本發(fā)明涉及金屬材料連接領(lǐng)域，具體為一種用飛秒激光穿過透明材料將鈦、鋁金屬材料焊接的方法。

背景技術(shù)：

飛秒激光瞬時(shí)功率巨大，脈沖極短，可以在較低的脈沖能量下得到非常高的峰值強(qiáng)度。由于照射透明材料時(shí)產(chǎn)生非線性效應(yīng)的特點(diǎn)，飛秒激光依靠多光子吸收機(jī)制可以穿過透明材料進(jìn)行靈活的三維加工，而長脈沖激光則無法做到這一點(diǎn)。而且透明材料為脆性材料，長脈沖激光加熱產(chǎn)生的熱應(yīng)力會(huì)使透明材料發(fā)生破裂并且有碎片飛出。因?yàn)楫?dāng)激光照射到透明材料時(shí)，會(huì)發(fā)生激光損傷，而損傷閥值隨脈沖寬度的下降而明顯減小，所以飛秒激光具有很小的損傷閥值，飛秒激光透過透明材料不會(huì)引起透明材料的破裂。飛秒激光穿過透明材料時(shí)，能量被限制在趨膚深度的范圍內(nèi)，而且作用時(shí)間極短，能量還沒來得及擴(kuò)散，被作用的金屬材料就已經(jīng)被加熱到極高的溫度，直接以氣相的形態(tài)蒸發(fā)，蒸發(fā)的同時(shí)帶走大部分熱量，使得熱影響區(qū)很小。因此飛秒激光可以實(shí)現(xiàn)精密加工，它的分辨率可以達(dá)到幾微米。

傳統(tǒng)的弧焊焊接方法焊接環(huán)境惡劣，在焊接過程中伴隨著飛濺、弧光和有害氣體，既不環(huán)保，又會(huì)對(duì)操作工的身體健康產(chǎn)生威脅。飛秒激光加工具有能量高度集中、熱影響區(qū)小、無飛濺無熔渣、不需要特殊氣體環(huán)境、無后續(xù)工藝、邊緣質(zhì)量好等突出優(yōu)勢。尤其在加工精度高的要求下，傳統(tǒng)的弧焊是不能滿足要求的。由于鋁、鈦都是活性金屬、極易氧化，且兩者之間的物理、機(jī)械性能存在較大差別，如兩者的熔點(diǎn)相差約800℃，兩者的晶格類型、晶格參數(shù)等結(jié)晶化學(xué)性能差異很大，鋁的熱導(dǎo)率和線膨脹系數(shù)分別是鈦的16倍和3 倍。因此鋁鈦異種金屬的焊接性很差，接頭的強(qiáng)度不能滿足要求，鋁鈦異種金屬的焊接既是熱點(diǎn)也是難點(diǎn)，目前還沒有一種成熟的工藝可以用于實(shí)際生產(chǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種采用飛秒激光焊接鈦、鋁金屬材料的方法。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種采用飛秒激光焊接鈦、鋁金屬材料的方法，包括如下步驟：

（1）將鈦、鋁金屬材料加工成待連接面完全相同的兩個(gè)工件；

（2）對(duì)待連接工件進(jìn)行預(yù)處理和精加工，使得待連接面的表面粗糙度Ra控制在0.08μm以下；

（3）采用夾具對(duì)精加工后的待連接工件進(jìn)行固定并施加壓力確保連接面無空隙；

（4）對(duì)透明材料進(jìn)行預(yù)處理并制成蓋板，然后將其環(huán)繞連接面固定在待連接工件的四周，確保連接面密閉在透明材料內(nèi)；

（5）用飛秒激光對(duì)準(zhǔn)待焊焊縫，沿焊縫對(duì)連接面進(jìn)行焊接；

（6）焊接完成后，等待一段時(shí)間，直至待焊工件完全冷卻至室溫，再卸下蓋板。

進(jìn)一步的，步驟（2）中，所述的預(yù)處理是指對(duì)待連接工件進(jìn)行清洗、拋光。

進(jìn)一步的，步驟（4）中，透明材料選用玻璃板。

進(jìn)一步的，步驟（5）中，飛秒激光焊接參數(shù)如下：飛秒激光的脈沖寬度＜400fs，單脈沖能量設(shè)定在1～40μJ之間，焊接速度≥4mm／s。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果有：

1.可以以極高的精度對(duì)金屬材料焊接。

2.本發(fā)明所述方法焊接金屬材料便捷高效，應(yīng)用前景廣泛。

3.本發(fā)明所述方法可以使金屬材料一次成型，工藝簡單，只要設(shè)置好參數(shù)即可連接成型。

4.本發(fā)明中通過壓力和飛秒激光作用可以使金屬材料進(jìn)行原子程度的連接，獲得的焊縫強(qiáng)度高韌性好。

5.本發(fā)明中飛秒激光作用后，由于玻璃板的封閉，蒸發(fā)的金屬蒸氣快速沉淀，保護(hù)了焊縫的同時(shí)，并不影響施焊，加強(qiáng)了連接區(qū)域的強(qiáng)度，蒸氣帶走大部分熱量使熱影響區(qū)很小。

6.本發(fā)明飛秒激光焊接過程中在密閉環(huán)境下進(jìn)行，避免了接頭被氧化，提高了焊縫質(zhì)量。

7.本發(fā)明中飛秒激光加熱速度快，可以使金屬瞬間氣化，解決了傳統(tǒng)焊接方法對(duì)于鈦、鋁金屬材料熔點(diǎn)相差大，難以焊接的難題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實(shí)施例的飛秒激光連接方法所使用裝置的三維示意圖。

其中，1表示一塊鈦金屬板，2表示金屬板夾具，3表示飛秒激光焊槍，4表示透明材料蓋板，5表示另一塊鋁金屬板，6表示透明材料蓋板夾具，7表示施加水平向連接區(qū)域壓力的絲杠柄。

具體實(shí)施方式

如附圖1所示，將鈦板1、鋁板5均加工成3mm厚150mm×150mm的尺寸，然后用無水乙醇將表面清洗干凈并且拋光。對(duì)鈦板1、鋁板5的待連接面的表面進(jìn)行精加工，使得表面粗糙度Ra為0.05μm。然后將鈦板1、鋁板5待連接面對(duì)齊用第一夾具2固定。然后旋轉(zhuǎn)絲杠柄7，向連接面施加壓力，確保連接面無空隙。將玻璃板4加工成蓋板，并進(jìn)行預(yù)處理，并對(duì)其表面進(jìn)行精加工，表面粗糙度Ra為0.04μm。然后將其環(huán)繞連接面采用第二夾具6固定在鈦板1、鋁板5連接面的四周，確保連接面密閉在玻璃板4內(nèi)。將激光焊槍3的焦點(diǎn)校準(zhǔn)到鈦板1、鋁板5的連接面，飛秒激光的重復(fù)頻率為4MHz，激光脈沖寬度為160fs，焊接速度為5mm／s，然后沿待焊焊縫對(duì)鈦板1、鋁板5進(jìn)行焊接，冷卻后，獲得良好焊縫。經(jīng)過抗拉強(qiáng)度測試，鈦-鋁板焊縫的抗拉強(qiáng)度可以達(dá)到180Mpa，可以達(dá)到基板鋁板的抗拉強(qiáng)度的50%，比傳統(tǒng)焊接方法得到的焊縫強(qiáng)度要稍好。