專利名稱：銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種異種金屬連接技術(shù)領(lǐng)域的焊接方法，具體是一種銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法。
背景技術(shù)：
銅或鋁等有色金屬與碳鋼之間實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)高效的連接是焊接領(lǐng)域中的一個技術(shù)難點。目前銅或鋁可采用摩擦焊，爆炸焊，真空擴散焊，真空釬焊，電弧釬焊等方法，也可采用電子束焊接方法。但摩擦焊一般適用于棒材，或棒材與板材焊接；爆炸焊需要十分苛刻的安全保障環(huán)境，不適宜工廠車間生產(chǎn)環(huán)境；真空擴散焊，真空釬焊，真空電子束焊由于需要真空，生產(chǎn)率低，工件結(jié)構(gòu)與尺寸受真空室限制，電弧釬焊的接頭強度受限制，而且需要一個中間合金過渡層，以使與相鄰材料具備較好的冶金相溶性，工藝復(fù)雜。目前，在焊接銅或鋁與碳鋼焊接時，可以采用高功率激光作為焊接熱源來實現(xiàn)異種材料的焊接，但由于銅或鋁熔點低，特別對激光的反射率高，往往激光能量很難熔化此種材料，造成實現(xiàn)熔化焊接十分困難。
經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻的檢索發(fā)現(xiàn)，公開號為JP2005254282的日本發(fā)明專利，專利名稱“Method for manufacturing butt-welded metallic plates by laser”(一種金屬板材激光對接焊接方法)公開了利用激光進行銅或鋁與鋼板進行對接焊接，其發(fā)明主要在于將激光置于鋼板一側(cè)，達到激光能量熔化接頭的目的，但這種方法基本上屬于利用鋼板熔化的熔池?zé)崃窟M行對另一側(cè)銅或鋁的熱傳導(dǎo)，以達到使銅或鋁一側(cè)的高熱溫床，使熔化金屬在該一側(cè)實現(xiàn)充分熱潤濕與原子擴散，其本質(zhì)是一種釬焊原理。若采用該發(fā)明對較厚的銅或鋁與鋼板進行焊接，由于厚板激光焊縫呈現(xiàn)明顯的上寬下窄形狀，當(dāng)為確保整個焊縫能焊透，置于鋼板一側(cè)的激光束靠近銅或鋁時，勢必會造成焊縫上部分過熔化而導(dǎo)致銅向鋼中的過多滲入，從而形成氣孔等問題難以解決；而當(dāng)置于鋼板一側(cè)的激光束遠離銅或鋁時，雖然焊縫上部分不會過多熔合，但焊縫下部分會造成未熔合。因此，該發(fā)明提出的銅或鋁與鋼板進行激光焊接的方法一般只能局限于薄片焊接。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法。本發(fā)明僅僅改變銅或鋁與鋼板對接接頭的形式及相應(yīng)技術(shù)措施，采用單激光實現(xiàn)銅或鋁與鋼板接頭的對接。
本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明將銅或鋁與碳鋼板接頭設(shè)計成無坡口的斜端面接頭形式，為使整個焊縫板厚方向上的銅或鋁能均勻熔合和達到激光深熔目的。焊接時，將激光光束焦點調(diào)節(jié)至被焊工件表面下方，并同時將激光光束向具備更好吸收率的碳鋼板一側(cè)偏置，以實現(xiàn)激光能量束在被焊工件中實現(xiàn)小孔深熔目的，進而使另一側(cè)銅或鋁得到加熱熔化，最終實現(xiàn)整個厚度方向上銅或鋁與碳鋼的熔化連接。調(diào)整激光光束向碳鋼側(cè)的偏置量，可避免低熔點銅或鋁的過多熔化，以及控制焊縫中的銅或鋁的熔合比，避免大量低熔點共晶物的形成。
本發(fā)明具體方法步驟是(1)以銅或鋁與碳鋼面向激光光束照面為計算基準面，將銅或鋁一側(cè)端面加工成呈鈍角的斜面，依采用激光功率、板厚及具體材料種類確定；(2)將碳鋼板另一側(cè)端面加工成銳角的斜面，同樣依采用的激光功率、板厚及具體材料種類確定。
(3)然后將加工好的兩種材料對接形成具有斜端面配合特征的對接接頭，即配合好的對接接頭在面向激光光束照射面上，碳鋼板式覆蓋在銅或鋁板上。
