专利名称：一种大光斑激光与电弧复合热源连接异种金属的方法
技术领域：
本发明提出的一种大光斑激光与电弧复合热源连接异种金属的方法，属于钢板与有色金属板的异种金属连接技术领域。
背景技术：
众所周知，铝与钢、铜与钢等有色金属与钢材异种金属的优质、高效连接一直是焊接领域的一项技术难题。电弧熔化焊具有成本低、应用范围广等特点，但是这些异种金属的熔化焊接头中易形成脆硬的金属间化合物层或合金层，使接头弱化或失效。因此，目前铝与钢、铜与钢等异种金属材料还未能实现有效的熔化焊连接。尽管摩擦焊、磁脉冲焊、爆炸焊、扩散焊以及超声波焊等一些固态焊接方法能够实现异种金属的连接，并且可以得到优质的焊接接头，但是这些固态焊接方法的适用范围都相对较小，都存在各种各样的局限性而难以满足工件大批量生产对高生产效率的要求。近来，奥地利Fronius公司开发的CMT(冷金属过渡法)电弧焊技术，成功实现了铝-钢异种金属薄板的连接。尽管与其他固态焊接方法连接异种金属相比，CMT焊接技术的适用性得到了较大范围的扩大，但受电弧特性的限制，其生产效率也不能适应大批量生产对生产效率的高要求。激光-电弧复合热源焊接技术是20世纪70年代末逐渐发展起来的一种新型、高效的焊接方法，具有焊接速度快、单位热输入量低、电弧过程稳定的特点。日本曾有文献报道采用大光斑激光-电弧复合热源高速焊接铝合金的搭接接头，主要是为了增加底板的熔深。一般地说，目前复合热源焊接的研究和应用大都是在激光光斑直径非常小(光斑直径在0.2mm-0.6mm左右)的情况下实现的，尽管小激光光斑下的复合热源焊接能够在较高的焊接速度下实现深熔焊，但对于铝和钢及铜和钢等异种金属材料的焊接接头，由于小直径光斑的激光功率密度高，焊接过程中一旦两种金属都熔化，或熔点相对较低的材料熔化而熔点相对较高的材料也发生局部熔化，都会在焊缝金属中形成脆硬的金属间化合物或合金层，从而导致连接接头性能弱化甚至失效。因此，目前这种小光斑的激光-电弧复合热源焊接不能应用于铝与钢、铜与钢等这些异种金属的高效连接。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本项发明提供了一种可实现异种金属薄板连接的大光斑激光-电弧复合热源焊接方法，该焊接方法成功地将复合热源焊接技术应用于异种金属薄板的高效连接，解决了异种金属优质、高效连接的难题。
本项发明的连接方法的技术方案如下对于两种不可能直接进行熔化焊连接的金属材料(如铝及铝合金与钢材或铜及铜合金与钢材等有色金属与钢材的连接)，而且两种材料的熔点存在一定差距，通过选择一种能够与熔点相对较低的材料形成熔化连接而又能与熔点相对较高的材料实现自钎钎焊连接的填充金属(如Al-Si、Cu-Si焊丝等)，可以利用本发明的大光斑激光-电弧复合热源焊接技术实现优质、高效的连接。
在本发明的大光斑激光-电弧复合热源焊接技术中，在焊接这些异种金属材料的过程中，电弧的平均能量相对较小，主要是用于熔化填充焊丝及熔化部分熔点相对较低的母材，而充分利用激光的输出功率可以精确控制的特点，在保证熔点相对较高的母材金属不发生熔化的前提下，使熔化的填充金属在熔点相对较高的母材金属表面铺展，与之形成钎焊连接接头；而在熔点相对较低的母材侧实现熔化焊的连接。在熔点相对较高的母材表面由于低能量密度的大激光光斑具有预热及提高表面润湿性的作用，使能得到表面成型良好、质量稳定的钎焊接头。
用本发明的复合热源焊接方法，通过对激光功率、光斑大小以及送丝速度的调节，可以在较高的焊接速度下，得到一个合适的焊接规范参数范围。用该范围内的焊接规范可以实现异种金属薄板的搭接、对接及角接接头的高效熔-钎焊连接。该方法所选用的大光斑激光既可以是激光束焦点直径较大的激光(如半导体激光)，也可以是其他激光(如YAG固体激光、CO2气体激光、光纤激光以及碟形激光等)通过离焦(包括正离焦和负离焦，激光束焦点在被焊工件上表面之上定义为正离焦，反之则为负离焦)得到的大光斑激光；所复合的电弧既可以是GMAW电弧，也可以是GTAW电弧(用GTAW电弧复合时需要填充焊丝)。
