本发明属于异质材料焊接技术领域，具体涉及一种异质金属激光-超声复合焊接方法及装置。
背景技术：
钛合金具有比强度高、耐高温及耐腐蚀性等特点，但钛合金价格相对较高制约了其推广与应用；钢具有良好的焊接性、力学性能及成本低等特点，是应用最广泛的金属材料，用部分钢替换钛合金可有效兼顾两种材料的优点。因此，钛合金/钢异种金属焊接结构受到青睐，在航空航天、海洋工程及生物医学等领域获得广泛应用。随着工业发展需要，接头强度要求越来越高。这种高强度异质金属连接接头，在掺杂合金元素的方法下也无法从根本上解决脆性金属的生成，即使采用激光焊接也无法实现高强度连接。这迫切需要在异质材料焊接技术上有新的突破。
超声能量具有破碎异质金属所形成的连续脆性化合物层的作用。若经过激光焊接所形成的焊缝再施加超声波焊接，其对构件所形成焊缝外观影响很小。
单独对待焊工件施加超声固结，在工件厚度尺寸大，耐热性高，比强度高时，焊接过程中超声波探头的嵌入将严重削弱焊接接头有效截面积，降低接头连接强度。为此如何软化工件成为关键问题，因此在激光焊接过程中随焊超声固结，这会使固结能耗降低、有效连接截面积增大。
因为激光焊后焊缝温度较高已经软化，随焊超声固结只需比一般超声波焊接更小的压力，滚焊头可使用滚筒式。该结构刚性好，压力作用在整个固结层与圆柱滚筒接触线上，使本来很小的压力得到分摊。
激光焊接过程中，工件所产生的温度会影响超声波焊接，因此要精心考虑两者之间的衔接，在随焊超声固结过程中要做到精确控制激光光斑斑点位置与滚焊头之间的间距。
技术实现要素：
本发明所要解决的是异质金属材料焊接存在的技术问题，提供一种异质金属激光-超声复合焊接方法及装置，减小所形成脆性化合物对接头强度的影响，减小接头气孔生成。利用激光焊接光斑直径小、局部区域能量密度高，冷却速度快等优点又结合超声波焊接压力小、频率高、温度低等优势，在限制金属间化合物快速生长的同时破碎所形成的连续金属间化合物层，实现异种金属材料的有效连接、为高强度连接提供突破。
为了解决本发明的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种异质金属激光-超声复合焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：预处理：将待焊工件界面打磨出金属光泽，丙酮擦拭祛除油污；
步骤二：铆接：对搭接接头点焊铆接定位；
步骤三：工装夹具夹紧：将已装配待焊工件送至工装夹具处夹紧；
步骤四：异种金属nd：yag脉冲激光焊接：调整好焊接工艺参数，对待焊位置进行焊接；
使用焊接工艺参数为：激光焊接电流122a，脉宽15ms，频率2hz，焊接速度50mm/min，离焦量-1mm，氩气流量正面与背面均为15l/min；
步骤五：异种金属焊接接头超声波固结：在焊接接头温度为上层母材熔点的10％～30％下，激光焊接时随焊超声固结，滚柱焊头在被焊层上滚动，对滚柱焊头施加压力压向被焊层，并同时在滚柱焊头轴线方向施加超声振动，直至焊接作业完成。
一种异质金属激光-超声复合焊接装置，包括机床工作台1、超声波固结装置2和nd：yag脉冲激光焊接装置3，所述超声波固结装置2包括超声波发生器21、换能器22、变幅杆23和超声滚焊极24，所述超声波发生器21与所述换能器22连接，所述换能器22与所述变幅杆23连接，所述变幅杆23与所述超声滚焊极24连接；所述nd：yag脉冲激光焊接装置3包括激光器31、光纤32、光学腔33和保护气喷嘴34，所述激光器31、光纤32、光学腔33和保护气喷嘴34依次连接，所述光学腔33内设置准直透镜331、聚光镜332和保护镜333，所述准直透镜331设置在所述聚光镜332上方，所述聚光镜332设置在所述保护镜333上方，所述保护镜333可防止飞溅对所述准直透镜331的损伤；所述nd：yag脉冲激光焊接装置3置于所述机床工作台1上方的光斑聚焦位置点，保证激光离焦量在可调范围内；所述nd：yag脉冲激光焊接装置3置于所述超声固结装置2前方，保证超声波固结装置3的焊极位置范围可控，确保nd：yag脉冲激光焊接装置3和超声固结装置2互不干涉。
与现有技术相比，本发明获得的有益效果是：
本发明公开的一种异质金属激光-超声复合焊接方法及装置，采用激光搭接焊焊缝冷却速率高，热影响区相变范围窄，抑制了金属间化合物的大量生成；超声焊接时，滚柱焊头均匀滚过激光被焊层，焊接均匀；滚柱焊头刚性大，接触应力分布在滚柱焊头与被焊层的整条接触线上，不易影响已成形焊缝部分，且结构上滚柱焊头易施加超声振动和焊接压力，方便调整焊接工艺参数(超声频率、超声振幅、焊接压力和焊接速度等)；结合激光焊接和超声固结两项高新技术，将待焊异质材料搭接形成搭接接头，使用激光焊接对待焊部位进行焊接，达到连接目的。在焊接接头温度为上层母材熔点的10％～30％下，施加超声焊接，达到接头的高效连接。
