專利名稱：一種利用激光壓力焊制造多層復(fù)合金屬板的方法及裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于復(fù)合金屬板制造技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種利用激光壓力焊制造多層復(fù)合 金屬板的方法及裝置。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的發(fā)展和各種新技術(shù)、新產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)，人們對材料性能的要求 日益增高，在某些工況條件下單層材料的性能已經(jīng)很難滿足要求。通過各種不同連接方法 將不同金屬材料復(fù)合為一體，制備成金屬復(fù)合板，得到單層金屬材料所不具有的物理、化學(xué) 性能以及力學(xué)特性，滿足高強度、高比剛度、抗疲勞性、尺寸穩(wěn)定、耐磨、抗振等性能的要求， 同時大大節(jié)省稀貴材料，降低成本，已廣泛應(yīng)用于化工、電力、機械、船舶、航空等領(lǐng)域。例如，要求具備抗腐蝕能力的壓力容器，以采用不銹鋼制造為宜，但成本較高。如 果采用普通碳素鋼與不銹鋼復(fù)合而成的復(fù)合板制造這類壓力容器，不銹鋼板的厚度僅需為 整體厚度的2%-10%，這樣不僅達(dá)到了壓力容器的抗腐蝕性能，而且大大降低了成本。另 夕卜，對于銅、鎳、鉻、鋯、鈦等價格昂貴的稀缺金屬，若使用雙層或多層復(fù)合材料則能大大節(jié) 省資源。因此，研究和制備新型復(fù)合材料成了材料科學(xué)與工程領(lǐng)域中一個重要的發(fā)展方 向，開發(fā)研制新型金屬基復(fù)合材料具有十分緊迫的現(xiàn)實意義，也必將帶來顯著的經(jīng)濟效益 和社會效益。爆炸焊接、軋制、爆炸+軋制復(fù)合法是目前3種主要的層狀金屬復(fù)合板的生產(chǎn)方 法。爆炸復(fù)合是將基板平放在一個平坦堅固的工作臺上，將復(fù)層板以一定角度置于基 層板的上方，并將炸藥布置在復(fù)層板上方，為防止較薄的復(fù)層板損壞，常常在炸藥和復(fù)層板 之間墊上一層金屬或其它材料的緩沖板。通過引爆炸藥產(chǎn)生的高強化學(xué)能驅(qū)動復(fù)層板對基 層板產(chǎn)生極強的高速斜碰撞，碰撞點產(chǎn)生的瞬間高壓不僅破壞了金屬板表層的氧化薄膜， 露出了新鮮的表面，而且在露出新鮮金屬表面上形成了一薄層具有塑性變形、熔化、擴散以 及波形特征的焊接過渡區(qū)，從而使兩板間界面達(dá)到原子間的結(jié)合，達(dá)到具有一定剪切強度 的復(fù)合材料。軋制復(fù)合法是指金屬板在受到軋機施加于其上強大壓力的作用下，在兩層金屬的 待復(fù)合表面發(fā)生塑性變形，使表面金屬層破裂。隨后，潔凈而活化的金屬層從破裂的金屬表 面露出，在強大壓力作用下，形成平面狀的冶金結(jié)合。在后續(xù)的熱處理過程中結(jié)合面繼續(xù)擴 大，形成穩(wěn)固結(jié)合。軋制復(fù)合與單金屬板軋制的根本區(qū)別在于，必須施以大的初始道次壓下 量，促使復(fù)合面的物理接觸。軋制復(fù)合又可分為熱軋復(fù)合和冷軋復(fù)合。對于生產(chǎn)較薄的((6mm)和對表面質(zhì)量要求較高的層狀金屬復(fù)合板則比較困難； 軋制復(fù)合法雖然可以生產(chǎn)不同厚度和表面質(zhì)量較高的層狀復(fù)合板，但是復(fù)合板的組元成份 和寬度受到軋機軋制能力限制。人們綜合這兩種生產(chǎn)方法的優(yōu)缺點后，采用爆炸復(fù)合法，即 先通過爆炸復(fù)合法制備較厚的復(fù)合板坯，再根據(jù)不同的要求，通過熱軋或冷軋或熱軋+冷軋的工藝軋制成所需的金屬復(fù)合板。