在大光斑激光-电弧复合热源焊接异种金属焊接过程中，电弧有两个方面的作用，一方面，电弧熔化焊丝提供填充金属并熔化部分熔点相对较低的母材；另一方面，电弧与激光复合一起为焊接提供热输入。大光斑激光的运用是本发明的焊接方法实现异种金属薄板连接的关键。它的作用，一是作为焊接热源的大光斑激光与电弧的复合，激光能稳定小电流的电弧，使焊接电流和电弧电压的波动范围降低到±3A/±0.3V，使得电弧的热输入量稳定，而激光的输出功率和加热范围能够精确控制，从而使总的热输入量得到准确设定；二是激光能量的加入使电弧在高速焊接条件下仍然能够稳定燃烧，从而提高了焊接生产效率，实现异种金属薄板的高效连接；三是，在保证熔点相对较高的金属母材不发生熔化的前提下，大光斑激光对它的加热提高了熔化金属在其表面上的润湿性，使焊缝金属能充分铺展形成钎接、改善焊缝的成形，从而实现异种金属薄板的优质、高效连接。
本发明的主要技术步骤如下1.一种大光斑激光与电弧复合热源连接异种金属的方法，该异种金属是熔点相对较高的钢材(2)和熔点相对较低的有色金属(1)，其特征在于，该方法包括1)选择与被连接的熔点相对较高的钢材(2)和熔点相对较低的有色金属(1)相匹配的填充金属(7)，使填充金属7既能与低熔点的有色金属1形成熔化焊连接，又能与高熔点的钢材形成自钎钎焊连接；2)调节激光束(5)的焦点处于被焊工件上表面的位置，使辐照在被焊工件上的激光光斑的直径尺寸为1.5～15mm；3)调节激光光斑(3)和电弧(8)中心(即焊丝与工件的接触点)的相对位置，使电弧中心与激光光斑中心之间的距离h为0～15mm；4)通过调节电弧功率，使之尽可能小，主要是熔化焊丝，再仔细调节激光功率，并形成的上述大尺寸的激光光斑(3)，实现复合热源对被连接工件热输入的精确控制，从而保证在熔点相对较高的钢材(2)不熔化的前提下，在熔点相对较低的有色金属(1)一侧形成熔化焊连接，在熔点相对较高的钢材(2)一侧形成自钎钎焊连接。
2.在上述的连接方法中，被连接的异种金属中熔点相对较高的是钢材，熔点相对较低的是有色金属。
3.在上述的连接方法中，当被连接材料是熔点相对较低的铝及铝合金(1)和熔点相对较高的钢材(2)时，采用的填充金属(7)为Al-Si型合金；当被连接材料是熔点相对较低的铜及铜合金(1)和熔点相对较高的钢材(2)时，采用的填充金属为Cu-Si型合金。
利用本发明的连接方法通过选择合适的填充金属材料连接熔点相对较高的钢材与有色金属，得到的连接接头内的金属间化合物很少，接头的抗拉强度明显提高，并且其连接速度相对于其他的连接方法明显提高，可以实现钢材与有色金属的优质、高效连接。
图1是本发明提出的连接方法的示意图。
图2是熔点相对较高的钢材与有色金属形成的搭接接头的示意图。
结合附图1详细说明本发明提出的一种大光斑激光与电弧复合热源异种金属连接方法。
填充金属的选择应当考虑它与被连接的熔点相对较高的钢材2和熔点相对较低的有色金属1相匹配，也就是使填充金属7与熔点相对较低的有色金属1熔合后即可作为熔点相对较低的有色金属1熔化焊的焊料，又可作为熔点相对较高的钢材2的自钎钎料，例如对于钢板-铝及铝合金板异种金属而言，采用Al-Si型填充金属7；而对于钢板-铜及铜合金板异种金属而言，采用Cu-Si型填充金属7。
在本发明方法中，调节激光束5焦点处于被连接工件上表面的位置，使辐照在被焊工件上的大尺寸的激光光斑3的直径尺寸为1.5～15mm。还要调节保护气4保护下的电弧8与激光光斑3的相对位置，使电弧中心与激光光斑中心之间的距离h为0～15mm(一般用激光光斑中心与电弧中心之间的距离，即未起弧时焊丝或钨极尖端延长线与工件的交点与激光光斑中心距离来表示)。
在大光斑激光与电弧复合热源焊接过程中，激光对电弧8具有明显的稳定作用。
在上述大光斑激光-电弧复合热源焊接过程中，电弧8的热输入主要是熔化填充金属7和熔化部分熔点相对较低的有色金属1，但不能形成成形良好、质量稳定的钎焊连接，也不能形成良好的熔化焊焊缝成形。要完成上述异种金属的高质量连接，还必须借助复合热源中的大功率的大光斑激光。