本发明公开的一种异质金属激光-超声复合焊接方法及装置，采用激光-超声复合焊无需添加合金元素，降脆效果明显，接头性能得到明显改善；超声固结压力小、温度低，焊接过程中产生的气孔可得到有效抑制；工序简单，实施容易，易实现自动化生产作业。
本发明公开的一种异质金属激光-超声复合焊接方法及装置，不但能克服传统焊接方法在异质材料焊接中形成脆性接头的问题，及单一采用高能束焊接虽可部分抑制金属间化合物的大量形成，但接头强度仍旧不高的问题；而且还能克服超声固结仅适应于低熔点薄板焊接等难于克服的困难。
附图说明
图1为本发明一种异质金属激光-超声复合焊接的结构示意图。
附图标记：1、机床工作台；2、超声波固结装置；21、超声波发生器；22、换能器；23、变幅杆；24、超声滚焊极；3、yag脉冲激光焊接装置；31、激光器；32、光纤；33、光学腔；331、准直透镜；332、聚光镜；333、保护镜；34、保护气喷嘴。
具体实施方式
下面结合附图，以tc4钛合金/304不锈钢焊接为实施例，对实施例进行详细说明。
一种异质金属激光-超声复合焊接方法，包括以下步骤：
步骤一：预处理
试验材料根据nb/t47014-2011行业标准选用尺寸为100mm×50mm×0.5mm的304不锈钢和ti6al4v钛合金薄板材料，焊前使用320#砂纸打磨工件表面氧化层，并用丙酮祛除搭接接头附近15mm处油污。
步骤二：铆接
ti6al4v钛合金熔点在1540-1650℃，304不锈钢的熔点约为1400℃，针对两种材料熔点差异以及ti6al4v钛合金密度较低，且两种材料对激光的吸收率均较高，提出采用钛合金在上，钢在下的搭接接头焊接方式，该方式可有效降低两种材料在界面处的充分搅拌混合，控制ti、fe两种元素相互扩散区，抑制金属间化合物生成，提高焊缝强度。对搭接接头首尾和中间位置采用激光焊进行点焊。
步骤三：工装夹具夹紧
焊接过程中将已经装配好的工件采用工装夹具预紧，这可以有效的控制薄板工件的波浪变形，保证了焊接离焦量值。
步骤四：钛合金/304不锈钢nd：yag脉冲激光焊接；调整好焊接工艺参数，对待焊位置进行焊接；
试验使用nd：yag激光焊接设备，nd:yag激光束波长仅为1.064μm，狭窄的脉冲激光束能将能量束沉积在极小的区域内，针对该材料物理性能及尺寸，使用焊接工艺参数为：激光焊接电流122a、脉宽15ms、频率2hz、焊接速度50mm/min、离焦量-1mm、氩气流量正面与背面均为15l/min，工艺参数调整好后对待焊位置进行焊接。
步骤五：钛合金/304不锈钢焊接接头超声波固结：
(1)设计超声滚焊极24在刚焊的焊缝上滚过，超声滚焊极24分为三段(中间段和两端各一段)，中间段与焊缝接触，中间段长度略大于焊缝。对中间段施加超声波使其相对两端段做超声滚焊极24轴线方向的超声振动(但两端段无超声振动)。滚动方向尽量与焊接方向平行。要求超声滚焊极24的长度和直径相对于工件尺寸足够大，以保正超声滚焊极24刚性及压力分布在整个焊接层的接触线；
(2)超声滚焊极24两端段超声滚焊极24与一气缸连接，气缸压力可调节，依靠气缸压力使超声滚焊极24轻压在焊接层上；
(3)整个超声波固结装置2通过连杆机构与机床工作台1主轴连接，实现工作位置和空闲位置切换。
(4)焊接过程中调节径向压力、超声振动频率和振幅、及滚动速度(即机床工作台移动速度)。
(5)在焊接接头温度为上层母材熔点的10％～30％下，激光焊接时随焊超声固结，滚柱焊头在被焊层上滚动，对滚柱焊头施加一个较小的力压向被焊层并同时在滚柱焊头轴线方向施加超声振动，直至焊接作业完成。
参见附图1，一种异质金属激光-超声复合焊接装置，其包括机床工作台1、超声波固结装置2和nd：yag脉冲激光焊接装置3，所述超声波固结装置2包括超声波发生器21、换能器22、变幅杆23和超声滚焊极24，所述超声波发生器21与所述换能器22连接，所述换能器22与所述变幅杆23连接，所述变幅杆23与所述超声滚焊极24连接；所述nd：yag脉冲激光焊接装置3包括激光器31、光纤32、光学腔33和保护气喷嘴34，所述激光器31、光纤32、光学腔33和保护气喷嘴34依次连接，所述光学腔33内设置准直透镜331、聚光镜332和保护镜333，所述准直透镜331设置在所述聚光镜332上方，所述聚光镜332设置在所述保护镜333上方，所述保护镜333可防止飞溅对所述准直透镜331的损伤；所述nd：yag脉冲激光焊接装置3置于所述机床工作台1上方的光斑聚焦位置点，保证激光离焦量在可调范围内；所述nd：yag脉冲激光焊接装置3置于所述超声固结装置2前方，保证超声波固结装置3的焊极位置范围可控，确保nd：yag脉冲激光焊接装置3和超声固结装置2互不干涉。
以上列举的仅是本发明的具体实施例之一。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多类似的改形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明所要保护的范围。