专利名称：一种异种合金激光深熔钎焊方法
技术领域：
本发明涉及一种异种合金的激光深熔钎焊方法，属激光材料加工技术领域。
背景技术：
随着科学技术的发展，现代工业对构件性能提出了更高、更苛刻的要求，除常规力 学性能之外，还要求有高温强度、耐磨性、耐腐蚀性、低温韧性、抗辐照性、磁性、导电性、导 热性等多方面的性能，同时处于经济节能方面的考虑，要求更加廉价、轻质。单种金属材料 很难同时满足这些使用要求，即使可能有某种金属材料相对理想，也常由于十分稀缺、价格 昂贵，不能大量使用。同时整个设备采用贵重金属制造，不但生产工艺过程复杂，造价提高， 更重要的是可能造成材料浪费，不符合节约型社会发展要求。异种材料焊接构件的特点是 能够最大限度地利用材料的各自优点，收到“物尽其用”的效果。不仅能满足不同工作条件 对材质的不同要求，而且能节约贵重金属，降低结构整体成本，充分发挥不同材料的性能优 势。在航空航天方面，飞机机舱的散热片就是将3003铝合金叶片焊接到钛合金管上 制成的；美制NASA YF-12战斗机机翼采用了蜂窝夹层结构，将钛合金蒙皮和翼盒中铝合金 蜂窝夹层连接起来，采用这样设计，飞机既节约了生产成本，同时还减轻了飞机重量，提高 了抗疲劳性能。在汽车行业，德国德意志Titan公司已经开发出来一种汽车钢/铝排气系 统，和钢制排气系统相比重量减轻40%。在制冷行业，以冰箱为代表，其制冷热交换器采用 铝/铜焊接复合结构，其重量和成本都大幅度下降，从而受到广发的应用。但是异种金属之间的焊接受互溶性及形成金属间化合物等问题的制约，存在很大 的困难。当两种金属不具备完全的互溶性或者物理化学性能相差很大时，会产生脆性的金 属间化合物和共晶体。如果金属间化合物以极细的夹杂物形式的分布在合金晶粒之间，则 可能完全无害；而如果以带状或针状出现在晶粒之间，或两种金属之间出现中间过渡层，就 有造成金属脆性断裂的危险。以铝/钛、铝/钢异种金属焊接为例，两种金属物理化学性质 差别很大，同时在室温下不满足互溶性条件，在焊接时两种合金的接触面上形成金属间化 合物，而且其生长速度很快，控制不当将布满整个接头，金属间化合物具有低的延伸性和易 断裂性能，表现出强烈的应力集中倾向，会导致迅速脆性断裂。因此，如何控制脆性金属间 化合物生长，或者改变生成的化合物的形态及分布将成为解决异种金属焊接问题的关键。目前异种材料的连接方法主要有钎焊、扩散焊、摩擦焊等。传统方法工艺复杂，条 件苛刻，而且得到的焊缝力学性能不高。和传统的焊接方法相比，激光焊接具有能量密度 高，定位精确，焊接过程热输入量集中热影响小，焊接作用时间短，可以有效抑制金属间化 合物脆性相的生成。激光焊接的实现方式主要有激光熔焊、激光熔钎焊以及激光深熔钎焊等。采用激光熔焊时，为了避免或减少两种液态金属混合形成金属间化合物的影响。 采用在异种金属之间添加金属箔作为中间层，这样可以获得成型良好、无裂纹的接头，但是 接头的强度不高且存在较大的离散性。激光熔钎焊是利用两种母材之间熔点的差异，散焦的激光作用在高熔点母材处，高熔点母材保持固态，通过热传导熔化低熔点母材，形成熔钎 焊接接头。此方法避免了熔焊时两种金属液相混合而生成脆性金属间化合物，但是由于采 用热传导模式焊接，受热传导的限制，激光熔钎焊方法仅适合于焊接薄板，同时由于热导模 式下金属材料对激光的吸收率低，激光能量的利用率和焊接效率不高、工艺窗口狭窄。激光 深熔钎焊是采用聚焦的激光直接作用在低熔点的合金一侧，使低熔点母材实现深熔焊接， 同时熔化的母材作为钎料与未熔化的高熔点母材形成钎接接头。这种避免了两种金属液态 混合形成大量金属间化合物，但是这种焊接方法的焊接过程稳定性及焊缝成型较差，容易 在界面出现未熔合现象，影响接头的机械性能。