一种基于激光增材制造技术的激光连接方法

摘要

一种基于激光增材制造技术的激光连接方法，它涉及一种特种材料的焊接连接方法。本发明利用激光沉积的方法在两连接材料的焊缝之间根据激光増材制造的原理，通过逐层堆积的方法形成一个类似于两母材之间焊缝形状的新材料，利用所形成的新材料来连接两母材的新方法。本发明可以改善焊缝冶金成分和接头性能，实现近净成形连接，极大地节省材料，降低成本，控制焊接缺陷，自动化程度高、易操作。以光纤激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或CO2激光器为核心，并辅以送粉装置、保护气系统、冷却系统等，整个系统自动化水平高，可实现全程计算机控制，操作步骤简单，易于实现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于激光增材制造技术的激光连接方法，属于材料加工领域。

背景技术

增材制造技术的概念最早提出是在20世纪70年代末到80年代初，其中包含选择性激光 烧结(SelectiveLaserSintering，SLS)、分层实体制造法(LaminatedObjectManufacturing， LOM)等几十种成型工艺，美国《时代》周刊将增材制造技术列为“美国十大增长最快的 工业”；英国《经济学人》认为“增材制造技术将推动第三次工业革命，还将改变生产组 织模式”。世界科技强国和新兴国家都将增材制造技术作为未来产业发展新的增长点加以培 育和支持，以抢占未来科技产业的制高点。2014年增材制造设备与服务全球直接产值为 41.03亿美元，增长率为35.2％，经过30年的发展，美国成为增材制造领域技术领先的国家， 中国自20世纪90年代初开始发展，目前我国在金属零件直接制造技术领域的研究与应用已 达到国际领先水平。

激光增材制造技术是能够实现高性能致密金属零件的无模块快速近终成形，是现代材 料技术、激光技术和快速原型制造技术相结合的新技术，有可实现复杂结构零件的成形， 减少加工工序，缩短加工周期，近净成形等优势。

目前该技术在零件制造以及修复领域有着较为广泛的应用，但在材料连接领域就笔者 而言并未发现相关研究报道。目前在材料连接领域，如异种材料连接领域，异种材料连接 结构就是两种不同的材料(包括两种金属、金属与非金属、复合材料、化合物等)，通过 一定工艺条件连接到一起，形成一个完整的具有一定使用性能的结构，其良好的综合性能， 在航空航天、空间技术、核工业、微电子、汽车、石油化工等领域得到了日益广泛的应用。 但由于异种材料的物理、化学及力学性能方面存在着巨大的差异，对连接方法要求比较苛 刻，存在：冶金不相容性，界面形成脆性化合物相，由于热物理性能不匹配产生残余应力， 力学性能差异巨大导致连接界面力学失配，产生严重的应力奇异行为等；这些问题使得异 种材料的连接存在困难，而且影响接头组织、性能和力学行为，结构的完整性和可靠性会 受到严重影响。

发明内容

本发明针对上述存在的问题，而提供提供一种内部质量缺陷少、材料利用率高、性能 优异的材料连接接头的工艺方法；即一种基于激光增材制造技术的激光连接方法。

本实施方式的一种基于激光增材制造技术的激光连接方法，它是按照以下步骤进行 的：

一、在焊接前将待焊工件的待焊接部位进行坡口加工，同时对加工后的坡口及工件 表面进行打磨及清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；

二、在采用旁轴送粉的基于激光増材制造连接过程中，利用夹具将激光头与旁轴送 粉工作头固定在共同作用的待连接区域上，调整送粉头与竖直方向夹角至10°～80°；

若待连接材料为对激光无反射的材料，则保持激光头与待焊接工件垂直设置，调整 旁轴送粉工作头与激光头夹角至10°～80°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为 2～20mm；

若待连接材料为对激光有反射的材料，则调整激光束与待焊接工件竖直线夹角至 5～20°，并调整旁轴送粉工作头与激光头夹角至10°～80°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面 的距离为2～20mm；

三、设置激光增材制造工艺参数：激光光斑直径为1～6mm，离焦量为-5～+5mm，激 光功率为400～10000W，扫描速度为5～40mm/s，粉末直径为20～100μm，送粉速率为 2～20g/min，分层厚度0.5～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为 5～30L/min；

