一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法
【專利摘要】一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，本發(fā)明涉及熔池冶金控制方法。本發(fā)明要解決異種材料焊接時易產(chǎn)生金屬間化合物，使得接頭脆化，容易發(fā)生開裂的問題。方法：一、清洗；二、裝配；三、焊接。本發(fā)明中提出的激光焊接異種材料焊縫橫向位移控制技術(shù)，合適的光斑尺寸使得兩種材料均能熔化，并形成同一熔池，熔池成分梯度較小，能夠獲得組織性能優(yōu)異的異種材料接頭。本發(fā)明用于激光焊接異種材料熔池冶金。
【專利說明】一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及熔池冶金控制方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著科技的發(fā)展，對各種結(jié)構(gòu)件的設(shè)計要求越來越高，尤其在構(gòu)件涉及到航空航天、汽車、船舶等行業(yè)。一方面要求設(shè)計的構(gòu)件能夠?qū)崿F(xiàn)節(jié)能減排，即為輕量化；另一方面還要求構(gòu)件能在更惡劣的環(huán)境中安全長期服役，即為性能優(yōu)化。異種材料的焊接正被廣泛應(yīng)用，其原因正是因為異種材料的焊接使兩種不同的材料各自的優(yōu)點能得到最大化利用，能夠同時滿足上述兩方面的要求。
[0003]異種金屬材料焊接是解決構(gòu)件同時滿足多方面性能要求的有效途徑。焊接方法有多種，比如氫弧焊(TIG)、電阻焊、摩擦焊、電子束焊以及激光焊等。與其他焊接方法相比，激光焊接技術(shù)相比傳統(tǒng)焊接技術(shù)最大的優(yōu)點之一是熱源的可控性強，不僅能很好的控制熱輸入的大小、密度，更重要的是能控制能量的分布、位置。尤其是光纖激光器的應(yīng)用，這種優(yōu)異性更加明顯。因此激光焊接技術(shù)是焊接異種材料的重要方法和常用方法之一。異種金屬激光焊接始于20世紀70年代，目前成為航空航天、船舶制造、汽車制造諸領(lǐng)域重要的先進制造技術(shù)之一。異種金屬激光焊接過程包含多種物理效應(yīng)，具體表現(xiàn)為:金屬材料對激光的吸收；激光材料相互作用引起的材料相變，能量與動量的傳遞與轉(zhuǎn)換，光致等離子體對激光的散射與吸收，熔池形成及演化，匙孔(keyhole)效應(yīng)以及熔池凝固等。從復(fù)雜物理現(xiàn)象中提取科學(xué)問題，并對這些科學(xué)問題開展研究工作具有重大意義。
[0004]但異種材料的焊接因兩種材料熱物性能的差異、焊接性的差異總會存在著一些問題，例如裂紋、焊縫組織變化。異種材料激光焊接機制復(fù)雜，涉及的因素有:焊接材料熱物性隨溫度變化差異，異種金屬對于激光的吸收率差異及其隨溫度變化特性，熔池形成及演化機制，凝固過程焊縫熔化區(qū)與熱影響區(qū)組織演化，激光焊的化學(xué)成分變化，焊接殘余應(yīng)力與變形產(chǎn)生等。接異種有色金屬時更為顯著。異種材料焊接時易產(chǎn)生金屬間化合物，使得接頭脆化，容易發(fā)生開裂。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決異種材料焊接時易產(chǎn)生金屬間化合物，使得接頭脆化，容易發(fā)生開裂的問題，而提出的一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法。
[0006]一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，具體是按照以下步驟完成的:
[0007]—、將待焊工件浸泡在丙酮中保持5min?8min，然后將待焊工件進行化學(xué)清洗，再用清水沖洗，烘干；
[0008]二、將經(jīng)步驟一處理的待焊工件固定在工作臺上，待焊工件焊接裝配間隙小于待焊工件厚度的8% ；
[0009]三、采用激光發(fā)生裝置發(fā)射激光光束進行焊接，并采用激光輻照方式將待焊工件熔化,形成熔池；[0010]其中，步驟三中激光功率為2kW?6kW，光斑直徑為0.3mm，焊接速度為1.0m/min?6.0m/min，激光光束角度為8°?20°，焊接過程采用氬氣保護，氬氣純度為99.99%，IS氣流量為 15L/min ?30L/min ；