(4)在進行焊接時，必須將激光光束焦點調(diào)至于被焊工件表面下方，且激光光束偏置于高吸收率鋼板一側(cè)。目的為避免激光被高反射率的銅或鋁反射掉過多的激光能量，在合適的斜端面角度設(shè)計的條件下，使激光能量順利形成工件內(nèi)部小孔效應(yīng)，使激光能量在小孔中獲得多次壁反射和聚焦效應(yīng)，在板厚方向上得到能量的有效傳輸。斜端面、激光焦點和偏置量設(shè)計的主要目標在于避免產(chǎn)生對接配合接頭在板厚方向上的兩種材料的未熔合，又要避免低熔點銅的過多熔化以及銅或鋁過多向碳鋼熔化區(qū)的有害侵入，還要避免低熔點銅或鋁過高溫度而形成熔池的表面張力降低，難以形成正面、反面的良好焊縫成形。
步驟(1)中，所述的鈍角，角度設(shè)計為95°-100°。
步驟(2)中，所述的銳角，角度設(shè)計為80°-85°。
所述的激光光束，偏置于碳鋼板一側(cè)，且距離對接接頭中心線為1mm-2mm，具體偏置量依激光功率、激光類型、板厚、接頭斜端面角度、材料種類確定。
所述的激光光束，可以是Nd:YAG(摻鋁石榴石激光器)固體激光，也可以是CO2氣體激光，也可以是光纖激光。
本發(fā)明針對熔點、激光反射率和熱傳導(dǎo)系數(shù)存在很大差別，且在小于8mm板厚的銅或鋁與碳鋼板對接焊接，提出將銅或鋁與碳鋼板接頭設(shè)計成無坡口的斜端面接頭形式，為使達到激光深熔目的。焊接時，將激光光束焦點調(diào)節(jié)至被焊工件表面下方，并同時將激光束向具備更好吸收率的碳鋼板一側(cè)偏置，以實現(xiàn)激光能量束在被焊工件中實現(xiàn)小孔深熔目的，進而使另一側(cè)銅或鋁得到加熱熔化，最終實現(xiàn)整個厚度方向上銅或鋁與碳鋼的熔化連接，調(diào)整激光光束向碳鋼側(cè)的偏置量，可避免低熔點銅或鋁的過多熔化，以及控制焊縫中的銅或鋁的熔合比，避免大量低熔點共晶物的形成。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明采用本發(fā)明接頭設(shè)計與相應(yīng)激光光束偏置技術(shù)措施，可實現(xiàn)銅與碳鋼板對接焊縫無氣孔、裂紋，力學(xué)性能達到銅母材的90％以上，鋁與碳鋼板可以實現(xiàn)連接。


圖1為本發(fā)明的焊接方法指示2為本發(fā)明的鋼或鋁對接接頭激光焊接示意圖具體實施方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
實施例1本實施例的銅與碳鋼的異種金屬連接方法如圖1所示，采用斜端面的對接接頭形式5，使激光束2能量能夠首先被低反射率的碳鋼件1所吸收并使碳鋼首先熔化；當(dāng)形成小孔時，激光再與銅或鋁4接觸，小孔對其中的激光存在壁聚焦效應(yīng)，通過小孔效應(yīng)將吸收的能量傳遞到銅或鋁板一側(cè)，使銅板熔化，從而形成完整的異種金屬焊縫3。
本實施例材料為T2銅和Q235碳鋼，板厚各為5mm，板加工如圖2所示將T2銅側(cè)端面加工成97°，Q235鋼側(cè)端面加工成83°，即α＝83°，采用CO2激光器，輸出功率為6.5Kw，焦點調(diào)至工件表面下方2mm處，焊接速度為1m/min。將兩種材料對接，激光束偏置于鋼一側(cè)，碳鋼板一側(cè)的距離從對接接頭中心線d＝1.2mm，試件尺寸為100×30×5mm。
本實施結(jié)果表明焊縫的宏觀表明無宏觀缺陷，焊縫內(nèi)部無氣孔、裂紋等缺陷，焊縫成形良好。焊接接頭抗拉強度達到189.038～219.512MPa。
實施例2本實施例連接方法同實施例1。
本實施例材料為T2銅和Q235碳鋼，板厚各為4mm，板加工如圖2所示將T2銅側(cè)端面加工成95°，Q235鋼側(cè)端面加工成85°，即α＝85°，采用CO2激光器，輸出功率為6.0Kw，焦點調(diào)至工件表面下方2mm處，焊接速度為1m/min。將兩種材料對接，激光束偏置于鋼一側(cè)，碳鋼板一側(cè)的距離從對接接頭中心線d＝1.0mm，試件尺寸為100×30×4mm。
本實施例結(jié)果表明焊縫的宏觀表明無宏觀缺陷，焊縫內(nèi)部無氣孔、裂紋等缺陷，焊縫成形良好。焊接接頭抗拉強度達到201.324～220.620MPa。