四、采用机器人集成系统运行步骤三中的焊接工艺参数，激光头与送粉头由计算机控 制，由激光头和送粉头共同运动完成材料连接过程；或若激光头未装载在机械臂上，则采 用机床控制待焊接工件的移动，实现材料的连接过程；即完成所述的基于激光增材制造技 术的激光连接过程。

本发明焊接方法的原理如下：

基于增材制造的连接方法，关键就是设计一定形状的坡口，利用激光沉积的方法在两 个连接材料的焊缝之间根据激光増材制造的原理，通过逐层堆积的方法形成一个类似于两 母材之间焊缝形状的新材料，利用所形成的新材料来连接两母材的新方法；也就是利用激 光、添加粉末、母材三者之间的相互作用，最终将材料连接起来的一种方法，其方法示意 图如图1所示。连接前，需要用机加工等方法对材料根据设计要求进行坡口处理；进行粉 末的配比，根据母材材料的不同配比不同的粉末，一般来讲，粉末成分应与母材成分匹配， 但不限于此，对于要求特殊的接头可以进行新型粉末配比成分的开发研究；扫描路径的规 划，根据坡口形状的不同进行激光扫描路径的规划，确定一个合理的规划路径；在连接过 程中，将激光按照规划的路径进行扫描，并将填充材料逐层累加并最终形成性能优异的连 接接头。

本发明包含以下有益效果：

1、本发明是根据激光增材制造原理，按照事先规划的扫描路径，利用激光热源将添 加的粉末熔化并逐层堆积，并变换激光增材制造连接接头不同层间加工工艺参数，能够控 制连接接头内部的缺陷，保证其内部质量，最终在同种材料或异种材料之间连接处，形成 性能可靠的连接接头。

2、异种材料的连接过程中，容易出现元素烧损、金属间化合物等，采用本发明的方 法可以通过对粉末成分进行设计，弥补在连接过程中出现的元素烧损等问题，提高连接质 量，并可以通过对工艺参数的调整实现焊缝中金属间化合物的控制。

本发明可通过对粉末种类及成分的调节，实现对接头的定制，满足不同使用要求。针 对材料连接接头所面临的服役环境的不同，可以通过对添加粉末的种类及配比进行设计， 极大地提高了连接接头针对不同服役条件下所需性能的可调性。

3、采用激光为热源的增材制造技术，具有较高的加热和冷却速度，能够精确的控制 焊接热输入与光斑加热位置，可以实现对材料连接过程中产生的脆性反应层的控制。

本发明提出的基于激光增材制造的连接方法，由于是采用逐层堆积的方法，每层材料 的厚度非常薄，因此，可以通过对工艺参数的调节，可以实现材料连接接头内部气孔、裂 纹等缺陷的控制，尤其针对异种材料连接容易出现金属间化合物等脆性相的问题，也可通 过本发明的方法，对脆性相的厚度及分布进行控制。

4、采用本发明的方法进行材料的连接，可以实现近净成形，极大地节省材料，降低 成本。制造方法柔性程度高，在工艺成熟的前提下，可以实现多品种材料连接过程的快速 转换。

本发明的方法自动化程度高、易操作，本发明采用的连接系统以光纤激光器、YAG 固体激光器、半导体激光器或CO₂激光器为核心，并辅以送粉装置、保护气系统、冷却 系统等，整个系统自动化水平高，可实现全程计算机控制，操作步骤简单，易于实现。

附图说明

图1为本发明采用同轴送粉的基于增材制造的激光填粉焊接示意图；其中1为激光 头，2为同轴送粉，3为母材，4为沉积层；

图2为本发明采用旁轴送粉的基于增材制造的激光填粉焊接示意图；其中1为激光头，5 为旁轴送粉，3为母材，4为沉积层；

图3为实施例1连接的接头的截面形貌图；

图4为实施例2单激光连接的接头的截面形貌图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式的一种基于激光增材制造技术的激光连接方法，它是按 照以下步骤进行的：

一、在焊接前将待焊工件的待焊接部位进行坡口加工，同时对加工后的坡口及工件 表面进行打磨及清洗，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；

