一种异种金属材料的激光焊接方法

本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种异种金属材料的激光焊接方法。

背景技术：

为满足现代装备轻量化、高性能化和低成本化制造的发展要求，异种合金连接结构在汽车、航空航天、船舶以及军事国防等领域的应用不断扩大。随着异种合金连接结构应用的日益增多，其高效、优质连接问题越来越受到研究人员的重视。然而，由于铝和钢的热物理性质存在很大差异，冶金相容性差，采用普通的熔化焊接方法难以实现连接。尽管摩擦焊、爆炸焊、扩散焊、超声波焊等一些固态焊接方法能够实现异种合金的连接，但受到工艺局限性的限制，焊接效率较低，加工柔性差，连接件的尺寸大小受加热设备的限制，制造大尺寸零件和结构复杂工件较为困难，应用受到一定的限制。

激光微织构加工通过激光照射能量区域以及照射时间，来获得具有一定形貌的凹坑织构表面，其以优异的减摩润滑性能应用广泛。

激光焊接作为一种高能束焊接方法，相比传统焊接方法，具有高能量密度、焊接热输入低，且对工件的加热位置及局部热输入可精确控制，热影响区窄，焊缝美观，生产效率高等突出优点。但是异种合金焊接在接头内易形成脆硬的金属间化合物，接头界面液态金属对固态异种金属的润湿性很差，给焊缝成形、焊接过程带来很大麻烦，如焊接接头存在较大的应力，易产生焊接裂纹等，严重地降低了焊接接头处的有效接触面积和焊缝处的机械强度。

技术实现要素：

为了解决上述问题，本发明提出了一种异种金属材料的激光焊接方法。本方法首先对两种金属表面进行打磨并清洗，再通过激光器对金属a表面进行激光微织构处理，其中织构为栅格状，接着使金属a定位在金属b的顶部并且织构面向金属b表面。然后通过激光焊接熔化金属b，使其填充在织构的间隙中，最终完成异种金属焊接件。

其具体步骤如下：

(1)先用砂纸对金属a和b的表面打磨，再用丙酮对其表面进行清洗，去除油污及碎片；

(2)选取金属a表面上规格为40mm×40mm的区域c进行激光微织构处理，区域c在金属a的中心位置，同时保证在金属a与金属b贴合时，区域c完全落于金属a和金属b的重合区域内；将区域c加工出所需的织构，对于金属a和金属b，选用熔点较高的金属a进行表面微织构处理，激光加工参数如下:脉冲能量为0.1～0.5mj，脉冲数3～5，扫描速度300～400mm/s，金属a表面的织构为网格状，网状凹槽深30μm，宽40μm，并且以50μm的固定距离分开；

(3)将金属a定位在金属b的顶部，且金属a的织构面与金属b接触，区域c完全落于金属a和金属b的重合区域内，由于区域c在微织构的过程中会出现大面积的凹陷，因此区域c中未凹陷区域与金属b贴合时，实际接触面为区域d，其中区域d大小为区域c的3～10％；

(4)对金属a和金属b的重合区域进行激光焊接，使得重合区域熔化为液体状的金属b填充在织构的间隙中，激光焊接的参数如下：光斑直径10～15mm，能量密度20～30mw/m²，持续时间为2～5s，完成异种金属焊接件。

本发明有益效果：通过激光束对待焊接表面进行微织构处理，来提高焊接面的动压润滑性能并增大焊接接头间的粘合面积，从而可以提高异种金属焊缝处的机械强度以及焊接件的最大拉伸剪切载荷。通过该方法得到的异种金属焊接件的平均拉伸剪切载荷比未处理试件高25％。

附图说明

为了更清楚地说明

本技术：
实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为金属a表面激光微织构图。

图2为金属a和金属b的激光焊接示意图。

图3为未处理试样与处理试样的拉伸剪切载荷对比图。

1.激光束2.铝合金3.铜衬底4熔融铝5.低碳钢

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明，但本发明不应仅限于实施例。

本实施例所采用的试样，其中金属a为低碳钢，金属b为铝合金，低碳钢和铝合金长均为100mm，宽均为40mm，低碳钢钢板厚为0.85mm，铝合金板厚为1mm。

一种使用上述测量方法进行处理的试样的实例，其步骤为：

实施例一：

(1)先用砂纸对低碳钢钢板和铝合金板的表面打磨，再用丙酮对其表面进行清洗，去除油污及碎片；

(2)将低碳钢钢板定位在铝合金板的顶部；

(3)对低碳钢钢板和铝合金板的重合区域进行激光焊接，使得重合区域熔化为液体状的铝合金板与低碳钢钢板结合，激光加工的参数如下：光斑直径13mm，能量密度22.7mw/m²,持续时间为3s；