上述三種復(fù)合板的制造方法都存在一些共同的缺點或各自的缺點①上述三種復(fù)合方法都不能連續(xù)化生產(chǎn)，只能單件生產(chǎn)，效率很低。②爆炸復(fù)合的影響因素很復(fù)雜，如炸 藥的型號和數(shù)量、復(fù)層板與基層板放置時的夾角和間距、緩沖材料的選擇等。因此，難以預(yù) 測各個因素的影響，難以規(guī)范化控制爆炸復(fù)合工藝，難以大量生產(chǎn)。③軋制復(fù)合需要復(fù)雜昂貴的軋制設(shè)備。激光焊接技術(shù)是20世紀(jì)60年代起發(fā)展起來的一種先進(jìn)的焊接方法，與傳統(tǒng)的焊 接方法相比，激光焊接效率高、變形小，可達(dá)性好，不受電磁干擾，不需真空，不產(chǎn)生X射線。 特別是隨著激光器輸出功率(據(jù)報導(dǎo)，目前可實際應(yīng)用的光纖激光器功率可達(dá)2萬W)、光束 質(zhì)量的不斷發(fā)展，為激光技術(shù)在材料加工方面的應(yīng)用不斷開拓新的領(lǐng)域，使利用激光技術(shù) 來制造多層金屬夾層板成為可能。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于制造多層金屬復(fù)合板的激光壓力焊接方法。本 方法通過特定的光學(xué)系統(tǒng)聚焦激光光斑并將線性光斑導(dǎo)入楔形焊接區(qū)，利用偏振光的布儒 斯特效應(yīng)，提高金屬板片對激光的吸收效率，借助于滾輪的壓力將兩層或多層板片疊焊在 一起，實現(xiàn)多層金屬板片的復(fù)合焊接，該方法適用于不同板厚、多層金屬復(fù)合板的制造。本發(fā)明的具體方案為一種利用激光壓力焊制造多層復(fù)合金屬板的方法，將激光束1利用柱面聚焦鏡3 聚焦成線性光斑并將聚焦后的線性光斑引導(dǎo)至焊接區(qū)，所述焊接區(qū)是由兩被復(fù)合的片4和 5在固定壓力滾輪6和可動壓力滾輪7的壓力作用下彎曲變形形成的楔形區(qū)域，移動頭2帶 動激光束在壓輪軸向的方向往復(fù)運動，移動頭2在壓輪軸向的往復(fù)運動與兩壓力輪6和7 的轉(zhuǎn)動組合，實現(xiàn)被復(fù)合的片4和5的激光壓力復(fù)合焊接；利用偏振光的布儒斯特效應(yīng)，調(diào) 節(jié)激光束的入射角度，提高被復(fù)合的片4和5對激光的吸收效率。本發(fā)明還公開一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，包括激光束1、移動頭2、柱面 聚焦鏡3、固定壓力滾輪6和可動壓力滾輪7，所述柱面聚焦鏡3聚焦激光束1成線性光斑 并將所述線性光斑引導(dǎo)至焊接區(qū)，所述焊接區(qū)是由兩被復(fù)合片4和5在固定壓力滾輪6和 可動壓力滾輪7的壓力作用下彎曲變形形成的楔形區(qū)域，激光束1、移動頭2、柱面聚焦鏡3 相對固定設(shè)置，所述移動頭2可在壓輪軸向的方向往復(fù)運動從而帶動線性光斑在兩被復(fù)合 的片4和5的焊接區(qū)移動；可動壓力滾輪7的轉(zhuǎn)軸8的位置相對于固定壓力滾輪可調(diào)，以適 應(yīng)不同厚度的復(fù)合片。本發(fā)明的優(yōu)點是使用激光焊接效率高、變形小，可達(dá)性好，不受電磁干擾，不需真 空，不產(chǎn)生X射線。


圖1為實施本發(fā)明的裝置的示意圖。
