一种超薄壁中碳钢搭接结构的激光焊接方法与流程

本发明涉及超薄壁中碳钢焊接领域，特别涉及一种超薄壁中碳钢搭接结构的激光焊接方法。

背景技术：

超薄壁中碳钢搭接结构用于弹性可展开构件可以充分发挥中碳钢的强度、弹性优势，较为广泛的应用于空间在轨展开机构部件中。中碳钢焊接常规的方法为电弧焊和电阻点焊，但电弧焊热输入大，焊接变形严重，且焊接薄壁材料时易于出现汽化烧穿，不适合用于超薄壁中碳钢构件的焊接。电阻焊方法由于在焊接过程中对构件施加大的电极压力及高的热输入，容易导致构件产生变形，在很多情况下会影响构件的使用和外观。而且，当待焊长度大时，会出现多焊点存在时导致的电流分流问题，影响焊接质量的可靠性，以及生产效率低下问题。

对于超薄壁中碳钢材料的激光焊接，由于材料很薄，很容易汽化烧穿，要想得到一条连续的、无烧穿的焊缝，关键是对参数的精确调控。与传统焊接相比，脉冲激光缝能够在较小的平均输出功率下在单个脉冲下达到较高的功率密度，更加灵活的控制热输入，具有能量集中、热输入小、焊缝窄和变形小等优点，而且激光束聚焦后可获得很小的光斑，能精密定位，这些特点使得激光缝焊比其他焊接方法更适合于超薄壁工件的焊接。激光脉冲焊接超薄壁不锈钢、铝合金构件已广泛应用于医疗、电池等领域，但尚未应用于中碳钢超薄壁空间在轨展开机构部件的先例。

综上，传统的电弧焊、电阻焊难以满足于中碳钢超薄壁空间在轨展开机构部件零烧穿、小变形以及高性能可靠性的要求。为提升此类结构的性能及可靠性，构件中超薄壁中碳钢搭接结构的焊接是关键。采用在待焊部位采用工艺手段过渡镍元素以及热输入可精确调控的脉冲激光焊接方法是实现此类结构高性能可靠焊接的有效途径。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：提供一种超薄壁中碳钢搭接结构的激光焊接方法，包括以下步骤：s1、将中碳钢超薄壁构件待焊区域置入镍箔或镀镍；s2、采用工装压紧，保证搭接接头待焊区域各层材料紧密贴合，确保无间隙；s3、使用离焦激光束，采用脉冲方式实现各层材料的焊接。

进一步，焊接前对要置入的镍箔或镀镍层测量厚度。

进一步，所述的待焊中碳钢薄壁件厚度为0.1～0.3mm，对应的镍箔厚度为0.02～0.05mm，中碳钢薄壁件双侧镀镍，镀层厚度为10μm～25μm(或单侧镀镍，镀层厚度为20μm～50μm)。

进一步地，所述工装可采用辊压式，将多层材料待焊区域各层材料紧密贴合，工装还可设置电加热装置实现结构焊接时的预热与缓冷，进一步提升焊接接头性能。

进一步地，所述的脉冲参数应精确控制，从而有效避免超薄壁材料焊接时易于出现的汽化烧穿、焊接变形大等问题。

目前中碳钢超薄壁构件难以采用传统的弧焊、电阻焊方法实现可靠焊接。相比而言，本发明具有以下优点：

1、可根据中碳钢厚度，通过灵活调整置入的镍箔厚度或镀镍层厚度来调控过渡入焊缝中的镍元素含量，从而实现焊缝性能的提升；

2、采用脉冲激光焊接可灵活控制热输入，能够通过对脉冲参数的精确调控实现超薄壁构件的无烧穿、小变形焊接；

3、本发明提供的方法对超薄壁构件的适应性强、操作简单，成本低，生产效率高，有利于大规模工业应用。

附图说明

下面结合附图对发明作进一步说明：

图1是本发明实施例的超薄壁中碳钢搭接结构置入镍箔后激光焊接示意图；

图2是本发明实施例的超薄壁中碳钢搭接结构表层镀镍后激光焊接示意图；

图3是本发明实施例中焊缝横截面金相结构图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明提出的超薄壁中碳钢搭接结构激光焊接方法作进一步详细说明。需说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的。

实施例：如图1及图2所示的超薄壁中碳钢结构，由超薄壁中碳钢部件1组成的搭接接头形成，本发明提供一种超薄壁中碳钢结构的激光焊接方法，包括如下步骤：

s1、如图1所示，将中碳钢超薄壁构件待焊区域置入镍箔2。待焊中碳钢超薄壁件厚度为0.1～0.3mm，对应的所需置入的镍箔厚度为0.02～0.05mm；或如图2所示，对中碳钢薄壁件双侧镀镍，镀层厚度为10μm～25μm(或单侧镀镍，镀层厚度为20μm～50μm)；

s2、采用工装3压紧，工装可采用辊压式，将多层材料待焊区域各层材料紧密贴合，确保无间隙，还可设置电加热装置实现结构焊接时的预热与缓冷，进一步提升焊接接头性能，预热/缓冷温度以200～250℃为宜；

s3、使用离焦激光束4，采用脉冲方式，通过调控脉冲参数实现各层材料的熔化，形成焊缝5。

对在上述条件下焊接完成后的接头横截面金相观察以考察焊缝内部质量。

脉冲激光焊接时选用母材为50号中碳钢，采用光纤激光器，聚焦光斑直径为0.6mm，离焦量为15～25mm，激光功率为300w～500w，扫描速度在120mm/m～240mm/min范围内，脉冲频率为50hz～100hz，占空比在10％～20％之间，辅助气体为ar，侧吹角度25％～35％，气流量为15～25l/min。优选的，激光脉冲参数需严格控制以保证各层材料充分熔化形成焊缝的同时，不造成材料的气化烧穿以及大的焊接变形。如图3所示，焊缝横截面金相表明焊缝内部质量良好，无焊接缺陷，各层材料结合致密。

由上述实施例可知，本发明的方法操作简单，在待焊部位采用工艺手段过渡镍元素以及热输入可精确调控的脉冲激光焊接方法实现超薄壁中碳钢搭接结构的无烧穿、小变形连接，有效提升焊接质量及生产效率。

本说明书中对于实施例公开的系统而言，由于与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

技术特征：

技术总结
本发明提供一种超薄壁中碳钢搭接结构的激光焊接方法，包括以下步骤：S1、将待焊中碳钢薄片待焊区域置入镍箔或镀镍；S2、采用工装压紧，保证搭接接头待焊区域各层材料紧密贴合；S3、使用离焦激光束，采用脉冲方式实现焊接。本发明提供的超薄壁中碳钢搭接结构的激光焊接方法操作简单，通过在焊接区域镀镍或置入镍箔方式在熔池中添加镍元素，结合激光脉冲参数的调控实现对焊接热过程的控制，从而有效抑制焊缝冷却过程中形成大量脆性马氏体组织，提升焊接接头强度。

技术研发人员：张婧;马子奇;徐雪萍;高嘉爽
受保护的技术使用者：上海航天设备制造总厂
技术研发日：2017.05.05
技术公布日：2017.09.08