實施例3本實施例連接方法同實施例1。
本實施例材料為T2銅和Q235碳鋼，板厚各為8mm，板加工如圖2所示將T2銅側(cè)端面加工成100°，Q235鋼側(cè)端面加工成80°，即α＝80°，采用CO2激光器，輸出功率為9.5Kw，焦點調(diào)至工件表面下方4mm處，焊接速度為1m/min。將兩種材料對接，激光束偏置于鋼一側(cè)，碳鋼板一側(cè)的距離從對接接頭中心線d＝2.0mm，試件尺寸為100×30×8mm。
本實施例結(jié)果表明焊縫的宏觀表明無宏觀缺陷，焊縫內(nèi)部無氣孔、裂紋等缺陷，焊縫成形良好。焊接接頭抗拉強度達到178.442～202.716MPa。
權(quán)利要求
1.一種銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法，其特征在于，將銅或鋁與碳鋼板接頭設(shè)計成無坡口的斜端面接頭形式，焊接時，將激光光束焦點調(diào)節(jié)至被焊工件表面下方，并同時將激光光束向具備更好吸收率的碳鋼板一側(cè)偏置，進而使另一側(cè)銅或鋁得到加熱熔化。
2.如權(quán)利要求1所述的銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法，其特征是，具體方法步驟是(1)以銅或鋁與碳鋼面向激光光束照面為計算基準面，將銅或鋁一側(cè)端面加工成呈鈍角的斜面；(2)將碳鋼板另一側(cè)端面加工成銳角的斜面；(3)然后將加工好的兩種材料對接形成具有斜端面配合的對接接頭，在面向激光光束照射面上，碳鋼板式覆蓋在銅或鋁板上；(4)在進行焊接時，將激光光束焦點調(diào)至于被焊工件表面下方，且激光光束偏置于鋼板一側(cè)。
3.如權(quán)利要求1所述的銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法，其特征是，步驟(1)中，所述的鈍角，角度設(shè)計為95°-100°。
4.如權(quán)利要求1所述的銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法，其特征是，步驟(2)中，所述的銳角，角度設(shè)計為80°-85°。
5.如權(quán)利要求1或2所述的銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法，其特征是，所述的激光光束，偏置于碳鋼板一側(cè)，且距離對接接頭中心線為1mm-2mm。
6.如權(quán)利要求1或2所述的銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法，其特征是，所述的激光光束，是固體激光，或CO2氣體激光，或光纖激光。
7.如權(quán)利要求5所述的銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法，其特征是，所述的激光光束，是固體激光，或CO2氣體激光，或光纖激光。
8.如權(quán)利要求7所述的銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法，其特征是，所述的固體激光，是摻鋁石榴石激光器的激光。
全文摘要
本發(fā)明涉及的是一種異種金屬連接技術(shù)領(lǐng)域的銅或鋁與碳鋼激光對接焊接方法。方法為將銅或鋁與碳鋼板接頭設(shè)計成無坡口的斜端面接頭形式，焊接時，將激光光束焦點調(diào)節(jié)至被焊工件表面下方，并同時將激光光束向具備更好吸收率的碳鋼板一側(cè)偏置，進而使另一側(cè)銅或鋁得到加熱熔化。本發(fā)明僅僅改變銅或鋁與鋼板對接接頭的形式及相應(yīng)技術(shù)措施，采用單激光實現(xiàn)銅或鋁與鋼板接頭的對接。
文檔編號B23K33/00GK101073857SQ20071004230
公開日2007年11月21日 申請日期2007年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2007年6月21日
發(fā)明者黃堅, 姚成武, 蔡艷, 高志國, 吳毅雄 申請人:上海交通大學(xué)