具體實施例方式參見圖1，左右兩片被復(fù)合片4和5，分別由左右送料裝置送進(jìn)，所述兩被復(fù)合片4和5分別由固定壓力滾輪6和可動壓力滾輪7施加以壓力，安裝在移動頭2上的柱狀聚焦鏡3將激光束1聚焦成線性光斑并將線性光斑導(dǎo)入焊接區(qū)，焊接區(qū)夾在被復(fù)合片4、5之間， 由機械導(dǎo)向裝置帶動移動頭2沿垂直于紙面即壓輪軸向的方向運動，從而帶動線狀激光束 在壓輪軸向的方向往復(fù)運動，在固定壓力滾輪6和可動壓力滾輪7的壓力作用下，實現(xiàn)兩板 片之間的復(fù)合焊接。固定壓力滾輪6和可動壓力滾輪7由電機帶動連續(xù)地轉(zhuǎn)動，依靠固定 壓力滾輪6和可動壓力滾輪7輪緣與左右兩片被復(fù)合片4和5表面的摩擦力帶動被復(fù)合片 4和5的不斷送進(jìn)，實現(xiàn)連續(xù)的掃描焊接。其中可動壓力滾輪7的轉(zhuǎn)軸8的位置相對于固定 壓力滾輪可調(diào)，能夠?qū)崿F(xiàn)對不同板厚的板片進(jìn)行復(fù)合焊接。利用偏振光的布儒斯特效應(yīng)，調(diào)節(jié)激光束的入射角度，可提高被復(fù)合片4和5對激 光的吸收效率。本發(fā)明的基本原理是利用一定的光學(xué)系統(tǒng)將激光束聚焦成線性光帶，利用金屬材 料表面對垂直偏振光的高反射特性，將激光光束導(dǎo)向具有特定幾何形狀的焊接區(qū)，使激光 能量在焊接區(qū)高效率地被吸收，使兩層金屬板表面極薄層的金屬加熱或者熔化，然后在壓 力的作用下實現(xiàn)材料的連接。
權(quán)利要求
一種利用激光壓力焊制造多層復(fù)合金屬板的方法，其特征在于將激光束(1)利用柱面聚焦鏡(3)聚焦成線性光斑并將聚焦后的線性光斑引導(dǎo)至焊接區(qū)，所述焊接區(qū)是由兩被復(fù)合的片(4)和(5)在固定壓力滾輪(6)和可動壓力滾輪(7)的壓力作用下彎曲變形形成的楔形區(qū)域，移動頭(2)帶動激光束在壓輪軸向的方向往復(fù)運動，移動頭(2)在壓輪軸向的往復(fù)運動與兩壓力輪(6)和(7)的轉(zhuǎn)動組合，實現(xiàn)被復(fù)合的片(4)和(5)的激光壓力復(fù)合焊接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于調(diào)節(jié)激光束的入射角度，利用偏振光的布 儒斯特效應(yīng)，提高被復(fù)合的片(4)和(5)對激光的吸收效率。
3.一種實現(xiàn)權(quán)利要求1所述方法的裝置，其特征在于包括激光束1、移動頭2、柱面聚 焦鏡3、固定壓力滾輪6和可動壓力滾輪7，所述柱面聚焦鏡(3)聚焦激光束1成線性光斑 并將所述線性光斑引導(dǎo)至焊接區(qū)，所述焊接區(qū)是由兩被復(fù)合的片(4)和(5)在固定壓力滾 輪(6)和可動壓力滾輪(7)的壓力作用下彎曲變形形成的楔形區(qū)域，所述移動頭(2)可帶 動線裝激光束在壓輪軸向的方向往復(fù)運動，可動壓力滾輪(7)的轉(zhuǎn)軸(8)的位置相對于固 定壓力滾輪可調(diào)。
全文摘要
本發(fā)明屬于復(fù)合金屬板制造技術(shù)領(lǐng)域，公開了一種利用激光壓力焊制造多層復(fù)合金屬板的方法及裝置。將激光束(1)利用柱面聚焦鏡(3)聚焦成線性光斑并將聚焦后的線性光斑引導(dǎo)至焊接區(qū)，焊接區(qū)是由兩被復(fù)合的片(4)和(5)在固定壓力滾輪(6)和可動壓力滾輪(7)的壓力作用下彎曲變形形成的楔形區(qū)域，移動頭(2)帶動線狀激光束在壓輪軸向的方向往復(fù)運動，選擇適當(dāng)?shù)囊苿宇^(2)在壓輪軸向的往復(fù)運動速度與兩壓力輪(6)和(7)的轉(zhuǎn)動速度組合，在可動壓力滾輪(7)適當(dāng)?shù)膲毫臀恢玫淖饔孟聦崿F(xiàn)被復(fù)合的片(4)和(5)的激光壓力復(fù)合焊接。使用激光焊接效率高、變形小，可達(dá)性好，不受電磁干擾，不需真空，不產(chǎn)生X射線。
文檔編號B23K101/16GK101823185SQ20091030072
公開日2010年9月8日 申請日期2009年3月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月6日
發(fā)明者房靈申, 甘洪巖, 谷侃鋒 申請人:中國科學(xué)院沈陽自動化研究所