(4)最终完成异种金属焊接件。

实施例二：

(1)先用砂纸对低碳钢钢板和铝合金板的表面打磨，再用丙酮对其表面进行清洗，去除油污及碎片；

(2)选取钢板上规格为40mm×40mm的区域c进行激光微织构处理，区域c在金属a的中心区域，同时在金属a与金属b贴合时，区域c完全落于金属a和金属b的重合区域内。将中间区域加工出所需的织构，对于低碳钢钢板和铝合金板，选用熔点较高的低碳钢钢板进行表面微织构处理，激光微织构参数如下:脉冲能量为0.3mj，脉冲数5，扫描速度350mm/s，低碳钢钢板表面的织构为网格状，网状凹槽深30μm，宽40μm，并且以50μm的固定距离分开；

(3)将低碳钢钢板定位在铝合金板的顶部，且织构面向铝板表面，低碳钢钢板中的中间区域与铝合金板的相对接触面积为d，其中区域d为经过表面微织构的区域c与金属b重合的部分，由于区域c在微织构的过程中会出现大面积的凹陷，因此区域c中未凹陷区域与金属b的贴合时，实际接触面积只有4％；

(4)对低碳钢钢板中的中间区域和铝合金板的重合区域进行激光焊接，使得熔化为液体状的铝合金板填充在织构的间隙中，激光焊接的参数如下:光斑直径13mm,能量密度22.7mw/m²,持续时间为3s；

(5)最终完成异种金属焊接件。

经过上述方法对钢材试样进行表面微织构后的焊接件，与未处理试样相比较，结果如图3所示。

未经处理试样所测的平均拉伸剪切载荷为4kn，处理后试样的平均拉伸剪切载荷为5kn，与未处理的焊接件相比，该方法可提高25％的最大拉伸剪切载荷。

技术特征：

1.一种异种金属材料的激光焊接方法，其特征在于：首先对两种金属表面进行打磨并清洗，再通过激光器对金属a表面进行激光微织构处理，其中织构为栅格状，接着使金属a定位在金属b的顶部并且织构面向金属b表面，然后通过激光焊接熔化金属b，使其填充在织构的间隙中，最终完成异种金属焊接件，具体步骤如下：

(1)先用砂纸对金属a和b打磨，再用丙酮对其表面进行清洗，去除油污及碎片；

(2)选取在熔点较高的金属a表面上的区域c进行激光微织构处理，将区域c加工出所需的织构；

(3)将金属a定位在金属b的顶部，且金属a的织构面向金属b表面与金属b接触，区域c完全落于金属a和金属b的重合区域内；

(4)对金属a和金属b的重合区域进行激光焊接，使得重合区域熔化为液体状的金属b填充在织构的间隙中，完成异种金属焊接件。

2.如权利要求1中所述的一种异种金属材料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤(2)中，区域c在金属a的中心位置，同时保证在金属a与金属b贴合时，区域c完全落于金属a和金属b的重合区域内；区域c大小为40mm×40mm，激光加工参数如下:脉冲能量为0.1～0.5mj，脉冲数3～5，扫描速度300～400mm/s，金属a表面的织构为网格状，网状凹槽深30μm，宽40μm，并且以50μm的固定距离分开。

3.如权利要求1中所述的一种异种金属材料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤(3)中，由于区域c在微织构的过程中会出现大面积的凹陷，因此区域c中未凹陷区域与金属b贴合时，实际接触面为区域d，其中区域d大小为区域c的3～10％。

4.如权利要求1中所述的一种异种金属材料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤(4)中，激光焊接的参数如下：光斑直径10～15mm，能量密度20～30mw/m²，持续时间为2～5s。

技术总结
本发明涉及激光加工领域，具体涉及一种异种金属材料的激光焊接方法。本方法首先对两种金属表面进行打磨并清洗，再通过激光器对金属A表面进行激光微织构处理，其中织构为栅格状，接着使金属A定位在金属B的顶部并且织构面向金属B表面。然后通过激光焊接熔化金属B，使其填充在织构的间隙中，最终完成异种金属焊接件。通过激光束对待焊接表面进行微织构处理，来提高焊接面的动压润滑性能并增大焊接接头间的粘合面积，从而可以提高异种金属焊缝处的机械强度以及焊接件的最大拉伸剪切载荷。通过该方法得到的异种金属焊接件的平均拉伸剪切载荷比未处理试件高25％。

技术研发人员：鲁金忠;蔡家伟;罗开玉
受保护的技术使用者：江苏大学
技术研发日：2021.04.22
技术公布日：2021.07.23