二、在采用旁轴送粉的基于激光増材制造连接过程中，利用夹具将激光头与旁轴送 粉工作头固定在共同作用的待连接区域上，调整送粉头与竖直方向夹角至10°～80°；

若待连接材料为对激光无反射的材料，则保持激光头与待焊接工件垂直设置，调整 旁轴送粉工作头与激光头夹角至10°～80°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为 2～20mm；

若待连接材料为对激光有反射的材料，则调整激光束与待焊接工件竖直线夹角至 5～20°，并调整旁轴送粉工作头与激光头夹角至10°～80°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面 的距离为2～20mm；

三、设置激光增材制造工艺参数：激光光斑直径为1～6mm，离焦量为-5～+5mm，激 光功率为400～10000W，扫描速度为5～40mm/s，粉末直径为20～100μm，送粉速率为 2～20g/min，分层厚度0.5～5mm，扫描间距为1～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为 5～30L/min；

四、采用机器人集成系统运行步骤三中的焊接工艺参数，激光头与送粉头由计算机控 制，由激光头和送粉头共同运动完成材料连接过程；或若激光头未装载在机械臂上，则采 用机床控制待焊接工件的移动，实现材料的连接过程；即完成所述的基于激光增材制造技 术的激光连接过程。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：发射激光的激光器为光纤 激光器、YAG固体激光器、半导体激光器或CO₂激光器。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：步骤一中所述的清洗是采 用丙酮进行的，或其它去除材料表面的油污、氧化膜杂质的清洗方式。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：若待连接材料为对激光无 反射的材料，则保持激光头与待焊接工件垂直设置，调整旁轴送粉工作头与激光头夹角至 20°～70°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为3～19mm。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：若待连接材料为对激光无 反射的材料，则保持激光头与待焊接工件垂直设置，调整旁轴送粉工作头与激光头夹角至 20°～70°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为5～18mm。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：若待连接材料为对激光无 反射的材料，则保持激光头与待焊接工件垂直设置，调整旁轴送粉工作头与激光头夹角至 20°～70°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为6～17mm。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不同的是：若待连接材料为对激光无 反射的材料，则保持激光头与待焊接工件垂直设置，调整旁轴送粉工作头与激光头夹角至 30°～60°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为8～15mm。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：若待连接材料为对激光无 反射的材料，则保持激光头与待焊接工件垂直设置，调整旁轴送粉工作头与激光头夹角至 40°～50°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为10～12mm。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不同的是：若待连接材料为对激光有 反射的材料，则调整激光束与待焊接工件竖直线夹角至5～18°，并调整旁轴送粉工作头与 激光头夹角至20°～70°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为5～18mm。其它与具体实 施方式一相同。

具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：若待连接材料为对激光有 反射的材料，则调整激光束与待焊接工件竖直线夹角至5～15°，并调整旁轴送粉工作头与 激光头夹角至30°～60°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为5～15mm。其它与具体实 施方式一相同。

具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：若待连接材料为对激光有 反射的材料，则调整激光束与待焊接工件竖直线夹角至6～12°，并调整旁轴送粉工作头与 激光头夹角至40°～60°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为6～12mm。其它与具体实 施方式一相同。

具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是：若待连接材料为对激光 有反射的材料，则调整激光束与待焊接工件竖直线夹角至8～10°，并调整旁轴送粉工作头 与激光头夹角至40°～60°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为8～10mm。其它与具体 实施方式一相同。

具体实施方式十二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：设置激光增材制造工艺 参数：激光光斑直径为1～5mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为1000～10000W，扫描速 度为10～40mm/s，粉末直径为30～100μm，送粉速率为5～20g/min，分层厚度1～5mm，扫 描间距为2～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min。其它与具体实施方式 一相同。

具体实施方式十三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：设置激光增材制造工艺 参数：激光光斑直径为2～5mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为2000～10000W，扫描速 度为20～40mm/s，粉末直径为30～90μm，送粉速率为10～20g/min，分层厚度2～5mm，扫 描间距为2～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min。其它与具体实施方式 一相同。

具体实施方式十四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：设置激光增材制造工艺 参数：激光光斑直径为2～5mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为3000～10000W，扫描速 度为20～40mm/s，粉末直径为30～80μm，送粉速率为10～20g/min，分层厚度2～5mm，扫 描间距为2～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min。其它与具体实施方式 一相同。