[0011]步驟三中在焊接時，激光光束向熔點低一側(cè)母材偏移，激光光束偏移量為
0.1mm?0.8mm,激光傾斜角度與激光光束掃描方向相同。
[0012]本發(fā)明中提出的激光焊接異種材料焊縫橫向位移控制技術(shù)主要體現(xiàn)在:
[0013](I)激光光斑通過控制技術(shù)向異種對接材料一側(cè)偏移一定橫向位移；
[0014](2)合適的光斑尺寸使得兩種材料均能熔化，并形成同一熔池；
[0015](3)光斑橫向位移的大小取決于板厚以及兩異種材料的合金成分，目的在于使得形成
[0016]的熔池成分梯度較小，組織合理，性能優(yōu)化；光斑橫向位移的方向，即向哪種材
[0017]料偏移取決于兩材料的焊接性和熱物性能以及需要得到的組織性能要求。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明以激光為熱源，采用正離焦，離焦量以獲得合適光斑大小為根據(jù)，焊接模式為深熔焊，接頭形式為不開坡口對接。本方法充分發(fā)揮激光可控的優(yōu)勢，通過向異種對接材料的一側(cè)橫向偏移一定位移來優(yōu)化異種材料對接接頭組織性能。
[0019]本方法通過激光在對接焊縫橫向位移控制來調(diào)節(jié)異種材料的熔化比例，優(yōu)化異種材料激光焊接過程中焊接熔池的冶金行為。該方法充分發(fā)揮激光能量密度高、熱輸入精密可控的優(yōu)勢，基于被焊異種材料的熱物性參數(shù)以及異種材料之間的冶金特性，通過調(diào)控異種材料的熔化比例來改變激光焊接熔池成分，解決由于熔池凝固過程金屬間化合物形成而引起的接頭脆化問題，同時能夠改善異種材料焊接過程中材料性能差異對焊接熔池的形成、演化機制以及熔池凝固過程焊接缺陷及殘余應(yīng)力形成。本發(fā)明中提出的激光焊接異種材料焊縫橫向位移控制技術(shù)，合適的光斑尺寸使得兩種材料均能熔化，并形成同一熔池，熔池成分梯度較小，能夠獲得組織性能優(yōu)異的異種材料接頭。
[0020]本發(fā)明用于激光焊接異種材料熔池冶金。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1為本發(fā)明一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法焊接異種材料焊縫橫向位移控制方法示意圖，圖中I為激光頭；2為激光束；3為光斑；4為對接焊縫中心線；5為母材A ;6為焊縫；7為母材B ;
[0022]圖2為本發(fā)明一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法焊接具有相同基體的異種材料時橫向位移控制方法示意圖，圖中I為激光頭；2為激光束；3為光斑；4為對接焊縫中心線；5為母材A ;6為母材A中的合金元素；7為焊縫；8為母材B ;9為母材B中的合金元素；
[0023]圖3為實施例二焊接TC4-BT22異種鈦合金橫截面金相照片；
[0024]圖4為實施例二焊接TC4-BT22異種鈦合金橫截面顯微硬度分布譜圖。
【具體實施方式】
[0025]本發(fā)明技術(shù)方案不局限于以下所列舉的【具體實施方式】，還包括各【具體實施方式】之間的任意組合。[0026]【具體實施方式】一:本實施方式一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，具體是按照以下步驟完成的:
[0027]—、將待焊工件浸泡在丙酮中保持5min?8min，然后將待焊工件進行化學(xué)清洗，再用清水沖洗，烘干；
[0028]二、將經(jīng)步驟一處理的待焊工件固定在工作臺上，待焊工件焊接裝配間隙小于待焊工件厚度的8% ；
[0029]三、采用激光發(fā)生裝置發(fā)射激光光束進行焊接，并采用激光輻照方式將待焊工件熔化,形成熔池；
[0030]其中，步驟三中激光功率為2kW?6kW，光斑直徑為0.3mm，焊接速度為1.0m/min?6.0m/min，激光光束角度為8°?20°，焊接過程采用氬氣保護，氬氣純度為99.99%，IS氣流量為 15L/min ?30L/min ；
[0031]步驟三中在焊接時，激光光束向熔點低一側(cè)母材偏移，激光光束偏移量為
