專利名稱：一種異種合金激光深熔釬焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種異種合金的激光深熔釬焊方法，屬激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代工業(yè)對構(gòu)件性能提出了更高、更苛刻的要求，除常規(guī)力 學(xué)性能之外，還要求有高溫強度、耐磨性、耐腐蝕性、低溫韌性、抗輻照性、磁性、導(dǎo)電性、導(dǎo) 熱性等多方面的性能，同時處于經(jīng)濟節(jié)能方面的考慮，要求更加廉價、輕質(zhì)。單種金屬材料 很難同時滿足這些使用要求，即使可能有某種金屬材料相對理想，也常由于十分稀缺、價格 昂貴，不能大量使用。同時整個設(shè)備采用貴重金屬制造，不但生產(chǎn)工藝過程復(fù)雜，造價提高， 更重要的是可能造成材料浪費，不符合節(jié)約型社會發(fā)展要求。異種材料焊接構(gòu)件的特點是 能夠最大限度地利用材料的各自優(yōu)點，收到“物盡其用”的效果。不僅能滿足不同工作條件 對材質(zhì)的不同要求，而且能節(jié)約貴重金屬，降低結(jié)構(gòu)整體成本，充分發(fā)揮不同材料的性能優(yōu) 勢。在航空航天方面，飛機機艙的散熱片就是將3003鋁合金葉片焊接到鈦合金管上 制成的；美制NASA YF-12戰(zhàn)斗機機翼采用了蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，將鈦合金蒙皮和翼盒中鋁合金 蜂窩夾層連接起來，采用這樣設(shè)計，飛機既節(jié)約了生產(chǎn)成本，同時還減輕了飛機重量，提高 了抗疲勞性能。在汽車行業(yè)，德國德意志Titan公司已經(jīng)開發(fā)出來一種汽車鋼/鋁排氣系 統(tǒng)，和鋼制排氣系統(tǒng)相比重量減輕40%。在制冷行業(yè)，以冰箱為代表，其制冷熱交換器采用 鋁/銅焊接復(fù)合結(jié)構(gòu)，其重量和成本都大幅度下降，從而受到廣發(fā)的應(yīng)用。但是異種金屬之間的焊接受互溶性及形成金屬間化合物等問題的制約，存在很大 的困難。當(dāng)兩種金屬不具備完全的互溶性或者物理化學(xué)性能相差很大時，會產(chǎn)生脆性的金 屬間化合物和共晶體。如果金屬間化合物以極細(xì)的夾雜物形式的分布在合金晶粒之間，則 可能完全無害；而如果以帶狀或針狀出現(xiàn)在晶粒之間，或兩種金屬之間出現(xiàn)中間過渡層，就 有造成金屬脆性斷裂的危險。以鋁/鈦、鋁/鋼異種金屬焊接為例，兩種金屬物理化學(xué)性質(zhì) 差別很大，同時在室溫下不滿足互溶性條件，在焊接時兩種合金的接觸面上形成金屬間化 合物，而且其生長速度很快，控制不當(dāng)將布滿整個接頭，金屬間化合物具有低的延伸性和易 斷裂性能，表現(xiàn)出強烈的應(yīng)力集中傾向，會導(dǎo)致迅速脆性斷裂。因此，如何控制脆性金屬間 化合物生長，或者改變生成的化合物的形態(tài)及分布將成為解決異種金屬焊接問題的關(guān)鍵。目前異種材料的連接方法主要有釬焊、擴散焊、摩擦焊等。傳統(tǒng)方法工藝復(fù)雜，條 件苛刻，而且得到的焊縫力學(xué)性能不高。和傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊接具有能量密度 高，定位精確，焊接過程熱輸入量集中熱影響小，焊接作用時間短，可以有效抑制金屬間化 合物脆性相的生成。激光焊接的實現(xiàn)方式主要有激光熔焊、激光熔釬焊以及激光深熔釬焊等。采用激光熔焊時，為了避免或減少兩種液態(tài)金屬混合形成金屬間化合物的影響。 采用在異種金屬之間添加金屬箔作為中間層，這樣可以獲得成型良好、無裂紋的接頭，但是 接頭的強度不高且存在較大的離散性。激光熔釬焊是利用兩種母材之間熔點的差異，散焦的激光作用在高熔點母材處，高熔點母材保持固態(tài)，通過熱傳導(dǎo)熔化低熔點母材，形成熔釬 焊接接頭。此方法避免了熔焊時兩種金屬液相混合而生成脆性金屬間化合物，但是由于采 用熱傳導(dǎo)模式焊接，受熱傳導(dǎo)的限制，激光熔釬焊方法僅適合于焊接薄板，同時由于熱導(dǎo)模 式下金屬材料對激光的吸收率低，激光能量的利用率和焊接效率不高、工藝窗口狹窄。激光 深熔釬焊是采用聚焦的激光直接作用在低熔點的合金一側(cè)，使低熔點母材實現(xiàn)深熔焊接， 同時熔化的母材作為釬料與未熔化的高熔點母材形成釬接接頭。這種避免了兩種金屬液態(tài) 混合形成大量金屬間化合物，但是這種焊接方法的焊接過程穩(wěn)定性及焊縫成型較差，容易 在界面出現(xiàn)未熔合現(xiàn)象，影響接頭的機械性能。

