一种激光焊接异种材料熔池冶金控制方法

摘要

一种激光焊接异种材料熔池冶金控制方法，本发明涉及熔池冶金控制方法。本发明要解决异种材料焊接时易产生金属间化合物，使得接头脆化，容易发生开裂的问题。方法：一、清洗；二、装配；三、焊接。本发明中提出的激光焊接异种材料焊缝横向位移控制技术，合适的光斑尺寸使得两种材料均能熔化，并形成同一熔池，熔池成分梯度较小，能够获得组织性能优异的异种材料接头。本发明用于激光焊接异种材料熔池冶金。

说明书

技术领域

本发明涉及熔池冶金控制方法。

背景技术

随着科技的发展，对各种结构件的设计要求越来越高，尤其在构件涉及到航空航天、汽车、船舶等行业。一方面要求设计的构件能够实现节能减排，即为轻量化；另一方面还要求构件能在更恶劣的环境中安全长期服役，即为性能优化。异种材料的焊接正被广泛应用，其原因正是因为异种材料的焊接使两种不同的材料各自的优点能得到最大化利用，能够同时满足上述两方面的要求。

异种金属材料焊接是解决构件同时满足多方面性能要求的有效途径。焊接方法有多种，比如氢弧焊(TIG)、电阻焊、摩擦焊、电子束焊以及激光焊等。与其他焊接方法相比，激光焊接技术相比传统焊接技术最大的优点之一是热源的可控性强，不仅能很好的控制热输入的大小、密度，更重要的是能控制能量的分布、位置。尤其是光纤激光器的应用，这种优异性更加明显。因此激光焊接技术是焊接异种材料的重要方法和常用方法之一。异种金属激光焊接始于20世纪70年代，目前成为航空航天、船舶制造、汽车制造诸领域重要的先进制造技术之一。异种金属激光焊接过程包含多种物理效应，具体表现为：金属材料对激光的吸收;激光材料相互作用引起的材料相变，能量与动量的传递与转换，光致等离子体对激光的散射与吸收，熔池形成及演化，匙孔(keyhole)效应以及熔池凝固等。从复杂物理现象中提取科学问题,并对这些科学问题开展研究工作具有重大意义。

但异种材料的焊接因两种材料热物性能的差异、焊接性的差异总会存在着一些问题，例如裂纹、焊缝组织变化。异种材料激光焊接机制复杂，涉及的因素有：焊接材料热物性随温度变化差异，异种金属对于激光的吸收率差异及其随温度变化特性，熔池形成及演化机制，凝固过程焊缝熔化区与热影响区组织演化，激光焊的化学成分变化，焊接残余应力与变形产生等。接异种有色金属时更为显著。异种材料焊接时易产生金属间化合物，使得接头脆化，容易发生开裂。

发明内容

本发明要解决异种材料焊接时易产生金属间化合物，使得接头脆化，容易发生开裂的问题，而提出的一种激光焊接异种材料熔池冶金控制方法。

一种激光焊接异种材料熔池冶金控制方法，具体是按照以下步骤完成的：

一、将待焊工件浸泡在丙酮中保持5min～8min，然后将待焊工件进行化学清洗，再用清水冲洗，烘干；

二、将经步骤一处理的待焊工件固定在工作台上，待焊工件焊接装配间隙小于待焊工件厚度的8%；

三、采用激光发生装置发射激光光束进行焊接，并采用激光辐照方式将待焊工件熔化，形成熔池；

其中，步骤三中激光功率为2kW～6kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.0m/min～6.0m/min，激光光束角度为8°～20°，焊接过程采用氩气保护，氩气纯度为99.99%，氩气流量为15L/min～30L/min；

步骤三中在焊接时，激光光束向熔点低一侧母材偏移，激光光束偏移量为0.1mm～0.8mm，激光倾斜角度与激光光束扫描方向相同。

本发明中提出的激光焊接异种材料焊缝横向位移控制技术主要体现在：

(1)激光光斑通过控制技术向异种对接材料一侧偏移一定横向位移；

(2)合适的光斑尺寸使得两种材料均能熔化，并形成同一熔池；

(3)光斑横向位移的大小取决于板厚以及两异种材料的合金成分，目的在于使得形成

的熔池成分梯度较小，组织合理，性能优化；光斑横向位移的方向，即向哪种材

料偏移取决于两材料的焊接性和热物性能以及需要得到的组织性能要求。

本发明的有益效果是：本发明以激光为热源，采用正离焦，离焦量以获得合适光斑大小为根据，焊接模式为深熔焊，接头形式为不开坡口对接。本方法充分发挥激光可控的优势，通过向异种对接材料的一侧横向偏移一定位移来优化异种材料对接接头组织性能。

本方法通过激光在对接焊缝横向位移控制来调节异种材料的熔化比例，优化异种材料激光焊接过程中焊接熔池的冶金行为。该方法充分发挥激光能量密度高、热输入精密可控的优势，基于被焊异种材料的热物性参数以及异种材料之间的冶金特性，通过调控异种材料的熔化比例来改变激光焊接熔池成分，解决由于熔池凝固过程金属间化合物形成而引起的接头脆化问题，同时能够改善异种材料焊接过程中材料性能差异对焊接熔池的形成、演化机制以及熔池凝固过程焊接缺陷及残余应力形成。本发明中提出的激光焊接异种材料焊缝横向位移控制技术，合适的光斑尺寸使得两种材料均能熔化，并形成同一熔池，熔池成分梯度较小，能够获得组织性能优异的异种材料接头。

