CN109014580B - 一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法 - Google Patents

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Abstract

一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，它涉及一种激光间隙填粉焊方法，本发明的目的旨在综合粘接和激光穿透焊接的优势，提出一种高效，可靠，高强度同时又不损伤表面的连接方式，解决粘接和激光穿透焊接过程中的存在的连接问题，本发明激光首先将两板间的金属粉末熔化。之后滚子的滚轧力作用在两板上，随着两板之间的夹角逐渐减小，熔融的钎料受到滚子的滚轧后收缩变形，逐渐填满整个焊缝。滚轧过程结束后，一个完整的搭接接头形成。通过此法获得的搭接接头可具有粘接5‑10倍的粘接强度且几乎不受环境温度和使用寿命的限制。同时，相比激光穿透焊，此法可以做到焊后材料表面光洁无损。本发明应用于激光焊接领域。

Description

一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法
技术领域
本发明涉及一种用于有色金属板异种材料，低熔点镀层金属，钢板等材料连接的滚轧辅助搭接激光间隙填粉焊接方法，属于材料加工工程领域。
背景技术
金属粘接技术作为实现金属材料连接的一种手段，具有灵活性强，成本低，不损伤金属表面等优势，广泛应用于断裂粘接，带压堵漏，设备安装等多个方面。然而，金属粘接过程中使的用聚氨酯，丙烯酸酯等粘接剂通过分子力将被粘物连接在一起，其强度与金属基体本身相比较往往相差甚远。与此同时，粘接剂大多为合成高分子材料，与金属的材料相比具有较为严格的使用条件（温度，光，外界气氛）。此外，胶粘剂易产生老化，使用寿命有限。这些缺陷严重限制了胶粘剂在金属材料连接过程中的应用。针对这一问题，专利CN107052582A，CN107249804A以及CN104858560A提出了采用激光穿透焊接方法。如图1所示，将散焦激光光源作用于搭接接头表面，通过热传导的方式加热熔化界面，实现金属材料搭接接头的熔化连接，与传统的粘接连接方式相比，穿透焊连接具有以下几点显著的优势：
（1）连接效率高，穿透焊接速度可以达到2m/min。
（2）与依靠分子力连接的粘接相比，接头界面处发生冶金反应的穿透焊明显具有更高的结合强度，接头强度可以达到母材强度的百分之八十左右；
（3）穿透焊形成的接头几乎不受温度影响，可靠性高，接头无明显的老化现象；
（4）激光穿透焊可以通过添加中间夹层，镀层等方式改善接头的界面冶金反应，进一步提升接头强度；
（5）与粘接方式相比，整个过程清洁，无化学污染。
（6）易实现自动化。
但是，一方面由于焊接过程中存在较高的热输入，接头在快速膨胀后极速收缩而产生较大的残余应力，尤其是针对异种材料，在焊接过程中由于线膨胀系数不同产生较大的残余应力。与此同时，焊接过程中由熔池夹在两板之间，产生的气孔难以排出，接头处夹杂大量气孔。更为严重的是，穿透焊接方式的上表面直接受到激光辐照，发生严重的烧损现象，材料表面受到严重破坏。对于汽车车身制造等对表面具有一定要求的情况，需要额外的工序对表面进行处理。此外，穿透焊的原理是保证表面不完全熔透的情况下在界面处进行熔化焊接，故仅适用于熔点差异较大的异种材料连接例如镁/钛，镁/钢，铝/铜的焊接。对于同种材料的焊接，由于表面发生过大的烧损，焊接效果并不理想。上述缺陷严重影响了穿透焊接在金属材料搭接连接过程中的应用。
激光穿透焊之所以存在上述缺陷，根本原因是实现界面连接的热源不是直接来自于激光，而是来自于上板的热传导。这种热源形式不仅造成了上板的受热过度而出现烧损，同时热传导过程中有大量的热损耗，故此过程需要较高的热输入，导致了高值残余应力和变形。
发明内容
本发明的目的旨在综合粘接和激光穿透焊接的优势，提出一种高效，可靠，高强度同时又不损伤表面的连接方式，解决粘接和激光穿透焊接过程中的存在的上述连接问题。该方法主要用于异种材料的连接，低熔点镀层金属，钢板等材料连接的施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊接方法，也可应用于有特殊要求的同种材料连接。
