本發(fā)明為雙光束激光深熔釬焊方法。雙光束激光深熔焊作為一種對(duì)傳統(tǒng)深熔釬焊的改良，屬于異種合金連接的激光加工領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

鋁及其鋁合金具有優(yōu)良的加工性及耐腐蝕的特點(diǎn)，在航空、航天、船舶、汽車等制造工業(yè)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。然而，鋼具有更高的強(qiáng)度、更優(yōu)良的加工及焊接性能,在制造業(yè)中始終處于主導(dǎo)地位。隨著越來(lái)越多的鋁及鋁合金結(jié)構(gòu)件在制造業(yè)中的應(yīng)用，鋼與鋁的連接成了人們所關(guān)注的熱點(diǎn)問題。

在船舶制造方面，越來(lái)越多的船舶通過采用鋁合金制造上層建筑，從而減少自身重量，降低重心，改善穩(wěn)定性，增加運(yùn)載能力。但是目前采用的鋼/鋁復(fù)合過渡接頭存在三個(gè)主要問題：1)鋼/鋁過渡接頭會(huì)增加船舶自身重量2)采用爆炸焊時(shí)，焊接溫度不能超過300℃，生產(chǎn)效率極低3)過渡接頭的制造成本很高，生產(chǎn)程序復(fù)雜。

激光焊接作為一種新型的焊接方式，擁有能量密度高、焊接速度快、熱輸入可控、焊接變形小等一系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了異種金屬焊接的理想方法之一。根據(jù)對(duì)激光能量吸收方式的不同可以分為激光深熔釬焊和激光熱導(dǎo)釬焊。激光熱導(dǎo)釬焊指材料只產(chǎn)生熔化，焊接熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞，激光作用在高熔點(diǎn)金屬一側(cè)，熱量通過熱傳導(dǎo)的方式傳遞加熱低熔點(diǎn)金屬，并使低熔點(diǎn)金屬釬接在高熔點(diǎn)金屬表面。由于受到熱傳導(dǎo)的限制，通常激光熱導(dǎo)釬焊用于薄板的焊接。激光深熔釬焊指聚焦光束作用于低熔點(diǎn)母材一側(cè)進(jìn)行深熔焊接，熔化的低熔點(diǎn)母材金屬在接頭界面處與高熔點(diǎn)母材通過合金元素的溶解與擴(kuò)散等相互作用而形成釬接接頭，由于激光深熔釬焊對(duì)激光能量利用率和焊接效率大大提高，且釬接界面不同部位溫度不受熱傳導(dǎo)限制，對(duì)于艦船用中厚板鋼/鋁的焊接具有很大的優(yōu)勢(shì)。

然而，單光束激光焊接過程中，由于單光束激光能量密度較大、能量分布較為集中等特點(diǎn)，使得在焊接過程中，材料汽化嚴(yán)重、焊接匙孔不穩(wěn)定、易產(chǎn)生氣孔，飛濺等缺陷，影響焊縫微觀結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能。不僅如此，在焊接過程中，采用單光束激光會(huì)導(dǎo)致焊接熔池的溫度場(chǎng)分布不均，焊接過程中溫度梯度較大。由于單光束激光熔釬焊在接頭界面處各位置的溫度梯度相差較大，使得金屬間化合物的厚度不均勻，其中過厚或過薄的金屬間化合物易出現(xiàn)裂紋，是接頭的薄弱點(diǎn)。

目前，為了改善單光束激光熔釬焊界面處的溫度梯度問題，研究人員采用了激光-電弧復(fù)合焊接的方式，發(fā)現(xiàn)采用MIG或TIG焊接能夠在一定程度上改善單光束激光焊接的溫度場(chǎng)分布。焊縫上部為激光和電弧綜合加熱區(qū)，但是下部仍主要為激光小孔效應(yīng)加熱。然而，研究發(fā)現(xiàn)雖然采用激光-TIG或MIG復(fù)合焊接能夠有效的改善接頭界面處溫度場(chǎng)分布，但界面中下部溫度場(chǎng)分布仍不均勻，導(dǎo)致界面處金屬間化合物成型不規(guī)則，厚度不均勻。