本发明用于激光焊接异种材料熔池冶金。

附图说明

图1为本发明一种激光焊接异种材料熔池冶金控制方法焊接异种材料焊缝横向位移控制方法示意图，图中1为激光头；2为激光束；3为光斑；4为对接焊缝中心线；5为母材A；6为焊缝；7为母材B；

图2为本发明一种激光焊接异种材料熔池冶金控制方法焊接具有相同基体的异种材料时横向位移控制方法示意图，图中1为激光头；2为激光束；3为光斑；4为对接焊缝中心线；5为母材A；6为母材A中的合金元素；7为焊缝；8为母材B；9为母材B中的合金元素；

图3为实施例二焊接TC4-BT22异种钛合金横截面金相照片；

图4为实施例二焊接TC4-BT22异种钛合金横截面显微硬度分布谱图。

具体实施方式

本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。

具体实施方式一：本实施方式一种激光焊接异种材料熔池冶金控制方法，具体是按照以下步骤完成的：

一、将待焊工件浸泡在丙酮中保持5min～8min，然后将待焊工件进行化学清洗，再用清水冲洗，烘干；

二、将经步骤一处理的待焊工件固定在工作台上，待焊工件焊接装配间隙小于待焊工件厚度的8%；

三、采用激光发生装置发射激光光束进行焊接，并采用激光辐照方式将待焊工件熔化，形成熔池；

其中，步骤三中激光功率为2kW～6kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为1.0m/min～6.0m/min，激光光束角度为8°～20°，焊接过程采用氩气保护，氩气纯度为99.99%，氩气流量为15L/min～30L/min；

步骤三中在焊接时，激光光束向熔点低一侧母材偏移，激光光束偏移量为0.1mm～0.8mm，激光倾斜角度与激光光束扫描方向相同。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中待焊工件为钛合金时，化学清洗方法为：将待焊工件在室温条件下放入硝酸、氢氟酸和水质量比为4∶1∶5的酸性溶液中，酸洗3min～7min，然后清水冲洗；烘干温度为：120℃；烘干时间为：30min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中待焊工件为铝合金时，化学清洗方法为：将待焊工件在温度为40℃～50℃条件下放入质量浓度为5%～8%的氢氧化钠水溶液中，碱洗4min～10min，然后清水冲洗，再放入质量浓度为20%～30%的硝酸溶液中浸泡2min～4min，然后清水冲洗；烘干温度为80℃；烘干时间为30min。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中激光光束类型为：C0₂气体激光光束、Nd:YAG固体激光光束、半导体激光光束或光纤激光光束。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中激光功率为3kW～5kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为2.0m/min～4.0m/min，激光光束角度为9°～15°。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：步骤三中激光功率为4kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为3.0m/min，激光光束角度为10°。其它与具体实施方式一至五之一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三中激光光束偏移量为0.3mm～0.7mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：步骤三中激光光束偏移量为0.5mm。其它与具体实施方式一至七之一相同。

采用以下实施例和对比实验验证本发明的有益效果：

实施例一：

本实施例一种激光焊接异种材料熔池冶金控制方法，具体是按照以下步骤完成的：

一、将待焊工件浸泡在丙酮中保持6min，然后将待焊工件进行化学清洗，再用清水冲洗，烘干；

二、将经步骤一处理的待焊工件固定在工作台上，待焊工件焊接装配间隙小于待焊工件厚度的8%；

三、采用激光发生装置发射激光光束进行焊接，并采用激光辐照方式将待焊工件熔化，形成熔池；

其中，步骤一中待焊工件为铝合金，化学清洗方法为：将待焊工件在温度为42℃条件下放入质量浓度为6%的氢氧化钠水溶液中，碱洗5min，然后清水冲洗，再放入质量浓度为23%的硝酸溶液中浸泡3min；烘干温度为80℃；烘干时间为30min；

步骤三中激光功率为4kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为3.0m/min，激光光束角度为10°，焊接过程采用氩气保护，氩气纯度为99.99%，氩气流量为20L/min；

步骤三中在焊接时，激光光束向熔点低一侧母材偏移，激光光束偏移量为0.5mm，激光倾斜角度与激光光束扫描方向相同。

实施例二：

本实施例一种激光焊接异种材料熔池冶金控制方法，具体是按照以下步骤完成的：

一、将待焊工件浸泡在丙酮中保持6min，然后将待焊工件进行化学清洗，再用清水冲洗，烘干；

二、将经步骤一处理的待焊工件固定在工作台上，待焊工件焊接装配间隙小于待焊工件厚度的8%；

三、采用激光发生装置发射激光光束进行焊接，并采用激光辐照方式将待焊工件熔化，形成熔池；

其中，步骤一中待焊工件为钛合金时，化学清洗方法为：将待焊工件在室温条件下放入硝酸、氢氟酸和水质量比为4∶1∶5的酸性溶液中，酸洗3min～7min；烘干温度为：120℃；烘干时间为：30min；

步骤三中激光功率为4kW，光斑直径为0.3mm，焊接速度为3.0m/min，激光光束角度为10°，焊接过程采用氩气保护，氩气纯度为99.99%，氩气流量为20L/min；

步骤三中在焊接时，激光光束向熔点低一侧母材偏移，激光光束偏移量为0.5mm，激光倾斜角度与激光光束扫描方向相同。

本实施例焊接TC4-BT22异种钛合金横截面金相照片如图3所示；横截面显微硬度分布谱图如图4所示。