雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及異種材料焊接方法，具體涉及一種雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法。
【背景技術(shù)】
[0002]異種材料的焊接結(jié)構(gòu)在工業(yè)領(lǐng)域有著越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。對(duì)于異種材料焊接來(lái)說(shuō)，由于二者在物理、化學(xué)性質(zhì)上的差異，接頭易生成過(guò)量的金屬間化合物以及產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，這是導(dǎo)致異種材料焊接接頭力學(xué)性能不佳的本質(zhì)原因。
[0003]從根本上講異種材料要獲得良好的接頭力學(xué)性能，需要從控制焊縫的界面反應(yīng)著手。這取決于兩個(gè)方面:一是調(diào)控焊接填充材料(包括焊絲、釬料、中間層等)；二是調(diào)控焊接加熱熱源。
[0004]通過(guò)改善焊接熱源能量密度的分布，對(duì)異種材料焊接熔池的溫度梯度、反應(yīng)時(shí)間進(jìn)行精確控制，進(jìn)而調(diào)控異種材料焊接界面反應(yīng)生成物及形態(tài)，可獲得異種材料焊接接頭優(yōu)良的力學(xué)性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述異種材料焊接界面反應(yīng)生成物及形態(tài)不容易控制，造成接頭力學(xué)性能惡化的技術(shù)問(wèn)題，提供了一種雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法。
[0006]本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的:
[0007]本發(fā)明涉及一種雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法，所述方法采用雙焦點(diǎn)激光加熱異種材料接頭，通過(guò)調(diào)整兩束光的排布方式、能量比、間距以及調(diào)整雙焦點(diǎn)作用于接頭的不同位置，形成不同的熔池溫度場(chǎng)、流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控異種材料焊接界面反應(yīng)生成物及形態(tài)；進(jìn)而控制金屬間化合物的生成和減少焊接殘余應(yīng)力，大幅度地提高接頭的強(qiáng)度和塑性。
[0008]作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述異種材料接頭之間可添加填充物，或不添加任何填充物。
[0009]作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述填充物選自焊絲、釬料或中間合金層。
[0010]作為優(yōu)選技術(shù)方案，激光束的類(lèi)型為CO2氣體激光束、YAG固體激光束、半導(dǎo)體激光束或光纖激光束等。
[0011]作為優(yōu)選技術(shù)方案，所述雙焦點(diǎn)激光光斑為圓形、矩形等多種形狀以及均勻分布、高斯分布等多種能量密度分布形式，也可以二者任意組合。
[0012]作為優(yōu)選技術(shù)方案，雙焦點(diǎn)激光束二者之間的距離可以在O?2.84mm之間調(diào)整。
[0013]作為優(yōu)選技術(shù)方案，雙焦點(diǎn)激光束二者的能量比可以在1:1?4:1之間調(diào)整。
[0014]作為優(yōu)選技術(shù)方案，雙焦點(diǎn)激光束的排布方式為沿焊縫方向的串列式分布、垂直于焊縫方向的并列式分布或介于兩者之間的交叉式分布，其中交叉式排布時(shí)，兩個(gè)焦點(diǎn)之間的夾角與焊接方向的角度可以在0°?90°之間調(diào)整。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果:
[0016]1、本發(fā)明能夠顯著減少異種材料焊接界面反應(yīng)層的厚度，從而大幅度地提高異種材料焊接接頭力學(xué)性能，從根本上解決異種材料焊接接頭強(qiáng)度低、殘余應(yīng)力大的問(wèn)題。
[0017]2、本發(fā)明可廣泛用于Al-T1、Al-Mg、Mg_Fe等多種異種金屬材料的焊接，使用范圍廣泛，具有較大的工程和經(jīng)濟(jì)價(jià)值。
[0018]3、本發(fā)明涉及一種雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法，可在常規(guī)激光焊接設(shè)備上加以改造即可實(shí)現(xiàn)，易于該技術(shù)的推廣應(yīng)用，
【附圖說(shuō)明】
