一种基于纳米颗粒增强的激光冲击冷焊方法
【专利摘要】一种基于纳米颗粒增强的激光冲击冷焊方法，其特征是它包括以下步骤：1）用砂纸打磨飞片和工件待焊接表面去除氧化层，并用酒精将其洗净晾干。2）用无机粘结剂将纳米颗粒均匀地轻涂在工件待焊接表面。3）在约束层表面喷涂一层薄薄的黑漆作为吸收层。用粘合剂将飞片和涂有黑漆的约束层表面紧密粘结。4）使用强脉冲激光辐照在吸收层上产生高温高压等离子体诱导产生冲击波驱动飞片与工件高速碰撞，飞片以超高速撞击纳米颗粒层将微纳米颗粒植入焊接界面，实现飞片与工件的冷焊连接。本发明避免了热影响区和金属间化合物的产生，可以显著改善焊接界面区域材料的力学性能，有效提高焊接件的连接强度。
【专利说明】一种基于纳米颗粒增强的激光冲击冷焊方法
【技术领域】
[0001]本发明属于高速冲击焊接领域，尤其是一种应用了纳米颗粒增强效应和激光诱导冲击波加载驱动、飞片厚度在微米级尺度范围的冲击冷焊方法，具体地说是一种基于纳米颗粒增强的激光冲击冷焊方法。
【背景技术】
[0002]激光冲击焊接是一种新兴的高速冲击条件下的材料焊接技术，可以实现同种或异种金属材料之间的焊接连接，它利用脉冲激光诱导产生冲击波驱动板材高速运动撞击基材实现焊接区域材料的冶金结合，其优点在于可以实现厚度在微米尺度的飞片和工件的固态连接，有效地减少焊接界面区域的热影响区和金属间化合物的产生。然而，论文“Lasershock welding of aluminum/aluminum and aluminum /copper plates”石开究发现，当输入的激光能量过大时焊接界面区域仍会存在热影响区，此外，焊接件的连接强度相比于基材来说还很低，测试的失效位置通常发生在焊接区域，焊件的使用寿命受到了极大限制。
[0003]微纳米颗粒具有优异的力学和物理化学性能，常被用于金属材料表面改性，可以显著改善金属材料的表面结构性能，例如提高材料表面硬度，抗疲劳强度和耐腐蚀性能等。申请号为CN 101736214 A的专利:一种轻金属表面激光冲击微纳米颗粒注入强化方法，利用激光诱导产生冲击波驱动纳米颗粒植入轻金属表层，用于提高其表面的硬度、耐磨性和疲劳强度。申请号为CN 102251241 A的专利:一种激光冲击波诱导的微纳米颗粒植入的方法和装置，提出了一种利用激光诱导冲击波在复杂工件表面进行局部表面强化的装置。然而在冲击焊接领域，如何应用纳米颗粒的优越性能来提高上下层焊接材料的连接效果，改善焊接界面区域材料的力学性能，提高焊接件的连接强度具有重要的研究意义和广泛的应用前景。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是针对现有的激光冲击焊接方法存在的焊接区域的强度低于基材强度的问题，发明一种将纳米颗粒激光注入基材技术与激光冲击焊接技术相结合的新的激光冲击冷焊方法。
[0005]本发明的技术方案是:
一种基于微纳米颗粒增强的激光冲击冷焊方法，其特征是它包括以下步骤:
I)用砂纸打磨飞片和工件待焊接表面去除氧化层，并用酒精将其洗净晾干。
[0006]2)用无机粘结剂将纳米颗粒均匀地轻涂在工件待焊接表面，所述纳米颗粒层厚度为0.05、.5mm,自然干燥。
[0007]3)用钢化玻璃或有机玻璃做约束层，并在其表面喷涂一层厚度为0.1mm左右的黑漆作为吸收层。用腈基丙烯酸酯粘合剂将飞片和涂有黑漆的约束层表面紧密粘结。
[0008]4)使用强脉冲激光透过聚焦透镜形成一定直径大小光斑，辐照在吸收层黑漆上产生高温高压等离子体诱导产生冲击波驱动飞片与工件高速碰撞，飞片以超高速撞击纳米颗粒层实现点状冷焊；微纳米颗粒层受飞片超高速，超高应变率冲击加载作用植入焊接界面，实现飞片与工件的焊接连接，可以避免热影响区和金属间化合物的产生，有效地改善焊接界面区域材料的力学性能，如增大显微硬度，弹性模量等，并提高焊接件的拉伸剪切强度。