0.1mm?0.8mm,激光傾斜角度與激光光束掃描方向相同。
[0032]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中待焊工件為鈦合金時，化學(xué)清洗方法為:將待焊工件在室溫條件下放入硝酸、氫氟酸和水質(zhì)量比為4:1:5的酸性溶液中，酸洗3min?7min，然后清水沖洗；烘干溫度為:120°C ;烘干時間為:30min。其它與【具體實施方式】一相同。
[0033]【具體實施方式】三:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟一中待焊工件為鋁合金時，化學(xué)清洗方法為:將待焊工件在溫度為40°C?50°C條件下放入質(zhì)量濃度為5%?8%的氫氧化鈉水溶液中，堿洗4min?lOmin，然后清水沖洗，再放入質(zhì)量濃度為20%?30%的硝酸溶液中浸泡2min?4min，然后清水沖洗；烘干溫度為80°C ;烘干時間為30min。其它與【具體實施方式】一相同。
[0034]【具體實施方式】四:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟三中激光光束類型為=CO2氣體激光光束、NdiYAG固體激光光束、半導(dǎo)體激光光束或光纖激光光束。其它與【具體實施方式】一相同。
[0035]【具體實施方式】五:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟三中激光功率為3kff?5kW，光斑直徑為0.3mm，焊接速度為2.0m/min?4.0m/min，激光光束角度為9°?15°。其它與【具體實施方式】一相同。
[0036]【具體實施方式】六:本實施方式與【具體實施方式】一至五之一不同的是:步驟三中激光功率為4kW，光斑直徑為0.3mm，焊接速度為3.0m/min，激光光束角度為10°。其它與【具體實施方式】一至五之一相同。
[0037]【具體實施方式】七:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:步驟三中激光光束偏移量為0.3mm?0.7mm。其它與【具體實施方式】一相同。
[0038]【具體實施方式】八:本實施方式與【具體實施方式】一至七之一不同的是:步驟三中激光光束偏移量為0.5mm。其它與【具體實施方式】一至七之一相同。
[0039]采用以下實施例和對比實驗驗證本發(fā)明的有益效果:
[0040]實施例一:
[0041]本實施例一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，具體是按照以下步驟完成的:[0042]一、將待焊工件浸泡在丙酮中保持6min，然后將待焊工件進行化學(xué)清洗，再用清水沖洗，烘干；
[0043]二、將經(jīng)步驟一處理的待焊工件固定在工作臺上，待焊工件焊接裝配間隙小于待焊工件厚度的8% ；
[0044]三、采用激光發(fā)生裝置發(fā)射激光光束進行焊接，并采用激光輻照方式將待焊工件熔化,形成熔池；
[0045]其中，步驟一中待焊工件為鋁合金，化學(xué)清洗方法為:將待焊工件在溫度為42°C條件下放入質(zhì)量濃度為6%的氫氧化鈉水溶液中，堿洗5min，然后清水沖洗，再放入質(zhì)量濃度為23%的硝酸溶液中浸泡3min ;烘干溫度為80°C ;烘干時間為30min ；
[0046]步驟三中激光功率為4kW，光斑直徑為0.3mm,焊接速度為3.0m/min,激光光束角度為10°，焊接過程采用氬氣保護，氬氣純度為99.99%，氬氣流量為20L/min ；
[0047]步驟三中在焊接時，激光光束向熔點低一側(cè)母材偏移，激光光束偏移量為0.5mm,激光傾斜角度與激光光束掃描方向相同。
[0048]實施例二:
[0049]本實施例一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，具體是按照以下步驟完成的:
[0050]一、將待焊工件浸泡在丙酮中保持6min，然后將待焊工件進行化學(xué)清洗，再用清水沖洗，烘干；
[0051]二、將經(jīng)步驟一處理的待焊工件固定在工作臺上，待焊工件焊接裝配間隙小于待焊工件厚度的8% ；
[0052]三、采用激光發(fā)生裝置發(fā)射激光光束進行焊接，并采用激光輻照方式將待焊工件熔化,形成熔池；