研究人員對(duì)單、雙光束激光的溫度場(chǎng)分布進(jìn)行了一定的研究，相比于單光束激光而言，雙光束激光的熱輸入增長(zhǎng)速率有所下降，到達(dá)峰值的時(shí)間延長(zhǎng)，在冷卻過程中，溫度梯度下降也更為平滑，有利于形成均勻的金屬間化合物，因此，雙光束激光通過改變焊接溫度場(chǎng)與熔池的流動(dòng)方式可以改善上述單光束激光存在的問題。不僅如此，在雙光束激光焊接同種金屬的研究中，雙光束激光焊接過程中具有許多工藝方面的優(yōu)勢(shì)：1)采用雙光束能夠擴(kuò)大匙孔，減少等離子氣體尺寸，從而提高焊接穩(wěn)定性，減少飛濺、凹坑和咬邊等缺陷，形成均勻美觀的焊縫。2)采用雙光束能夠改善熔池的流動(dòng)性，利于氣泡上浮，能夠有效的減少焊縫中的氣孔含量。3)焊接前先采用小功率光束預(yù)熱母材能夠有效地消除氧化膜及除去水分，防止在焊接過程中引入氫元素惡化焊縫性能。

雙光束激光焊接因其自身優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)已有用于異種合金焊接的研究報(bào)道，主要是針對(duì)薄板鎂/鋁和鋼/鋁異種合金的連接，通過雙光束激光改善填充焊絲的潤(rùn)濕鋪展性，增加填充金屬的鋪展面積，進(jìn)而產(chǎn)生良好成型的釬接接頭。此外，還發(fā)現(xiàn)采用雙光束激光焊接鋼/鋁薄板時(shí)，能夠擴(kuò)大熔寬，有助于焊縫成型，并且可以控制焊接溫度場(chǎng)和熔池流動(dòng)形式，能夠抑制金屬間化合物的生成。但是，已有的這些異種金屬薄板接頭為搭接形式，且在有填充材料的條件下進(jìn)行，主要針對(duì)汽車輕量化制造的工業(yè)領(lǐng)域，而對(duì)于船舶制造中的中厚板鋼/鋁異種合金的對(duì)接接頭的研究卻鮮有報(bào)道。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明針對(duì)目前艦船用中厚板(6mm以上)鋼/鋁異種合金高效、優(yōu)質(zhì)連接的需求，以及單一激光熔釬焊鋼/鋁異種合金存在的問題，提出一種適用于中厚板鋼/鋁異種合金高效、優(yōu)質(zhì)連接的雙光束激光深熔釬焊新方法。焊接過程中，采用分光鏡獲得兩束不同能量的激光，定義大功率激光光束作為主光束，小功率激光光束作為輔助光束。兩束光束串行排列，且兩束激光均作用于鋼側(cè)實(shí)現(xiàn)深熔，通過調(diào)控激光能量及工藝參數(shù)，使接頭界面處形成未熔化的鋼固態(tài)層，將固態(tài)鋼的熱量通過熱傳導(dǎo)，熔化鋁合金母材并且液態(tài)的鋁合金與鋼在界面處進(jìn)行釬接，形成規(guī)則均勻的釬焊接頭。

本發(fā)明雙光束激光深熔釬焊方法：包括以下步驟：焊接前對(duì)鋼(7)與鋁合金(1)進(jìn)行機(jī)械打磨，去除表面氧化物；將鋼(7)與鋁合金(1)需焊接在一起的面對(duì)接；焊接時(shí)，將雙光束激光中的主光束和輔助光束均作用于鋼(7)一側(cè)，同時(shí)主光束偏離鋼/鋁界面(3)(即鋼(7)與鋁合金(1)的界面)一定偏移量dp，使得主光束在鋼(7)一側(cè)實(shí)現(xiàn)深熔，同時(shí)調(diào)整工藝，通過控制雙光束激光與鋼/鋁界面(3)的偏移量dp，控制焊接熱輸入，使得焊接熔池與鋼/鋁界面之間形成一未熔化的鋼固態(tài)層(4)，焊接熱輸入通過鋼固態(tài)層(4)進(jìn)行傳導(dǎo)，使熱量傳輸?shù)戒X合金(1)一側(cè)，使鋁合金(1)熔化(2)并與鋼(7)進(jìn)行釬接；主光束和輔助光束前后排列，輔助光束的作用為焊前預(yù)處理或焊后熱處理，與主光束光斑之間保持一定距離d；輔助光束作為焊前預(yù)處理作用時(shí)，輔助光束在前，主光束在后；當(dāng)輔助光束作為焊后熱處理作用時(shí)，輔助光束在后，主光束在前。