[0009]在步骤4)中采用单点冲击方式，其中激光光斑直径的大小通过调整焊接装置和聚焦透镜之间的距离来调整控制。
[0010]本发明需在特定的工艺和设备条件下实施:所述激光器为脉宽8?10纳秒的超短脉冲激光器，其激光能量为:Γ50焦耳；光斑直径控制在:TlO毫米。所述约束层钢化玻璃或有机玻璃的厚度为3飞毫米；飞片和工件均为常用金属材料，如铝，铜，钛，不锈钢等；其中飞片厚度需控制在0.Γ0.5毫米。
[0011]所述微纳米颗粒种类为碳化硅(SiC)和碳化钛(TiC)等，纳米颗粒尺度为?(Γιοο纳米。
[0012]本发明的有益效果是:
1、本发明基于高能短脉冲激光所产生的GPa量级冲击波效应驱动飞片以超高速，超高应变率和工件碰撞而将预置于工件待焊接表面的微纳米颗粒直接植入焊接界面区域，可以避免热影响区和金属间化合物的产生，有效地改善了焊接界面区域材料的力学性能，提高焊接件的连接强度，是一种全新的高速冲击焊接方法。
[0013]2、本发明作为一种非接触式加载方式，可以保证焊点的表面质量，防止焊点表面产生碎片影响表面的平整度，此外，多余的黑漆不能被完全吸收激光产生等离子体，而是受到冲击波的作用附着在焊点表面起到保护层的作用，可以进一步保证了焊点的表面质量。
[0014]3、本发明作为一种超高应变率的加载方式，焊接区域受到高压撞击的作用，焊接界面区域的材料将产生晶粒细化、位错和孪晶等组织改性，从而进一步改善焊接界面区域材料的力学性能。
[0015]4、本发明经过大量实验，创造性地将激光纳米植入技术与激光冲击焊接技术进行了有机的结合，解决了激光冲击焊长期以来未的焊接性能难以提高的难题。
【专利附图】
【附图说明】
[0016]图1是本发明的焊接装置的结构示意图。
[0017]图中:1.脉冲激光，2.聚焦透镜，3.约束层，4.纳米颗粒层，5.锁紧螺钉，6.工件，7.夹具，8.冲击角度，9.飞片，10.吸收层，11.压紧块。
【具体实施方式】
[0018]下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
[0019]如图1所示。
[0020]一种基于纳米颗粒增强的激光冲击冷焊方法，具体步骤如下:
I)用砂纸打磨飞片9和工件6的待焊接表面以去除氧化层，并用酒精将其洗净晾干。
[0021]2)用无机粘结剂(如硅酸钠粘合剂)将纳米颗粒均匀地涂履在工件6待焊接表面，所涂的纳米颗粒层4的厚度控制在0.05、.5mm,自然干燥，并利用锁紧螺钉5将工件锁紧在平具7上。
[0022]3)用钢化玻璃或有机玻璃做约束层3，并在其表面喷涂一层厚度为0.1mm左右的黑漆作为吸收层10。用腈基丙烯酸酯粘合剂将飞片9和涂有黑漆的约束层3表面紧密粘结，并用压紧块11压紧。
[0023]4)使用强脉冲激光透过聚焦透镜形成设定的直径光斑，辐照在吸收层10黑漆上产生高温高压等离子体诱导产生冲击波驱动飞片9与工件高速碰撞，飞片9以超高速撞击纳米颗粒层4的同时实现点状冷焊，微纳米颗粒层4受飞片9超高速，超高应变率冲击加载作用植入焊接界面，实现飞片9与工件6的焊接连接，可以避免热影响区和金属间化合物的产生，有效地改善焊接界面区域材料的力学性能，如增大显微硬度，弹性模量等，并提高焊接件的拉伸剪切强度。