[0019]通過(guò)閱讀參照以下附圖對(duì)非限制性實(shí)施例所作的詳細(xì)描述，本發(fā)明的其他特征、目的和優(yōu)點(diǎn)將會(huì)變得更明顯:
[0020]圖1是本發(fā)明焊接方法示意圖；
[0021]圖2是雙焦點(diǎn)熱源排布示意圖，其中；a)為串列式分布，b)為并列式分布，c)為交叉式分布；
[0022]圖3是雙焦點(diǎn)激光焊接鋁鈦異種材料界面的接頭形貌圖；
[0023]圖4是單激光焊接鋁鈦異種材料界面的接頭形貌圖；
[0024]圖5是雙焦點(diǎn)激光焊與常規(guī)激光焊熱循環(huán)曲線對(duì)比示意圖；
[0025]其中，I為第一焦點(diǎn)，2為第二焦點(diǎn)，3為第一焊接材料，4為第二焊接材料，5為填充材料。
【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。以下是實(shí)施例將有助于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進(jìn)一步理解本發(fā)明，但不以任何形式限制本發(fā)明。應(yīng)當(dāng)指出的是，對(duì)本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干變形和改進(jìn)。這些都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0027]本發(fā)明的雙焦點(diǎn)激光束焊接調(diào)控界面反應(yīng)方法如下:采用雙焦點(diǎn)激光熱源加熱異種材料接頭，雙焦點(diǎn)熱源相對(duì)于焊接方向，可采用串聯(lián)式、并聯(lián)式以及交叉排布方式；異種材料接頭之間可添加焊絲、釬料以及中間層等填充物，也可不添加填充物。采用的激光束的類(lèi)型為CO2氣體激光束、YAG固體激光束、半導(dǎo)體激光束或光纖激光束。所述激光光斑為圓形、矩形等多種形狀以及均勻分布、高斯分布等多種能量密度分布形式。焊接時(shí)，雙焦點(diǎn)激光束二者之間的距離可以調(diào)整。雙焦點(diǎn)激光束二者的能量比也可以調(diào)整。
[0028]如圖1所示，第一焊接材料3和第二焊接材料4是兩種異種材料，根據(jù)兩種材料的特點(diǎn)，可以選在兩種材料之間添加或者不添加填充材料5。圖中箭頭代表焊接方向。
[0029]如圖2所示，雙焦點(diǎn)激光焊接異種材料控制界面反應(yīng)層可以通過(guò)調(diào)整兩個(gè)焦點(diǎn)(圖1的中第一焦點(diǎn)1、第二焦點(diǎn)2)之間的距離d，雙焦點(diǎn)排布方式可以是并聯(lián)、串聯(lián)以及交叉排布(呈任一角度)，具體參數(shù)應(yīng)根據(jù)實(shí)際的工藝試驗(yàn)來(lái)優(yōu)化。
[0030]實(shí)施例1
[0031 ] 本實(shí)施例涉及一種雙焦點(diǎn)激光束焊接調(diào)控界面反應(yīng)方法。具體是對(duì)2mm厚鈦合金和鋁合金對(duì)接接頭焊接，采用鋁硅焊絲作為填充材料；采用CO2激光，激光功率為1600W，兩束光均采用高斯分布圓形光斑形式，離焦量為O，并行雙焦點(diǎn)(即兩束光焦點(diǎn)連線與焊接方向垂直)，兩焦點(diǎn)間距為0.6_，兩束光能量比為2: 1，高能量位于鈦合金一側(cè)，低能量位于鋁合金一側(cè)，兩束光焦點(diǎn)連線的中點(diǎn)偏向鈦合金一側(cè)0.2mm，焊接速度為lm/min。獲得的反應(yīng)層金屬間化合物層的厚度在6 μπι以下，接頭拉伸強(qiáng)度可達(dá)300MPa，力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于一般單光束激光焊。
[0032]如圖3和4所示采用雙焦點(diǎn)激光焊接鋁鈦異種材料生成金屬間化合物厚度與單激光束焊接的對(duì)比，對(duì)比可知，單光束激光焊金屬間化合物厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于雙焦點(diǎn)激光焊接這種方法。
[0033]圖5所示上述工藝參數(shù)下雙焦點(diǎn)激光焊與常規(guī)激光焊熱循環(huán)曲線對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)采用雙光束焊接方法，焊接溫度大幅度下降，同時(shí)溫度梯度也更小。分析以為采用上述工藝方法，將常規(guī)單光束激光集中的能量分布調(diào)整為利于異種材料界面反應(yīng)的溫度及溫度梯度模式，在有利的溫度及的溫度梯度下抑制脆性界面化合物的產(chǎn)生以及反應(yīng)速度，因而雙焦點(diǎn)激光焊接工藝產(chǎn)生的金屬間化合物厚度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于單光束激光焊，從而具備更加優(yōu)異的力學(xué)性能。
[0034]實(shí)施例2