本發(fā)明的雙光束激光深熔釬焊方法，在焊接熔池前有焊接保護(hù)氣進(jìn)行保護(hù)，在焊接的后方有背部保護(hù)氣保護(hù)。

主光束的功率大于輔助光束的功率，優(yōu)選主光束和輔助光束是同一激光束采用分光鏡同時(shí)獲得。

通過本發(fā)明采用雙光束激光深熔釬焊的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)中厚板鋼/鋁異種金屬的優(yōu)質(zhì)連接。

所述的雙光束激光熔釬焊方法中，優(yōu)選兩束激光的焦點(diǎn)中心間距為d＝3mm，采用串行排布方式，發(fā)明采用了輔助光束在前和輔助光束在后兩種焊接方式，激光垂直入射鋼母材表面，聚焦在鋼一側(cè)。采用雙光束激光能夠改善鋁合金的潤(rùn)濕鋪展性，使其能夠更好的與鋼母材進(jìn)行釬接，改善金屬間化合物的不均勻性，提高焊縫質(zhì)量。

采用輔助光束在前時(shí)，輔助光束對(duì)鋼和鋁合金有一個(gè)預(yù)熱過程，使得當(dāng)主光束實(shí)現(xiàn)深熔時(shí)，鋼母材對(duì)激光的吸收率更大，積累的熱量也更易于形成較寬的匙孔。在焊接過程中，匙孔較寬可以使等離子氣體更好的析出，增強(qiáng)匙孔穩(wěn)定性，使熱量傳導(dǎo)更加穩(wěn)定、均勻。當(dāng)采用輔助光束在后時(shí)，輔助光束可以延長(zhǎng)熔池存在的時(shí)間，在主光束焊接完成后，增加液態(tài)鋁合金的潤(rùn)濕鋪展時(shí)間，增加鋁合金的熔化量，大大提高鋁合金的鋪展性，提高釬接質(zhì)量。

采用雙光束激光深熔釬焊的方法進(jìn)行焊接時(shí)，兩束激光不直接作用于鋼/鋁異種金屬界面處，通過主光束對(duì)鋼母材進(jìn)行深熔焊接，能夠有效的利用激光功率形成小孔，能夠滿足鋼/鋁異種金屬艦船用中厚板的焊接需求。同時(shí)，熱輸入通過鋼固態(tài)層進(jìn)行傳導(dǎo)并熔化鋁合金母材。采用這種方法，在焊接過程中可以有效的控制熱輸入，防止焊縫處由于熱輸入較大而產(chǎn)生較厚的金屬間化合物層，保障了焊縫的力學(xué)性能。其次，本發(fā)明的創(chuàng)新在于采用了雙光束激光對(duì)異種金屬進(jìn)行深熔釬焊。通過采用輔助光束進(jìn)行焊前預(yù)處理或焊后熱處理，有效地改善了鋁合金母材的潤(rùn)濕鋪展性，改善了焊接過程中匙孔的穩(wěn)定性，減少了焊接過程中飛濺、氣孔等一系列問題。鋼固態(tài)層熱傳導(dǎo)更加均勻、穩(wěn)定，使鋁合金母材能夠更好的與鋼母材進(jìn)行釬接。采用雙光束激光改變了焊接溫度場(chǎng)，從而改善金屬間化合物層的不均勻性，提高焊縫質(zhì)量，增強(qiáng)了焊縫的力學(xué)性能。本方法不采用釬劑，僅采用改良工藝的方法有效的抑制了脆性金屬間化合物的生成，提高了鋼、鋁焊縫質(zhì)量，更加適宜實(shí)際生產(chǎn)需求。

