯分布圆形光斑形式，离焦量为0，并行双焦点(即两束光焦点连线与焊接方向垂直)，两焦点间距为0.6mm，两束光能量比为2∶1，高能量位于钛合金一侧，低能量位于铝合金一侧，两束光焦点连线的中点偏向钛合金一侧0.2mm，焊接速度为1m/min。获得的反应层金属间化合物层的厚度在6μm以下，接头拉伸强度可达300MPa，力学性能远优于一般单光束激光焊。

如图3和4所示采用双焦点激光焊接铝钛异种材料生成金属间化合物厚度与单激光束焊接的对比，对比可知，单光束激光焊金属间化合物厚度远远大于双焦点激光焊接这种方法。

图5所示上述工艺参数下双焦点激光焊与常规激光焊热循环曲线对比，可以发现采用双光束焊接方法，焊接温度大幅度下降，同时温度梯度也更小。分析以为采用上述工艺方法，将常规单光束激光集中的能量分布调整为利于异种材料界面反应的温度及温度梯度模式，在有利的温度及的温度梯度下抑制脆性界面化合物的产生以及反应速度，因而双焦点激光焊接工艺产生的金属间化合物厚度远远小于单光束激光焊，从而具备更加优异的力学性能。

实施例2

对2mm厚5A06铝合金和2219铝合金对接接头焊接，两种材料之间不填充材料；采用光纤激光，激光功率为1400W，两束光均采用高斯分布圆形光斑形式，离焦量为-1mm，串行双光束(即两束光焦点连线与焊接方向平行)，两焦点间距为0.8mm，两束光能量比为4∶1，两束光焦点连线偏向2219铝合金一侧0.15mm，焊接速度为0.8m/min。获得的接头拉伸强度可达330MPa以上，力学性能远优于一般单光束激光焊。

实施例3

对3mm厚AZ31B镁合金和HDG60镀锌钢对接接头焊接，填充镁合金焊丝；采用CO₂激光，激光功率为2000W，两束光均采用均匀分布矩形光斑，离焦量为0mm，交叉排布双焦点(两束光焦点连线与焊接方向成45°夹角)，两焦点间距为0.7mm，两束光能量比为1∶1，两束光焦点连线偏向HDG60镀锌钢一侧0.2mm，焊接速度为1.1m/min。获得的接头拉伸强度可达镁合金母材强度90％以上，远高于现有其他焊接方法。

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形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法，其特征在于，所述方法采用双焦点激光加热异种材料接头，通过调整两束光的排布方式、能量比、间距以及调整双焦点作用于接头的不同位置，形成不同的熔池温度场、流场，实现调控异种材料焊接界面反应生成物及形态。

2.根据权利要求1所述的双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法，其特征在于，所述异种材料接头之间可添加填充物，或不添加任何填充物。

3.根据权利要求2所述的双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法，其特征在于，所述填充物选自焊丝、钎料或中间合金层。

4.根据权利要求1所述的双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法，其特征在于，激光束的类型选自为CO₂气体激光束、YAG固体激光束、半导体激光束或光纤激光束。

5.根据权利要求1所述的双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法，其特征在于，所述双焦点激光光斑为圆形、矩形等多种形状以及均匀分布、高斯分布等多种能量密度分布形式，也可以二者任意组合。

6.根据权利要求1所述的双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法，其特征在于，双焦点激光束二者之间的距离为0～2.84mm。

7.根据权利要求1所述的双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法，其特征在于，双焦点激光束二者的能量比为1∶1～4∶1。

8.根据权利要求1所述的双焦点激光束焊接异种材料界面反应调控方法，其特征在于，双焦点激光束的排布方式为沿焊缝方向的串列式分布、垂直于焊缝方向的并列式分布或介于两者之间的交叉式分布，其中交叉式排布时，两个焦点之间的夹角与焊接方向的角度可以为0°～90°。