[0053]其中，步驟一中待焊工件為鈦合金時，化學(xué)清洗方法為:將待焊工件在室溫條件下放入硝酸、氫氟酸和水質(zhì)量比為4: I: 5的酸性溶液中，酸洗3min?7min;烘干溫度為:120。。;烘干時間為:30min ；
[0054]步驟三中激光功率為4kW，光斑直徑為0.3mm,焊接速度為3.0m/min,激光光束角度為10°，焊接過程采用氬氣保護，氬氣純度為99.99%，氬氣流量為20L/min ；
[0055]步驟三中在焊接時，激光光束向熔點低一側(cè)母材偏移，激光光束偏移量為0.5mm,激光傾斜角度與激光光束掃描方向相同。
[0056]本實施例焊接TC4-BT22異種鈦合金橫截面金相照片如圖3所示；橫截面顯微硬度分布譜圖如圖4所示。
【權(quán)利要求】
1.一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，其特征在于一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，具體是按照以下步驟完成的: 一、將待焊工件浸泡在丙酮中保持5min?8min，然后將待焊工件進行化學(xué)清洗，再用清水沖洗，烘干； 二、將經(jīng)步驟一處理的待焊工件固定在工作臺上，待焊工件焊接裝配間隙小于待焊工件厚度的8% ； 三、采用激光發(fā)生裝置發(fā)射激光光束進行焊接，并采用激光輻照方式將待焊工件熔化，形成熔池； 其中，步驟三中激光功率為2kW?6kW，光斑直徑為0.3mm,焊接速度為1.0m/min?6.0m/min，激光光束角度為8°?20°，焊接過程采用氬氣保護，氬氣純度為99.99%，氬氣流量為 15L/min ?30L/min ； 步驟三中在焊接時，激光光束向熔點低一側(cè)母材偏移，激光光束偏移量為0.1mm?0.8mm,激光傾斜角度與激光光束掃描方向相同。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，其特征在于步驟一中待焊工件為鈦合金時，化學(xué)清洗方法為:將待焊工件在室溫條件下放入硝酸、氫氟酸和水質(zhì)量比為4: I: 5的酸性溶液中，酸洗3min?7min，然后清水沖洗；烘干溫度為:120°C;烘干時間為:30min。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，其特征在于步驟一中待焊工件為鋁合金時，化學(xué)清洗方法為:將待焊工件在溫度為40°C?50°C條件下放入質(zhì)量濃度為5%?8%的氫氧化鈉水溶液中，堿洗4min?lOmin，然后清水沖洗，再放入質(zhì)量濃度為20%?30%的硝酸溶液中浸泡2min?4min，然后清水沖洗；烘干溫度為80°C ;烘干時間為30min。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，其特征在于步驟三中激光光束類型為=CO2氣體激光光束、NdiYAG固體激光光束、半導(dǎo)體激光光束或光纖激光光束。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，其特征在于步驟三中激光功率為3kW?5kW，光斑直徑為0.3mm，焊接速度為2.0m/min?4.0m/min，激光光束角度為9°?15°。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，其特征在于步驟三中激光功率為4kW，光斑直徑為0.3mm，焊接速度為3.0m/min，激光光束角度為10°。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，其特征在于步驟三中激光光束偏移量為0.3mm?0.7mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種激光焊接異種材料熔池冶金控制方法，其特征在于步驟三中激光光束偏移量為0.5mm。
【文檔編號】B23K26/323GK103495804SQ201310441329
【公開日】2014年1月8日 申請日期:2013年9月25日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月25日
【發(fā)明者】不公告發(fā)明人 申請人:哈爾濱恒普激光應(yīng)用技術(shù)有限公司