CN113001024A - 异种材料的激光焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种异种材料的激光焊接方法,其包括以下步骤:(1)预备需焊接异种材料;(2)预备中间材料;(3)清洁;(4)固定:将中间材料固定在第一种金属材料和第二金属材料的接合面之间;(5)焊接;本发明的激光焊接方法简易,易于实现,合理在第一种金属材料和第二金属材料的焊缝之间添加中间层材料如镍箔片和相应类型金属粉末薄饼来调节异种材料的焊接特性,只需通过较小的焊接热输入量以及激光扫描熔池,就能快速实现异种材料的激光焊接,整个焊接过程稳定可控,可以有效抑制焊缝中脆性相的生成以及控制焊缝的冶金反应,进而减少出现气孔、裂纹、脆性相以及成形不良等焊接缺陷,焊缝成形美观,连接牢固,质量可靠,焊接效果好。
Description
技术领域
本发明涉及异种材料焊接技术领域,具体涉及一种异种材料的激光焊接方法。
背景技术
随着现代制造业的高速发展,在航空航天、电力企业、石油化工、气体工业以及一些大科学工程等关乎国计民生、社会进步和国家安全的领域,单一材料制造的产品很难满足当代工业发展的需求。
因此,为了能够降低制造成本以及发挥复合结构优势,异种材料复合构件的设计制造势在必行。例如在低温杜瓦的制造过程中,低温端采用铜腔体用于保持良好的导热性能保证该区域的温度均匀性,室温端采用不锈钢材料减少漏热。聚变堆中包层结构以及偏滤器制造中多为采用不锈钢/铜等异种材料的焊接及连接技术,以及航空航天领域铝/铜等异种材料结构件的应用。异种材料构件不可避免的会涉及到焊接,目前,异种材料的焊接主要采用弧焊、高能束焊以及钎焊等方法,然而由于异种材料物理性能、冶金特性以及化学相容性的巨大差异,导致异种材料焊接过程中存在诸多困难,比如说容易出现裂纹、气孔、脆性相以及合金元素烧损与偏析等问题,所以异种材料的焊接需要采用特殊的焊接工艺以满足现代制造业对其日益增长的需求。
激光焊具有高能量密度、较大穿透能力、较小热输入量等优点,且其焊接速度快、接头质量高以及焊接变形也较小,为此,急需研发一种异种材料的激光焊接方法,以解决异种材料焊接中的焊缝的强度和韧性低以及易产生焊接缺陷等问题。
发明内容
针对上述不足,本发明的目的在于,提供一种易于实现,焊接效果好的异种材料的激光焊接方法。
为实现上述目的,本发明所提供的技术方案是:一种异种材料的激光焊接方法,其包括以下步骤:
(1)预备需焊接异种材料:预备需要相焊接的第一种金属材料和第二金属材料;
(2)预备中间材料:所述中间层材料包括镍箔片和含有第一种金属材料或/和第二种金属材料的片状本体;镍箔片用于调控焊缝的冶金反应;镍箔片和片状本体的厚度分别为0.1~0.2mm;所述步骤(1)、步骤(2)不分先后顺序;
(3)清洁:对第一种金属材料和第二金属材料的接合面进行清洁;如采用丙酮进行清洗并烘干,该清洁需在焊接前15分钟至1小时内进行;
(4)固定:将中间材料固定在第一种金属材料和第二金属材料的接合面之间;
(5)焊接:预先通过焊接控制***对焊接工艺参数进行设置,如激光功率、焊接速度、激光束扫描半径和扫描方式等;优选采用激光束偏置或激光束扫描的方式来对焊缝进行激光焊缝成形以及熔池的热输入和冶金反应进行控制,可以有效的抑制气孔、裂纹、脆性相以及成形不良等焊接缺陷,实现第一种金属材料和第二种金属材料的焊接,焊接效果好。
作为本发明的一种优选方案,所述步骤(2)包括以下步骤:
(2.1)对第一种金属材料或/和第二种金属材料进行研磨,获得金属粉末;研磨过程中优选在惰性气体环境内进行;
(2.2)采用冷压成型的方法将金属粉末压制成片状,获得片状本体。
作为本发明的一种优选方案,所述步骤(2.1)中的金属粉末还加入镍粉进行研磨,并充分搅拌均匀。加入镍粉,用于调控焊缝的冶金反应。在研磨后,金属粉末的目数为500~1000目,在焊前24小时之内优选采用化学清洗并烘干保存。
作为本发明的一种优选方案,所述片状本体为由单一第一种金属材料或第二金属材料制成的金属片体,采用微电阻点焊的方式固定于第一种金属材料或第二金属材料的接合面上。
作为本发明的一种优选方案,所述步骤(1)中还对第一种金属材料和第二金属材料进行化学清洗去除氧化层及油污,清洗完成后进行烘干。
作为本发明的一种优选方案,所述步骤(4)预先对第一种金属材料和第二金属材料的接合面进行打磨去除氧化层,并进行超声波清洗后烘干。