[0035]對(duì)2mm厚5A06鋁合金和2219鋁合金對(duì)接接頭焊接，兩種材料之間不填充材料；采用光纖激光，激光功率為1400W，兩束光均采用高斯分布圓形光斑形式，離焦量為-1mm，串行雙光束(即兩束光焦點(diǎn)連線與焊接方向平行)，兩焦點(diǎn)間距為0.8mm，兩束光能量比為4: 1，兩束光焦點(diǎn)連線偏向2219鋁合金一側(cè)0.15mm，焊接速度為0.8m/min。獲得的接頭拉伸強(qiáng)度可達(dá)330MPa以上，力學(xué)性能遠(yuǎn)優(yōu)于一般單光束激光焊。
[0036]實(shí)施例3
[0037]對(duì)3mm厚AZ31B鎂合金和HDG60鍍鋅鋼對(duì)接接頭焊接，填充鎂合金焊絲；采用CO2激光，激光功率為2000W，兩束光均采用均勻分布矩形光斑，離焦量為0_，交叉排布雙焦點(diǎn)(兩束光焦點(diǎn)連線與焊接方向成45°夾角)，兩焦點(diǎn)間距為0.7mm，兩束光能量比為1: 1，兩束光焦點(diǎn)連線偏向HDG60鍍鋅鋼一側(cè)0.2mm，焊接速度為1.lm/min。獲得的接頭拉伸強(qiáng)度可達(dá)鎂合金母材強(qiáng)度90 %以上，遠(yuǎn)高于現(xiàn)有其他焊接方法。
[0038]以上對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例進(jìn)行了描述。需要理解的是，本發(fā)明并不局限于上述特定實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以在權(quán)利要求的范圍內(nèi)做出各種變形或修改，這并不影響本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于，所述方法采用雙焦點(diǎn)激光加熱異種材料接頭，通過(guò)調(diào)整兩束光的排布方式、能量比、間距以及調(diào)整雙焦點(diǎn)作用于接頭的不同位置，形成不同的熔池溫度場(chǎng)、流場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)調(diào)控異種材料焊接界面反應(yīng)生成物及形態(tài)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于，所述異種材料接頭之間可添加填充物，或不添加任何填充物。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于，所述填充物選自焊絲、釬料或中間合金層。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于，激光束的類(lèi)型選自為CO2氣體激光束、YAG固體激光束、半導(dǎo)體激光束或光纖激光束。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于，所述雙焦點(diǎn)激光光斑為圓形、矩形等多種形狀以及均勻分布、高斯分布等多種能量密度分布形式，也可以二者任意組合。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于，雙焦點(diǎn)激光束二者之間的距離為O?2.84mm。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于，雙焦點(diǎn)激光束二者的能量比為1:1?4:1。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法，其特征在于，雙焦點(diǎn)激光束的排布方式為沿焊縫方向的串列式分布、垂直于焊縫方向的并列式分布或介于兩者之間的交叉式分布，其中交叉式排布時(shí)，兩個(gè)焦點(diǎn)之間的夾角與焊接方向的角度可以為0°?90°。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種雙焦點(diǎn)激光束焊接異種材料界面反應(yīng)調(diào)控方法，采用雙焦點(diǎn)激光加熱異種材料接頭，通過(guò)調(diào)整兩束光的排布方式、能量比、間距等熱源參數(shù)以及雙焦點(diǎn)作用于接頭的不同位置，形成不同的熔池溫度場(chǎng)、流場(chǎng)，進(jìn)而調(diào)控異種材料焊接界面反應(yīng)生成物及形態(tài)，有利于控制金屬間化合物的生成和減少焊接殘余應(yīng)力。采用本發(fā)明的方法，可解決現(xiàn)有技術(shù)中異種材料焊接界面反應(yīng)生成物及形態(tài)不容易控制，造成接頭力學(xué)性能惡化的技術(shù)問(wèn)題，大幅度地提高接頭的強(qiáng)度和塑性。
【IPC分類(lèi)】B23K26/323
【公開(kāi)號(hào)】CN105215550
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510684868
【發(fā)明人】趙耀邦, 成群林, 張小龍, 李中權(quán), 姜勇
【申請(qǐng)人】上海航天精密機(jī)械研究所
【公開(kāi)日】2016年1月6日
【申請(qǐng)日】2015年10月20日