發(fā)明內(nèi)容
針對上述問題，本發(fā)明的目的在于采用高功率、高光束質(zhì)量的激光束，開發(fā)一種高 效、高質(zhì)量的異種合金激光深熔釬焊方法。采用聚焦的激光束作用在高熔點母材一側(cè)實現(xiàn) 深熔，并在熔池和界面處控制形成一定厚度的高熔點母材固態(tài)中間層，通過高熔點母材固 態(tài)中間層熱傳導(dǎo)使低熔點母材熔化，液態(tài)的低熔點金屬鋪展浸潤高熔點母材界面，實現(xiàn)異 種合金的連接。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明一種異種合金激光深熔釬焊方法的技術(shù)方案是包括以下 步驟焊接時，聚焦的激光束⑴作用在高熔點母材(5) —側(cè)實現(xiàn)深熔焊接；控制激光束 (1)與界面(6)在高熔點母材表面上的距離d以及激光束(1)與法線的夾角θ，在高熔點 母材側(cè)靠近界面(6)處形成高熔點母材固態(tài)中間層(2)，通過高熔點母材固態(tài)中間層(2)的 熱傳導(dǎo)使低熔點母材(4)熔化，熔化的低熔點母材層(3)鋪展浸潤高熔點母材(5)，實現(xiàn)異 種合金的激光深熔釬焊連接。所述的激光束(1)與界面(6)在高熔點母材表面上的距離d為0. 5-1. 2mm，激光束 (1)與法線夾角為0-12°。所述的高熔點母材為鋼、鈦合金，低熔點母材為鋁合金、鎂合金。本發(fā)明的基本原理是對于產(chǎn)生金屬間化合物鋁/鋼、鋁/鈦、鎂/鋼、鎂/鈦異種合金接頭，焊接過程 中，采用具有高光束質(zhì)量的高功率激光束，聚焦的激光束作用在熔點較高的母材一側(cè)實現(xiàn) 深熔焊接；同時調(diào)整激光能量入射角度以及偏移量，控制激光能量輸入，使高熔點母材側(cè)的 熔池和界面之間保留一定厚度的固態(tài)中間層，通過高熔點母材固態(tài)中間層熱傳導(dǎo)使低熔點 母材熔化，液態(tài)的低熔點母材鋪展浸潤高熔點母材界面，實現(xiàn)異種合金的深熔釬焊。采用本發(fā)明的焊接方法，焊接過程中高熔點母材的熔化是通過激光深熔焊接模式 實現(xiàn)的，與基于熱傳導(dǎo)模式的激光深熔釬焊相比，激光能量利用率、焊接效率得到明顯提 高，同時可以實現(xiàn)具有一定厚度的異種合金板材的焊接。同時，聚焦激光束作用在高熔點母 材一側(cè)，使高熔點合金實現(xiàn)深熔焊接，提高了焊縫成形質(zhì)量與焊接過程穩(wěn)定性。焊接時通過調(diào)節(jié)激光束與界面之間的距離，控制高熔點母材側(cè)固態(tài)間層厚度的變 化，繼而實現(xiàn)了對低熔點母材一側(cè)熱輸入量的調(diào)節(jié)。試驗結(jié)果表明若激光束與界面之間的 距離小于0. 5mm時，偏移量過小，高熔點母材中間固態(tài)層易被熔化，與液態(tài)低熔點母材發(fā)生 劇烈反應(yīng)，產(chǎn)生大量的金屬間化合物；若偏移量大于1.2mm，偏移量過大，熱量在熱傳導(dǎo)過程中損耗過大，不能實現(xiàn)低熔點母材的熔化，從而無法形成有效連接。焊接時，液態(tài)的低熔 點金屬浸潤的為固態(tài)的高熔點母材界面，這就避免了界面處兩種金屬液態(tài)混合生成復(fù)雜脆 性金屬間化合物對接頭質(zhì)量的影響。另外，通過偏轉(zhuǎn)激光入射角度，使界面垂直方向的能量分布均勻，改善深熔釬焊中 界面下部能量較小對液態(tài)低熔點母材浸潤性的影響，可實現(xiàn)一定厚度板材的深熔釬焊。由 于激光束與界面之間的距離不能超過1. 2mm,在激光束與法線夾角大于12°時，激光的能 量在焊縫下部直接作用在兩種合金界面，造成兩種合金一并熔化，不能控制脆性金屬間化 合物的形成。綜上所述，本發(fā)明所述的一種異種合金激光深熔釬焊方法，采用高光束質(zhì)量的激 光束實現(xiàn)一定厚度的異種合金板材的焊接，焊接工藝簡單，焊接效率、激光能量利用率高， 焊接過程穩(wěn)定性大大改善，較好的抑制了界面處金屬間化合物的產(chǎn)生，提高了界面處液態(tài) 低熔點金屬的鋪展浸潤能力，實現(xiàn)了良好的焊縫成形。同時，焊接不需要添加釬料，降低了 環(huán)境污染并節(jié)約了成本。