作为本发明的一种优选方案,所述激光束偏置的偏置量偏向高熔点材料一侧,偏置量≤1mm。
作为本发明的一种优选方案,所述激光束扫描的路径为圆形、矩形和三角形路径中的一种或多种组合,有效防止气孔、脆性相以及裂纹焊接缺陷的产生。
作为本发明的一种优选方案,所述第一种金属材料和第一二金属材料为铜材料、不锈钢材料、钛材料和铝材料。
本发明的有益效果为:本发明的激光焊接方法简易,易于实现,合理在第一种金属材料和第二金属材料的焊缝之间添加中间层材料来调节异种材料的焊接特性,只需通过较小的焊接热输入量以及激光扫描熔池,就能快速实现异种材料的激光焊接,整个焊接过程稳定可控,可以有效抑制焊缝中脆性相的生成以及控制焊缝的冶金反应,进而减少出现焊接变形等缺陷现象,焊缝成形美观,连接牢固,质量可靠,焊接效果好。
下面结合附图与实施例,对本发明进一步说明。
附图说明
图1是本发明的工艺流程图。
图2是本发明焊接时的结构示意图。
图3是本发明激光束扫描路径示意图。
具体实施方式
实施例1,参见图1和图2,本实施例提供的一种异种材料的激光焊接方法,其包括以下步骤:
(1)预备需要相焊接的第一种金属材料1和第二金属材料2;本实施例中,选取厚度为2mm的纯铜板作为第一种金属材料1,选取厚度为2mm的316L奥氏体不锈钢板作为第二金属材料2;
(2)中间材料3选取厚度为0.1mm的镍箔片31和目数为500~1000目的铜粉与镍粉,在惰性气体环境内将铜粉与镍粉相混合并研磨,待混合均匀后获得金属粉末,采用冷压成型的方法将金属粉末压制成片状,获得粉末冷压箔片32;
(3)采用砂纸对第一种金属材料1和第二金属材料2的接合面进行打磨,然后再采用丙酮进行清洗,清洗干净后进行烘干,该清洁步骤需在焊接前15分钟至1小时内进行;
(4)通过夹具将第一种金属材料1和第二金属材料2装夹在焊接平台上,然后将粉末冷压箔片32置于两片镍箔片31之间,接着再整体放入第一种金属材料1和第二金属材料2的接合面之间,并调整第一种金属材料1和第二金属材料2接合面之间的间隙将中间材料3夹紧;
(5)安装背面保护气工装,并调整好气体流量。通过焊接控制***对焊接工艺参数进行设置,激光功率4.0~6.0kW,正离焦量为0~5mm,焊接速度为2.8~3.6m/min,保护气流量为15~25L/min,背保护气流量为5~10L/min;对焊缝进行激光焊接,实现第一种金属材料1与第二种金属材料相焊接形成一体结构,等冷却至室温时取下。
实施例2,本实施例提供的一种异种材料的激光焊接方法,其包括以下步骤:
(1)预备需要相焊接的第一种金属材料1和第二金属材料2;本实施例中,选取直径为180mm,壁厚为2mm的铜圆筒作为第一种金属材料1,选取及直径为180mm,壁厚为2mm的不锈钢圆筒作为第二金属材料2;
(2)选取厚度为0.2mm的镍箔片和厚度为0.1mm的铜箔片作为中间材料3;
(3)采用丙酮对第一种金属材料1和第二金属材料2的接合面进行清洗,清洗干净后进行烘干,该清洁步骤需在焊接前15分钟至1小时内进行;
(4)通过夹具将第一种金属材料1和第二金属材料2装夹在焊接平台上,采用微电阻点焊接分别将镍箔片点焊在第一种金属材料1的接合面和将铜箔片点焊在第二金属材料2的接合面,然后调整第一种金属材料1和第二金属材料2接合面之间的间隙将中间材料3夹紧;
(5)安装背面保护气工装,并调整好气体流量。通过焊接控制***对焊接工艺参数进行设置,激光功率4.0~6.0kW,正离焦量为0~5mm,焊接速度为2.8~3.6m/min,激光束偏置于不锈钢侧,参见图3,采用三角形扫描路径4,扫描半径为0.5~1.0mm,保护气流量为15~25L/min,背保护气流量为5~10L/min;对焊缝进行激光焊接,实现第一种金属材料1与第二种金属材料相焊接形成一体结构,等冷却至室温时取下。
实施例3,本实施例提供的一种异种材料的激光焊接方法,其包括以下步骤:
(1)预备需要相焊接的第一种金属材料1和第二金属材料2;本实施例中,选取厚度为2mm的纯铜板作为第一种金属材料1,选取厚度为2mm的5083铝板作为第二金属材料2;
(2)选取厚度为0.1mm的镍箔片和厚度为0.2mm的镍粉与铝粉相混合的粉末冷压箔片作为中间材料3;镍箔片在焊前24小时之内采用化学清洗并烘干保存;
(3)将第一种金属材料1和第二金属材料2的接合面进行清洁;