本发明的一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一：焊接前，将其中一种有色金属板垂直于工作台，另一有色金属板与其呈夹角β由夹具夹持；其中，两板夹角β为5～12o；两板之间1/3～2/3的空间用金属粉末填充；
步骤二：设置焊接工艺参数：
离焦量d为-10mm～+15mm，焊接速度v为0.5～1.5m/min，激光功率为800～2500W，保护气采用惰性气体或二氧化碳气体，保护气流量为10～50L/min；激光束与竖直板之间的夹角α为2.5～6o；
步骤三：滚压：
在焊接完成后，采取滚轧和焊接同步的方式进行纵向滚轧，滚轧方向为焊接方向，即完成所述的施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊；其中，滚轧速度与焊接速度保持一致且滚轧力的作用位置与激光作用焦点的位置保持5～30mm距离，滚轧力为1000～10000N；
所述的两个有色金属板为异种材料的有色金属板；两个有色金属板均大于10cm。
本发明的一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一：焊接前，将其中一种有色金属板垂直于工作台，另一有色金属板与其呈夹角β由夹具夹持；其中，两板夹角β为5～20o；两板之间1/3～2/3的空间用金属粉末填充；
步骤二：设置焊接工艺参数：
离焦量d为-10mm～+15mm，焊接速度v为2～5m/min，激光功率为1500～4000W，保护气采用惰性气体或二氧化碳气体，保护气流量为10～50L/min；激光束与竖直板之间的夹角α为2.5～10o；
步骤三：滚压：
在焊接完成后，在液态钎料冷却凝固之前进行横向滚轧，滚轧方向垂直于焊接方向，滚轧后要保持施加压力5～20s，即完成所述的施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊；其中，滚轧力为500～2000N；
所述的两个有色金属板为异种材料的有色金属板；两个有色金属板均小于10cm。
本发明的施加滚轧辅助的搭接间隙激光填粉焊接就是将金属粉末预制于两板间使两板呈现一定夹角的Y字型放置。之后在两板张开的夹角处施加激光热源使两板间填充的粉末和部分界面发生熔化，随后立即对两板进行滚轧，将处于熔融状态的填充粉末，均匀填充至两板间隙，使得呈一定角度的搭接接头滚轧成平行的标准搭接接头。其焊接示意图如图2和3所示。这种焊接方法主要有以下几方面的优势：
1.激光直接作用于焊缝，减小了热输入，降低了残余应力和变形。
2.避免了板材外表面直接受到激光辐照，实现了表面无伤的熔化焊接。
3.由于填粉对母材的烧损进行了填充，有效避免了在焊接过程中由于热输入过高而导致的母材大面积熔化的现象。
4.所填充的粉末可以对界面反应进行调控，对于异种材料，可以在填充的粉末中添加合金元素以改善界面的冶金反应情况。例如针对Mg/Ti等相互不发生溶解和反应的材料，可以在粉末中添加Cu，Ni等中间元素促进两种材料发生冶金反应，增强界面连接。针对Al/Cu等焊接过程中发生冶金反应且在界面处生成脆性化合物的材料，可以在粉末中加入Mo，Nb等合金元素，防止金属间脆性化合物的生成。
5.滚轧过程起到细化晶粒，改善焊缝组织结构的作用。
6.在滚轧过程中，滚子对板材间熔融钎料的挤压作用可以将焊接过程产生的气孔排出。
本发明激光间隙填粉焊的焊接与滚轧过程如图8所示。激光首先将两板间的金属粉末熔化。之后滚子的滚轧力作用在两板上，随着两板之间的夹角逐渐减小，熔融的钎料受到滚子的滚轧后收缩变形，逐渐填满整个焊缝。滚轧过程结束后，一个完整的搭接接头形成。如图9所示，通过此法获得的搭接接头可具有粘接5-10倍的粘接强度且几乎不受环境温度和使用寿命的限制。同时，相比激光穿透焊，此法可以做到焊后材料表面光洁无损。此外，添加的粉末可以调节金属间冶金反应，起到细化晶粒的作用，若处理得当，此法获得的搭接接头强度可以超过激光热导焊获得的接头强度。
附图说明
图1为传统激光穿透焊接示意图；
图2为纵向滚轧单激光间隙填粉焊示意图；其中，1－保护气喷嘴； 2－激光器；3－母材； 4－滚子；5－填充粉末；