圖1 異種合金激光深熔釬焊焊接過程示意圖其中1.激光束、2.高熔點母材固態(tài)中間層、3.低熔點母材側(cè)的熔化層、4.低熔點 母材、5.高熔點母材、6.界面、d.激光束(1)與界面(6)的距離、θ激光束(1)與其法線夾圖2、采用本發(fā)明實施例1焊接的鋁合金_鈦合金焊縫橫截面成型圖。圖3 采用本發(fā)明實施例2焊接的鋁合金_鈦合金焊縫橫截面成型圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明做進一步說明。焊接時，聚焦的激光束⑴作用在高熔點母材(5) —側(cè)實現(xiàn)深熔焊接；控制激光束 (1)與界面(6)在高熔點母材表面上的距離d以及激光束(1)與法線的夾角θ，在高熔點 母材側(cè)靠近界面(6)處形成高熔點母材固態(tài)中間層(2)，通過高熔點母材固態(tài)中間層(2)的 熱傳導(dǎo)使低熔點母材(4)熔化，熔化的低熔點母材層(3)鋪展浸潤高熔點母材(5)，實現(xiàn)異 種合金的激光深熔釬焊連接。所述的激光束(1)與界面(6)在高熔點母材表面上的距離d為0. 5-1. 2mm，激光束 (1)與法線夾角為0-12°。實例1、采用波長1070nm的光纖激光器，聚焦激光束(1)垂直入射在鈦合金一側(cè)， 激光束(1)與界面(6)的距離d為0. 6mm。鋁合金材料為6061，鈦合金TC4，厚度3mm ；激 光功率3100W。圖2為以上參數(shù)焊縫的橫截面圖，焊縫界面上部生成的金屬間化合物層最 大厚度為10 μ m，下部金屬間化合物基本沒有。實例2、采用波長1070nm的光纖激光器，聚焦激光束(1)傾斜入射在鈦合金一側(cè)， 其中激光束與法線夾角6°，激光束(1)與界面(6)的距離d為0. 6mm。鋁合金材料為6061， 鈦合金TC4，厚度3mm ；激光功率3100W。圖3為以上參數(shù)焊縫的橫截面成型圖，焊縫界面 生成均勻的金屬間化合物層，厚度約為5 μ m。
由圖2、3可以看出采用本發(fā)明所得焊縫無裂紋、氣孔等明顯缺陷，焊接過程穩(wěn)定， 同時由于界面處的鈦合金存在固態(tài)中間層，避免了兩種金屬液態(tài)混合產(chǎn)生較厚的金屬間化 合物層，接頭性能得到改善。
權(quán)利要求
1.一種異種合金激光深熔釬焊方法，其特征在于，包括以下步驟焊接時，聚焦的激光 束(1)作用在高熔點母材( 一側(cè)實現(xiàn)深熔焊接；控制激光束(1)與界面(6)在高熔點母 材表面上的距離d以及激光束(1)與法線的夾角θ，在高熔點母材側(cè)靠近界面(6)處形成 高熔點母材固態(tài)中間層O)，通過高熔點母材固態(tài)中間層O)的熱傳導(dǎo)使低熔點母材(4) 熔化，熔化的低熔點母材層C3)鋪展浸潤高熔點母材(5)，實現(xiàn)異種合金的激光深熔釬焊連 接。
2.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的激光束(1)與界面(6)在高熔點母材表 面上的距離d為0. 5-1. 2mm，激光束(1)與法線夾角為0-12°。
3.按照權(quán)利要求1的方法，其特征在于，所述的高熔點母材為鋼、鈦合金，低熔點母材為招合金、鏡合金。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種異種合金激光深熔釬焊方法，屬激光材料加工技術(shù)領(lǐng)域。焊接時，聚焦的激光束(1)作用在高熔點母材(5)一側(cè)實現(xiàn)深熔焊接；控制激光束(1)與界面(6)在高熔點母材表面上的距離d以及激光束(1)與法線的夾角θ，在高熔點母材側(cè)靠近界面(6)處形成高熔點母材固態(tài)中間層(2)，通過高熔點母材固態(tài)中間層(2)的熱傳導(dǎo)使低熔點母材(4)熔化，熔化的低熔點母材層(3)鋪展浸潤高熔點母材(5)，實現(xiàn)異種合金的激光深熔釬焊連接。激光能量利用率、焊接效率得到明顯提高，同時可以實現(xiàn)具有一定厚度的異種合金板材的焊接。避免了界面處兩種金屬液態(tài)混合生成復(fù)雜脆性金屬間化合物對接頭質(zhì)量的影響。
文檔編號B23K1/005GK102145420SQ20111009069
公開日2011年8月10日 申請日期2011年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月12日
發(fā)明者肖榮詩, 董鵬, 陳凱華 申請人:北京工業(yè)大學(xué)