(4)通过夹具将第一种金属材料1和第二金属材料2装夹在焊接平台上,然后将粉末冷压箔片置于两片镍箔片之间,接着再整体放入第一种金属材料1和第二金属材料2的接合面之间,并调整第一种金属材料1和第二金属材料2接合面之间的间隙将中间材料3夹紧;
(5)安装背面保护气工装,并调整好气体流量。通过焊接控制***对焊接工艺参数进行设置,激光功率4.0~6.0kW,正离焦量为0~5mm,焊接速度为3.0~5.0m/min,采用圆形扫描路径,扫描半径为0.5~1.0mm,保护气流量为15~25L/min,背保护气流量为5~10L/min;对焊缝进行激光焊接,实现第一种金属材料1与第二种金属材料相焊接形成一体结构,等冷却至室温时取下。
上述实施例仅为本发明较好的实施方式,本发明不能一一列举出全部的实施方式,凡采用上述实施例之一的技术方案,或根据上述实施例所做的等同变化,均在本发明保护范围内。本发明的激光焊接方法简易,合理在第一种金属材料1和第二金属材料2的焊缝之间添加中间层材料来调节异种材料的焊接特性,只需通过较小的焊接热输入量以及激光扫描熔池,就能快速实现异种材料的激光焊接,整个焊接过程稳定可控,可以有效抑制焊缝中脆性相的生成以及控制焊缝的冶金反应,进而减少出现气孔、裂纹、脆性相以及成形不良等焊接缺陷,焊缝成形美观,连接牢固,质量可靠,焊接效果好。
根据上述说明书的揭示和教导,本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方式进行变更和修改。因此,本发明并不局限于上面揭示和描述的具体实施方式,对本发明的一些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。此外,尽管本说明书中使用了一些特定的术语,但这些术语只是为了方便说明,并不对本发明构成任何限制。如本发明上述实施例所述,采用与其相同或相似的结构而得到的其它方法,均在本发明保护范围内。
Claims (10)
1.一种异种材料的激光焊接方法,其特征在于:其包括以下步骤:
(1)预备需焊接异种材料:预备需要相焊接的第一种金属材料和第二金属材料;
(2)预备中间材料:所述中间层材料包括镍箔片和含有第一种金属材料或/和第二种金属材料的片状本体;
(3)清洁:对第一种金属材料和第二金属材料的接合面进行清洁;
(4)固定:将中间材料固定在第一种金属材料和第二金属材料的接合面之间;
(5)焊接:采用激光束偏置或激光束扫描的方式来对焊缝进行激光焊接,实现第一种金属材料和第二种金属材料的焊接;
所述步骤(1)、步骤(2)不分先后顺序。
2.根据权利要求1所述的异种材料的激光焊接方法,其特征在于:所述步骤(2)包括以下步骤:
(2.1)对第一种金属材料或/和第二种金属材料进行研磨,获得金属粉末;
(2.2)采用冷压成型的方法将金属粉末压制成片状,获得片状本体。
3.根据权利要求2所述的异种材料的激光焊接方法,其特征在于:所述步骤(2.1)中的金属粉末还加入镍粉进行研磨,并充分搅拌均匀。
4.根据权利要求3所述的异种材料的激光焊接方法,其特征在于:所述步骤(2.1)的研磨过程中在惰性气体环境内进行。
5.根据权利要求1述的异种材料的激光焊接方法,其特征在于:所述片状本体为由单一第一种金属材料或第二金属材料制成的金属片体,采用微电阻点焊的方式固定于第一种金属材料或第二金属材料的接合面上。
6.根据权利要求1所述的异种材料的激光焊接方法,其特征在于:所述步骤(1)中还对第一种金属材料和第二金属材料进行化学清洗去除氧化层及油污,清洗完成后进行烘干。
7.根据权利要求1所述的异种材料的激光焊接方法,其特征在于:所述步骤(4)预先对第一种金属材料和第二金属材料的接合面进行打磨去除氧化层,并进行超声波清洗后烘干。
8.根据权利要求1所述的异种材料的激光焊接方法,其特征在于:所述激光束偏置的偏置量偏向高熔点材料一侧,偏置量≤1mm。
9.根据权利要求1所述的异种材料的激光焊接方法,其特征在于:所述激光束扫描的路径为圆形、矩形和三角形路径中的一种或多种组合。
10.根据权利要求1-9中任意一项所述的异种材料的激光焊接方法,其特征在于:所述第一种金属材料和第一二金属材料为铜材料、不锈钢材料、钛材料和铝材料。
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