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于采用高功率、高光束质量的激光束，开发一种高 效、高质量的异种合金激光深熔钎焊方法。采用聚焦的激光束作用在高熔点母材一侧实现 深熔，并在熔池和界面处控制形成一定厚度的高熔点母材固态中间层，通过高熔点母材固 态中间层热传导使低熔点母材熔化，液态的低熔点金属铺展浸润高熔点母材界面，实现异 种合金的连接。为实现上述目的，本发明一种异种合金激光深熔钎焊方法的技术方案是包括以下 步骤焊接时，聚焦的激光束⑴作用在高熔点母材(5) —侧实现深熔焊接；控制激光束 (1)与界面(6)在高熔点母材表面上的距离d以及激光束(1)与法线的夹角θ，在高熔点 母材侧靠近界面(6)处形成高熔点母材固态中间层(2)，通过高熔点母材固态中间层(2)的 热传导使低熔点母材(4)熔化，熔化的低熔点母材层(3)铺展浸润高熔点母材(5)，实现异 种合金的激光深熔钎焊连接。所述的激光束(1)与界面(6)在高熔点母材表面上的距离d为0. 5-1. 2mm，激光束 (1)与法线夹角为0-12°。所述的高熔点母材为钢、钛合金，低熔点母材为铝合金、镁合金。本发明的基本原理是对于产生金属间化合物铝/钢、铝/钛、镁/钢、镁/钛异种合金接头，焊接过程 中，采用具有高光束质量的高功率激光束，聚焦的激光束作用在熔点较高的母材一侧实现 深熔焊接；同时调整激光能量入射角度以及偏移量，控制激光能量输入，使高熔点母材侧的 熔池和界面之间保留一定厚度的固态中间层，通过高熔点母材固态中间层热传导使低熔点 母材熔化，液态的低熔点母材铺展浸润高熔点母材界面，实现异种合金的深熔钎焊。采用本发明的焊接方法，焊接过程中高熔点母材的熔化是通过激光深熔焊接模式 实现的，与基于热传导模式的激光深熔钎焊相比，激光能量利用率、焊接效率得到明显提 高，同时可以实现具有一定厚度的异种合金板材的焊接。同时，聚焦激光束作用在高熔点母 材一侧，使高熔点合金实现深熔焊接，提高了焊缝成形质量与焊接过程稳定性。焊接时通过调节激光束与界面之间的距离，控制高熔点母材侧固态间层厚度的变 化，继而实现了对低熔点母材一侧热输入量的调节。试验结果表明若激光束与界面之间的 距离小于0. 5mm时，偏移量过小，高熔点母材中间固态层易被熔化，与液态低熔点母材发生 剧烈反应，产生大量的金属间化合物；若偏移量大于1.2mm，偏移量过大，热量在热传导过程中损耗过大，不能实现低熔点母材的熔化，从而无法形成有效连接。焊接时，液态的低熔 点金属浸润的为固态的高熔点母材界面，这就避免了界面处两种金属液态混合生成复杂脆 性金属间化合物对接头质量的影响。另外，通过偏转激光入射角度，使界面垂直方向的能量分布均勻，改善深熔钎焊中 界面下部能量较小对液态低熔点母材浸润性的影响，可实现一定厚度板材的深熔钎焊。由 于激光束与界面之间的距离不能超过1. 2mm,在激光束与法线夹角大于12°时，激光的能 量在焊缝下部直接作用在两种合金界面，造成两种合金一并熔化，不能控制脆性金属间化 合物的形成。综上所述，本发明所述的一种异种合金激光深熔钎焊方法，采用高光束质量的激 光束实现一定厚度的异种合金板材的焊接，焊接工艺简单，焊接效率、激光能量利用率高， 焊接过程稳定性大大改善，较好的抑制了界面处金属间化合物的产生，提高了界面处液态 低熔点金属的铺展浸润能力，实现了良好的焊缝成形。同时，焊接不需要添加钎料，降低了 环境污染并节约了成本。