通过激光功率的细致调节和调节成的上述大光斑3，实现复合热源对被连接工件热输入的精确控制，这样可以形成如图2所示的连接接头。保证在高熔点的钢材一侧不熔化，但其表面相当大的面积能够被加热从而改善其润湿性，使熔化的填充金属7能够在该表面充分铺展，并形成自钎钎焊接头10-2，而在熔点相对较低的有色金属1一侧，熔化的填充金属7和熔化的熔点相对较低的有色金属1形成良好的熔化焊接头10-1。
具体实施例方式
实验所用的激光器为德国HAAS公司生产的HL2006D型Nd:YAG固体激光器，额定功率为2.0kW，最大输出功率2.6kW，输出波长为1.06μm的连续波激光，采用焦距为200mm的聚焦透镜，通过正离焦(激光束焦点在工件上表面以上为正离焦)获得大光斑；电弧焊设备为奥地利Fronius公司生产的TPS5000型数字化GMAW焊接电源及其送丝机。
1.5A02铝合金与镀锌钢板的搭接连接焊接规范如下焊接速度5m/min，激光功率2000W，送丝速度8.0m/min，平均焊接电流178A(焊接过程采用脉冲GMAW焊，熔滴过渡频率为1熔滴/脉冲滴)，电弧电压20.8V，激光光斑直径6.8mm，焊丝为直径1.2mm的AlSi5焊丝，其干伸长为10mm，氩气流量20L/min，电弧中心与激光光斑中心之间的为3.4mm。
工件尺寸为5A02铝合金200mm×30mm×1.5mm；镀锌钢板200mm×30mm×1.2mm。
通过激光束正离焦得到的大光斑激光辐照在装配成搭接形式的5A02铝合金和镀锌钢板工件上，并且脉冲GMAW电弧中心也作用在该两种金属板上，通过激光功率的细致调节和精确控制复合热源对工件的热输入，使熔化的5A02铝合金和填充金属AlSi5焊丝在5A02铝合金一侧形成熔化焊接头；而在镀锌钢板一侧，熔化的填充金属与镀锌钢板形成了良好的钎焊接头，从而实现了上述两种金属的熔-钎焊连接。
利用上述方法得到的连接接头拉伸性能试验结果表明试样的破坏位置主要发生在5A02铝合金母材一侧的焊接热影响区，而非钎焊连接区域，接头的最大拉应力可达132.9MPa，这与5A02铝合金熔化焊的接头性能相当。在1400倍的高倍光学显微镜下对接头组织观察发现在铝-钢界面处存在的金属间化合物很少且其尺寸非常小，其最大厚度小于5μm，对接头性能影响很小。
2.紫铜与镀锌钢板的搭接连接焊接规范如下焊接速度1m/min，激光功率900W，送丝速度为2.2m/min，平均焊接电流为65A(电弧焊接为脉冲GMAW焊，熔滴过渡频率为1滴/脉冲)，电弧电压16.5V，离焦量为+20mm，激光光斑直径为5.0mm，焊丝干伸长10mm，氩气流量20L/min，电弧中心与激光光斑中心之间的为2.0mm，焊丝为1.2mm的CuSi3焊丝。
试件尺寸紫铜板200mm×30mm×1.0mm；镀锌钢板200mm×30mm×1.2mm通过激光束正离焦得到的大光斑激光辐照在装配成搭接形式的紫铜板和镀锌钢板工件上，并且脉冲GMAW电弧中心也作用在该两种金属板上，通过激光功率的细致调节和精确控制复合热源对工件的热输入，使熔化的紫铜和填充金属CuSi3焊丝在紫铜板一侧形成熔化焊接头；而在镀锌钢板一侧，熔化的填充金属与镀锌钢板形成了良好的钎焊接头，从而实现了上述两种金属的熔-钎焊连接。
利用上述方法得到的搭接接头拉伸性能试验结果表明试样的破坏位置主要发生在紫铜母材一侧的焊接热影响区，而非钎焊连接区域，接头的最大拉应力可达221.7Mpa，这与紫铜熔化焊的接头性能相当。在1400倍的高倍光学显微镜下对接头组织观察发现在铜-钢界面处存在的Cu-Fe固溶层非常小，其最大厚度小于4μm，对接头性能影响很小。
3.5A02铝合金与16Mn钢板的大光斑激光+电弧复合热源焊接焊接规范如下焊接速度1m/min，激光功率1500W，送丝速度为2.5m/min，平均焊接电流为50A(电弧焊接为脉冲GMAW焊，熔滴过渡频率为1滴/脉冲)，电弧电压16.8V，离焦量为+25mm，激光光斑直径为8.0mm，焊丝干伸长10mm，氩气流量20L/min，电弧中心与激光光斑中心之间的为5.0mm，焊丝为1.2mm的AlSi5焊丝。