图3为图2的纵向滚轧单激光间隙填粉焊局部示意图；
图4为横向滚轧单激光间隙填粉焊示意图；其中，1－保护气喷嘴；2－激光器；3－母材； 4－滚子； 5－填充粉末；
图5为图4的横向滚轧单激光间隙填粉焊局部示意图；
图6为横向滚轧双激光间隙填粉焊示意图；其中，1－保护气喷嘴；2－激光器；3－母材； 4－滚子； 5－填充粉末；
图7为图6的横向滚轧双激光间隙填粉焊局部示意图；
图8为激光间隙填粉焊接的焊接与滚轧过程示意图；
图9为激光间隙填粉焊接的焊接效果示意图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一：焊接前，将其中一种有色金属板垂直于工作台，另一有色金属板与其呈夹角β由夹具夹持；其中，两板夹角β为5～12o；两板之间1/3～2/3的空间用金属粉末填充；
步骤二：设置焊接工艺参数：
离焦量d为-10mm～+15mm，焊接速度v为0.5～1.5m/min，激光功率为800～2500W，保护气采用惰性气体或二氧化碳气体，保护气流量为10～50L/min；激光束与竖直板之间的夹角α为2.5～6o；
步骤三：滚压：
在焊接完成后，采取滚轧和焊接同步进行的方式进行纵向滚轧，滚轧方向沿着焊接方向，即完成所述的施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊；其中，滚轧速度与焊接速度保持一致且滚轧力的作用位置与激光作用焦点的位置保持5～30mm距离，滚轧力为1000～10000N；
所述的两个有色金属板为异种材料的有色金属板；两个有色金属板均大于10cm。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：激光采用散焦或聚焦方式施加。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的激光器为CO2或YAG激光器。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的有色金属板的材料为延展性相对较好且刚性相对较低的材料。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的两种有色金属板的材料分别为Al和Cu；对上述材料的有色金属板采用的金属粉末为合金元素金属粉末。其它与具体实施方式一相同。
本实施方式所述的合金元素金属粉末为添加Mo，Nb，Ag等合金元素的Al粉。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的激光垂直入射至两个有色金属板之间所呈的缝隙中。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式的一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一：焊接前，将其中一种有色金属板垂直于工作台，另一有色金属板与其呈夹角β由夹具夹持；其中，两板夹角β为5～20o；两板之间1/3～2/3的空间用金属粉末填充；
步骤二：设置焊接工艺参数：
离焦量d为-10mm～+15mm，焊接速度v为2～5m/min，激光功率为1500～4000W，保护气采用惰性气体或二氧化碳气体，保护气流量为10～50L/min；激光束与竖直板之间的夹角α为2.5～10o；
步骤三：滚压：
在焊接完成后，在液态钎料冷却凝固之前进行横向滚轧，滚轧方向垂直于焊接方向，滚轧后要保持施加压力5～20s，即完成所述的施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊；其中，滚轧力为500～2000N；
所述的两个有色金属板为异种材料的有色金属板；两个有色金属板均小于10cm。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式七不同的是：激光采用散焦或聚焦方式施加。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述的激光器为CO2或YAG激光器。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述的有色金属板的材料为延展性相对较差且刚性相对较高的材料。其它与具体实施方式七相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式七不同的是：所述的两种有色金属板的材料分别为Mg和Ti；对上述材料的有色金属板采用的金属粉末为中间元素金属粉末。其它与具体实施方式七相同。