图1 异种合金激光深熔钎焊焊接过程示意图其中1.激光束、2.高熔点母材固态中间层、3.低熔点母材侧的熔化层、4.低熔点 母材、5.高熔点母材、6.界面、d.激光束(1)与界面(6)的距离、θ激光束(1)与其法线夹图2、采用本发明实施例1焊接的铝合金_钛合金焊缝横截面成型图。图3 采用本发明实施例2焊接的铝合金_钛合金焊缝横截面成型图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。焊接时，聚焦的激光束⑴作用在高熔点母材(5) —侧实现深熔焊接；控制激光束 (1)与界面(6)在高熔点母材表面上的距离d以及激光束(1)与法线的夹角θ，在高熔点 母材侧靠近界面(6)处形成高熔点母材固态中间层(2)，通过高熔点母材固态中间层(2)的 热传导使低熔点母材(4)熔化，熔化的低熔点母材层(3)铺展浸润高熔点母材(5)，实现异 种合金的激光深熔钎焊连接。所述的激光束(1)与界面(6)在高熔点母材表面上的距离d为0. 5-1. 2mm，激光束 (1)与法线夹角为0-12°。实例1、采用波长1070nm的光纤激光器，聚焦激光束(1)垂直入射在钛合金一侧， 激光束(1)与界面(6)的距离d为0. 6mm。铝合金材料为6061，钛合金TC4，厚度3mm ；激 光功率3100W。图2为以上参数焊缝的横截面图，焊缝界面上部生成的金属间化合物层最 大厚度为10 μ m，下部金属间化合物基本没有。实例2、采用波长1070nm的光纤激光器，聚焦激光束(1)倾斜入射在钛合金一侧， 其中激光束与法线夹角6°，激光束(1)与界面(6)的距离d为0. 6mm。铝合金材料为6061， 钛合金TC4，厚度3mm ；激光功率3100W。图3为以上参数焊缝的横截面成型图，焊缝界面 生成均勻的金属间化合物层，厚度约为5 μ m。
由图2、3可以看出采用本发明所得焊缝无裂纹、气孔等明显缺陷，焊接过程稳定， 同时由于界面处的钛合金存在固态中间层，避免了两种金属液态混合产生较厚的金属间化 合物层，接头性能得到改善。
权利要求
1.一种异种合金激光深熔钎焊方法，其特征在于，包括以下步骤焊接时，聚焦的激光 束(1)作用在高熔点母材( 一侧实现深熔焊接；控制激光束(1)与界面(6)在高熔点母 材表面上的距离d以及激光束(1)与法线的夹角θ，在高熔点母材侧靠近界面(6)处形成 高熔点母材固态中间层O)，通过高熔点母材固态中间层O)的热传导使低熔点母材(4) 熔化，熔化的低熔点母材层C3)铺展浸润高熔点母材(5)，实现异种合金的激光深熔钎焊连 接。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的激光束(1)与界面(6)在高熔点母材表 面上的距离d为0. 5-1. 2mm，激光束(1)与法线夹角为0-12°。
3.按照权利要求1的方法，其特征在于，所述的高熔点母材为钢、钛合金，低熔点母材为招合金、镜合金。
全文摘要
本发明公开了一种异种合金激光深熔钎焊方法，属激光材料加工技术领域。焊接时，聚焦的激光束(1)作用在高熔点母材(5)一侧实现深熔焊接；控制激光束(1)与界面(6)在高熔点母材表面上的距离d以及激光束(1)与法线的夹角θ，在高熔点母材侧靠近界面(6)处形成高熔点母材固态中间层(2)，通过高熔点母材固态中间层(2)的热传导使低熔点母材(4)熔化，熔化的低熔点母材层(3)铺展浸润高熔点母材(5)，实现异种合金的激光深熔钎焊连接。激光能量利用率、焊接效率得到明显提高，同时可以实现具有一定厚度的异种合金板材的焊接。避免了界面处两种金属液态混合生成复杂脆性金属间化合物对接头质量的影响。
文档编号B23K1/005GK102145420SQ20111009069
公开日2011年8月10日 申请日期2011年4月12日 优先权日2011年4月12日
发明者肖荣诗, 董鹏, 陈凯华 申请人:北京工业大学