附圖說(shuō)明

圖1：鋁/鋼異種合金雙光束激光深熔釬焊原理圖；

其中：1為鋁合金，2鋼與鋁界面的釬接區(qū)，3為鋼/鋁異種金屬界面，4鋼固態(tài)層，5輔助光束(主光束)，6主光束(輔助光束)，7為鋼，8為雙光束激光深熔焊縫金屬，9為焊接保護(hù)氣，10為背保護(hù)氣，d為兩束激光焦點(diǎn)間距,dp 為焊接偏移量；

圖2：為采用輔助光束在前的鋁/鋼異種合金焊接實(shí)例。

圖3：為采用輔助光束在后的鋁/鋼異種合金焊接實(shí)例。

具體實(shí)施方式

焊接前對(duì)鋼7與鋁1進(jìn)行機(jī)械打磨，去除表面氧化物。焊接時(shí)，將雙光束5、6作用于鋼7一側(cè)，主光束在鋼一側(cè)實(shí)現(xiàn)深熔，同時(shí)調(diào)整工藝，通過控制激光束與鋼/鋁界面3的偏移量dp，控制焊接熱輸入。焊接熔池與鋼/鋁界面之間為鋼固態(tài)層4。焊接熱輸入通過鋼固態(tài)層4進(jìn)行傳導(dǎo)，使熱量傳輸?shù)戒X合金1一側(cè)，使鋁合金熔化2并與鋼進(jìn)行釬接。輔助激光的作用為焊前預(yù)處理或焊后熱處理，與主光束光斑之間保持一定距離d，輔助光束作為焊前預(yù)處理作用時(shí)，輔助光束5在前，主光束6在后。當(dāng)輔助光束作為焊后熱處理作用時(shí)，輔助光束6在后，主光束5在前。通過采用雙光束激光深熔釬焊的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)艦船用中厚板鋼/鋁異種金屬的優(yōu)質(zhì)連接。

實(shí)例1：采用IPG公司生產(chǎn)的YLS-6000光纖激光器，激光波長(zhǎng)為1070nm,雙光束激光距離鋼、鋁界面層的偏移量為0.6mm，焊接速度為1.0m/min，離焦量為0mm。雙光束激光聚焦在鋼板一側(cè)。試驗(yàn)采用的母材為6mm的5083船用鋁合金板和6mm厚的Q235鋼板，試樣尺寸為150mm。雙光束激光采用的總功率為3250W其中兩光束能量配比為250W:3000W。圖2為采用小功率在前進(jìn)行焊前預(yù)處理的焊接實(shí)例圖?？梢园l(fā)現(xiàn)，鋁、鋼界面結(jié)合平齊。界面處部分區(qū)域金屬間化合物不均勻性得到改善，金屬間化合物厚度為5.02μm，有效的抑制了金屬間化合物的生長(zhǎng)。界面間硬度值為714.6HV，有效的降低了界面處的脆性，有利于提高接頭的抗拉強(qiáng)度。

實(shí)例2：采用IPG公司生產(chǎn)的YLS-6000光纖激光器，激光波長(zhǎng)為1070nm,雙光束激光距離鋼、鋁界面層的偏移量為0.6mm，焊接速度為1.0m/min，離焦量為0mm。雙光束激光聚焦在鋼板一側(cè)。試驗(yàn)采用的母材為6mm的5083船用鋁合金板和6mm厚的Q235鋼板，試樣尺寸為150mm。雙光束激光采用的總功率為3250W其中兩光束能量配比為250W:3000W。試驗(yàn)采用小功率激光在后進(jìn)行焊后熱處理作用。圖3為其焊接實(shí)例圖。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)小功率做焊后熱處理時(shí)，焊縫成型良好，增加了液態(tài)鋁合金的生成量，通過延長(zhǎng)鋁合金潤(rùn)濕鋪展時(shí)間，提高了釬接質(zhì)量。金屬間化合物相對(duì)均勻，界面連續(xù)，平齊，金屬間化合物為6.2μm，接頭硬度值為718.5HV,不僅抑制了化合物的產(chǎn)生，還降低了焊縫的脆性，有效的提高了焊縫質(zhì)量。