本实施方式所述的中间元素金属粉末为添加Cu或Ni等中间元素的Mg粉末。
具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式七不同的是：在激光焊接过程中采用双激光同时焊接。其它与具体实施方式七相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
下面实施例依据所焊母材的长度采用不同的方式。
实施例1
本实施例所焊母材的长度大于10cm，具体操作方式如下：
本实施例参阅图2和3所示，本实施例中的激光焊接采用YAG激光器以及全自动小型滚轧机。本实施例所焊接的有色金属板为Al有色金属板和Cu有色金属板；所选用的金属粉末为添加Ag的Al粉。
焊接前一板垂直于工作台，另一板与其呈夹角β由夹具夹持，两板之间的夹角取10o，激光间隙焊接过程中，激光垂直入射两板所呈的缝隙中，激光束与竖直板的夹角α取两板夹角的一半，取5o。激光根据焊缝深度的采取散焦方式施加，离焦量d取10mm。两板之间1/3～2/3的空间用金属粉末填充，金属粉末依照两板间的材料所定。对于图2和3所示的焊接方法，焊接速度v没有太大要求，取1m/min。焊接时激光功率P依两板之间的夹角以及填充的粉量而定，取1500W。为了防止氧化，减少气孔，在焊接过程中根据所焊材料施加惰性气体保护，保护气流量为15L/min。
滚压过程：采取滚轧和焊接同步进行的方式进行纵向滚轧。滚轧方向沿着焊接方向，滚轧速度与焊接速度保持一致且滚轧力的作用位置与激光作用焦点的位置保持5-15mm距离。激光束将填充的粉末部分加热熔化，在其冷却凝固之前，滚子对熔化的液态粉末立刻进行滚轧，将呈一定角度（β）的两板滚轧成平行的搭接接头，滚轧后的液态钎料凝固后形成可靠的搭接接头。接下来，滚子不断对新形成的液态钎料进行滚轧，直至整个接头全部形成搭接接头。这种滚轧方式的液态钎料可以立即被滚轧，故可以采取较低的线能量和焊接速度，焊接残余应力和变形也相对较小，无需考虑钎料冷却时间的问题，故可以焊接较长的焊缝。
但是在焊接过程中，原有部分和已经形成搭接接头的部分由于几何尺寸冲突会导致板材发生轻微形变，故此种滚轧方法比较适用于焊接铝，铜等延展性较好，刚性较低的材料。不适用于镁，高强钢等刚性较高，不易变形的材料。由于要克服母材变形所产生的形变应力，故此种方法需要采用较高的滚轧力为5000N。
实施例2
本实施例所焊母材的长度小于10cm，是按照如下步骤进行的：
本实施例参阅图4和图5所示，本实施例中的激光焊接采用CO2激光器以及全自动小型滚轧机。
本实施例所焊接的有色金属板为Mg有色金属板和Ti有色金属板；所选用的金属粉末为添加Cu的Mg粉。
焊接前一板垂直于工作台，另一板与其呈夹角β由夹具夹持，两板之间的夹角取15o，激光间隙焊接过程中，激光垂直入射两板所呈的缝隙中，激光束与竖直板的夹角α取两板夹角的一半，取7.5o。激光根据焊缝深度的不同采取聚焦方式施加，离焦量d取0mm。两板之间1/3～2/3的空间用金属粉末填充，金属粉末依照两板间的材料所定。对于图6和图7和图5所示的焊接方法，要求有较高的焊接速度，取3m/min。焊接时激光功率P要求在较高的焊接速度下能够将填充粉末熔化，取2500W。为了防止氧化，减少气孔，在焊接过程中根据所焊材料施加二氧化碳气体保护，保护气流量为15L/min。
如图4和图5所示，在整个焊接过程进行完之后即可对板材进行横向滚轧，滚轧方向垂直于焊接方向。此种滚轧法的关键在于要在液态钎料冷却凝固之前对板材进行滚轧，要求有较高的滚轧速度。为了防止先焊部分过早的凝固，需要采用较高的焊接速度（3m/min）以及较高的功率（2500W），在焊接过程中会出现较高的残余热应力和变形，同时焊缝的长度也要尽可能的短。此种焊接方法避免了母材由于几何尺寸不协调而产生的变形，适用于刚性较高，不易变形的短焊缝。此法所需的滚轧力也相对较小为1500N。在搭接接头形成后，为了保证接头的稳定性，使熔融钎料充分凝固，滚轧后要保持施加压力120s。