具体实施方式十五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：设置激光增材制造工艺 参数：激光光斑直径为2～5mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为4000～10000W，扫描速 度为20～40mm/s，粉末直径为40～80μm，送粉速率为10～20g/min，分层厚度3～5mm，扫 描间距为2～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min。其它与具体实施方式 一相同。

具体实施方式十六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：设置激光增材制造工艺 参数：激光光斑直径为2～5mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为6000～10000W，扫描速 度为20～40mm/s，粉末直径为50～70μm，送粉速率为10～20g/min，分层厚度3～5mm，扫 描间距为2～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min。其它与具体实施方式 一相同。

具体实施方式十七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：设置激光增材制造工艺 参数：激光光斑直径为2～5mm，离焦量为-3～+3mm，激光功率为8000～10000W，扫描速 度为20～40mm/s，粉末直径为50～70μm，送粉速率为10～20g/min，分层厚度3～5mm，扫 描间距为2～4mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10～30L/min。其它与具体实施方式 一相同。

具体实施方式十八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的基于激光增材制 造技术的激光连接若采用同轴送粉，则只需安装同轴送粉头。其它与具体实施方式一相同。

具体实施方式十九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的待焊工件为难焊 的同种材料或者异种材料的连接，如TiAl和Ti3Al金属间化合物、金属基复合材料、铝 钢异种材料或铝钛异种材料等。其它与具体实施方式一相同。

本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同 样也可以实现发明的目的。

通过以下实施例验证本发明的有益效果：

实施例1

本实施例的一种基于激光增材制造技术的激光连接方法，它是按照以下步骤进行的：

一、在焊接前将待焊工件的待焊接部位进行坡口加工，同时对加工后的坡口及工件 表面进行打磨并采用丙酮清洗，以去除材料表面的油污、氧化膜等杂质，将打磨清洗后的 待焊工件固定在焊接工装夹具上；

二、利用夹具将激光头与送粉工作头固定在共同作用的待连接区域上，调整送粉头 与竖直方向夹角至60°；

待连接材料为对激光无反射的材料，保持激光头与待焊接工件垂直设置，调整旁轴 送粉工作头与激光头夹角至60°，并使送粉喷嘴距离激光焦平面的距离为5mm；

三、设置激光增材制造工艺参数：激光光斑直径为2mm，离焦量为+3mm，激光功 率为900W，扫描速度为8mm/s，粉末直径为20～100μm，送粉速率为3g/min，分层厚度 0.5～1mm，扫描间距为2mm，保护气为惰性气体，保护气流量为10L/min；

四、采用机器人集成系统运行步骤三中的焊接工艺参数，激光头与送粉头由计算机控 制，由激光头和送粉头共同运动完成材料连接过程；即完成所述的基于激光增材制造技术 的激光填粉焊接过程。

本实施例所述的待焊接工件为1mm厚Ti2AlNb材料。

本实施例对1mm厚Ti2AlNb材料焊接的焊缝金相图如图3所示。

实施例2

本实施例的单激光焊接方法，它是按照以下步骤进行的：

一、在焊接前将待焊工件的表面进行打磨并采用丙酮清洗，以去除材料表面的油污、 氧化膜等杂质，将打磨清洗后的待焊工件固定在焊接工装夹具上；

二、设置激光焊接工艺参数：激光功率为1800W，焊接速度为1.5m/min，保护气为 惰性气体，保护气流量为15L/min；

三、采用机器人集成系统运行步骤二中的焊接工艺参数，即完成所述的单激光焊接过 程。

本实施例对1mm厚Ti2AlNb材料采用单激光焊接的焊缝金相图如图4所示。

从图4可以看出，当采用单激光焊接Ti2AlNb时，通过焊缝横截面金相图可以看出 存在大量尺寸大小不一的气孔，这会大大降低焊缝的力学性能，同时，焊缝晶粒粗大，由 于激光焊接过程中加热和冷却速度非常快，容易产生裂纹。

从图3可以看出，焊缝是由一层层熔合后的粉末连接到一起的，可以看到明显的“层 状”分布，而且在焊缝的横截面没有发现气孔，说明采用实施例1的方法可以明显的减少 Ti2AlNb焊接时出现的气孔等缺陷，能够显著提高焊缝的性能；同时由于采用激光逐层沉 积，降低了热输入，也避免了裂纹的产生。