试件尺寸5A02铝合金200mm×30mm×1.5mm；16Mn钢板200mm×50mm×2.0mm通过激光束正离焦得到的大光斑激光辐照在装配成搭接形式的5A02铝合金和16Mn钢板工件上，并且脉冲GMAW电弧中心也在该两种金属板上，通过激光功率的细致调节和精确控制复合热源对工件的热输入，使熔化的5A02铝合金和填充金属AlSi5在5A02铝合金一侧形成熔化焊接头；而在16Mn钢板一侧，熔化的填充金属与16Mn钢板形成了良好的钎焊接头，从而实现了上述两种金属的熔-钎焊连接。
利用上述方法得到的连接接头拉伸性能试验结果表明试样的破坏位置主要发生在5A02铝合金母材一侧的焊接热影响区，而非钎焊连接区域，接头的最大拉应力可达135.6MPa，这与5A02铝合金熔化焊的接头性能相当。在1400倍的高倍光学显微镜下对接头组织观察发现在铝-合金钢钢界面处存在的金属间化合物很少且其尺寸非常小，其最大厚度小于5μm，对接头性能影响很小。
权利要求
1.一种大光斑激光与电弧复合热源连接异种金属的方法，该异种金属是熔点相对较高的钢材(2)和熔点相对较低的有色金属(1)，其特征在于，该方法包括1)选择与被连接的熔点相对较高的钢材(2)和熔点相对较低的有色金属(1)相匹配的填充金属(7)，使填充金属7既能与低熔点的有色金属1形成熔化焊连接，又能与高熔点的钢材形成自钎钎焊连接；2)调节激光束(5)焦点相对于被焊工件上表面的位置，使辐照在被焊工件上的激光光斑的直径尺寸为1.5～15mm；3)调节激光光斑(3)和电弧(8)斑点的相对位置，使电弧中心与激光光斑中心之间的距离h为0～15mm；4)通过调节电弧功率，使之尽可能小，其主要用于熔化焊丝，再仔细调节激光功率，并形成上述大尺寸的激光光斑(3)，实现复合热源对被连接工件热输入的精确控制，从而保证在熔点相对较高的钢材(2)不熔化的前提下，在熔点相对较低的有色金属(1)一侧形成熔化焊连接，在熔点相对较高的钢材(2)一侧形成自钎钎焊连接。
2.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，被连接的异种金属中熔点相对较高的金属是钢材，熔点相对较低的金属是有色金属板。
3.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，当被连接材料是熔点相对较低的铝及铝合金(1)和熔点相对较高的钢材(2)时，采用的填充金属(7)为Al-Si型合金；当被连接材料是熔点相对较低的铜及铜合金(1)和熔点相对较高的钢材(2)时，采用的填充金属为Cu-Si型合金。
4.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，所述的激光可以是半导体激光、YAG激光、CO2激光、光纤激光以及碟形激光之一。
5.根据权利要求1所述的连接方法，其特征在于，所述的电弧可以是GMAW电弧或GTAW电弧。
全文摘要
本发明提出的一种大光斑激光与电弧复合热源连接异种金属的方法属于异种金属连接技术领域。本发明要解决背景技术中高熔点的碳钢、合金钢与低熔点的铝及铝合金、铜及铜合金等有色金属连接效率不高、质量不佳的技术问题。本发明的连接方法主要包括选择与被连接的异种金属相匹配的填充金属7，使其熔化后即可作为高熔点碳钢、合金钢2的自钎钎料，又可作为低熔点有色金属1的熔化焊焊料；通过调节激光功率和采用的大尺寸激光光斑3实现复合热源对被连接工件的热输入的精确控制，达到在低熔点有色金属1一侧形成熔化焊连接，而在高熔点碳钢、合金钢一侧形成自钎钎焊连接。本发明的连接方法适用于高熔点的碳钢、合金钢与低熔点的有色金属的连接。
文档编号B23K20/16GK1806995SQ20061000761
公开日2006年7月26日 申请日期2006年2月15日 优先权日2006年2月15日
发明者林尚扬, 秦国梁, 雷振, 王旭友, 王威, 卜大川 申请人:机械科学研究院哈尔滨焊接研究所