如图6和图7所示，在图4和图5所示的横向滚轧的基础之上采用双激光同时焊接的方式进行施焊。采用两个激光束从两边同时焊接可以进一步提升焊接速度，防止钎料在滚轧前发生凝固现象。焊接速度的提升另一方面减少了对焊接热输入的要求，降低了焊接的残余应力和残余变形。双激光束同时施焊扩大了工艺窗口，但要注意激光束的配合，避免激光束叠加出现烧穿现象。

Claims (9)

1.一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
步骤一：焊接前，将其中一种有色金属板垂直于工作台，另一有色金属板与其呈夹角β由夹具夹持；其中，两板夹角β为5～12o；两板之间1/3～2/3的空间用金属粉末填充；
步骤二：设置焊接工艺参数：
离焦量d为-10mm～+15mm，焊接速度v为0.5～1.5m/min，激光功率为800～2500W，保护气采用惰性气体或二氧化碳气体，保护气流量为10～50L/min；激光束与竖直板之间的夹角α为2.5～6o；
步骤三：滚压：
在焊接完成后，采取滚轧和焊接同步的方式进行纵向滚轧，滚轧方向为焊接方向，即完成所述的施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊；其中，滚轧速度与焊接速度保持一致且滚轧力的作用位置与激光作用焦点的位置保持5～30mm距离，滚轧力为1000～10000N；
所述的两个有色金属板为异种材料的有色金属板；两个有色金属板长度均大于10cm。
2.根据权利要求1所述的一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，其特征在于激光采用散焦或聚焦方式施加。
3.根据权利要求1所述的一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，其特征在于激光器为CO2或YAG激光器。
4.根据权利要求1所述的一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，其特征在于所述的有色金属板的材料为延展性相对较好且刚性相对较低的材料。
5.一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
步骤一：焊接前，将其中一种有色金属板垂直于工作台，另一有色金属板与其呈夹角β由夹具夹持；其中，两板夹角β为5～20o；两板之间1/3～2/3的空间用金属粉末填充；
步骤二：设置焊接工艺参数：
离焦量d为-10mm～+15mm，焊接速度v为2～5m/min，激光功率为1500～4000W，保护气采用惰性气体或二氧化碳气体，保护气流量为10～50L/min；激光束与竖直板之间的夹角α为2.5～10o；
步骤三：滚压：
在焊接完成后，在液态钎料冷却凝固之前进行横向滚轧，滚轧方向垂直于焊接方向，滚轧后要保持施加压力5～20s，即完成所述的施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊；其中，滚轧力为500～2000N；
所述的两个有色金属板为异种材料的有色金属板；两个有色金属板长度均小于10cm。
6.根据权利要求5所述的一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，其特征在于激光采用散焦或聚焦方式施加。
7.根据权利要求5所述的一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，其特征在于激光器为CO2或YAG激光器。
8.根据权利要求5所述的一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，其特征在于所述的有色金属板的材料为延展性相对较差且刚性相对较高的材料。
9.根据权利要求5所述的一种施加滚轧辅助的搭接激光间隙填粉焊方法，其特征在于在激光焊接过程中采用双激光同时焊接。
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