[0024]上述方法中:激光器为脉宽8?10纳秒的超短脉冲激光器，其激光能量为3?50焦耳；光斑直径控制在:TlO毫米。约束层钢化玻璃或有机玻璃的厚度为:Γ5毫米；飞片和工件均为常用金属材料，如铝，铜，钛，不锈钢等；其中飞片厚度需控制在0.f0.5毫米；微纳米颗粒种类为碳化硅(SiC)和碳化钛(TiC)等，纳米颗粒尺度为?(Γιοο纳米。
[0025]下面结合附图以及具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。
[0026]图1所示为本发明所述的一种基于纳米颗粒增强的激光冲击冷焊方法的一个实施例。所述基于纳米颗粒增强的激光冲击冷焊装置包括脉冲激光1，聚焦透镜2，约束层3，纳米颗粒层4，锁紧螺钉5，工件6，夹具7，飞片9，吸收层10，压紧块11。飞片9与工件6的夹角8的角度为5-20度(本实施例为10度)，选择0.5毫米厚的纯铝做工件6，0.05毫米厚的钛做飞片9 (具体实施时，飞片9的厚度可根据需要选择)。首先，用粒度为#2000的砂纸打磨飞片9和工件6的待焊接表面，用酒精将其洗净晾干。然后，用无机粘结剂将粒度为50纳米的碳化硅颗粒均匀涂在工件6的焊接表面，自然干燥，其中碳化硅颗粒涂层4的厚度为0.1毫米(也可为0.05、.5_之间的任一数值)。用锁紧螺钉5将处理好的工件固定在夹具7的倾斜工作台上，此处设计的夹具的冲击角度8为10度。选择3毫米厚的有机玻璃做约束层3，并在其表面喷涂一层薄薄的黑漆做吸收层10，其中吸收层10厚度为0.1毫米左右。使用腈基丙烯酸酯粘合剂将飞片9和涂有黑漆的约束层3表面紧密粘结。然后，将约束层3和飞片9安装到夹具的水平工作台，用压紧块11固定压紧。焊接前先调整好聚焦透镜2和倾斜工作台7的垂直距离以获得直径为3毫米的光斑。通过计算机调整脉冲激光I的能量为6焦耳(可在3-50焦耳之间视具体参数自行选定)，激光器发出脉冲激光I经过聚焦透镜2透过约束层3辐照在吸收层10黑漆上，黑漆吸收了激光能量产生高温高压的等离子体，等离子体继续吸收激光能量急剧升温并膨胀，然后爆炸形成高强度爆轰波，在约束层3的约束作用下，冲击波驱动飞片9以高速向工件6撞击，在有角度倾斜撞击和高压作用下，飞片9和工件6的待焊接表面可以发生严重的塑性变形和材料流动，实现冶金结合，同时，部分微纳米颗粒4由于受到飞片的超高速冲，超高应变率冲击作用被直接植入焊接界面。
[0027]该方法处理后，得到了 3毫米左右的焊点，焊点的表面质量较好，通过光学显微镜观察焊接截面，发现焊接界面区域材料中有受冲击植入的纳米颗粒，并且，焊接界面不存在热影响区和金属间化合物。通过显微硬度测试发现，焊接界面区域材料的硬度较基材有较大提高。同时，拉伸剪切强度较未添加纳米颗粒涂层的焊接件也有了较大提高。
[0028]所述实施例为本发明的优选的实施方式，但发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员能够做出的任何显而易见的改进、替换或变型均属于本发明的保护范围。
[0029]本发明未涉及部分与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。
【权利要求】
1.一种基于纳米颗粒增强的激光冲击冷焊方法，其特征是它包括以下步骤: (1)用砂纸打磨飞片和工件待焊接表面去除氧化层，并用酒精将其洗净晾干； (2)用无机粘结剂将纳米颗粒均匀地涂履在工件待焊接表面，所述纳米颗粒层涂履厚度为0.05、.5mm,自然干燥； (3)用钢化玻璃或有机玻璃做约束层，并在其表面喷涂一层厚度为0.1mm左右的黑漆作为吸收层；用粘合剂将飞片和涂有黑漆的约束层表面粘结； (4)使用强脉冲激光透过聚焦透镜形成所需直径大小光斑，辐照在吸收层黑漆上产生高温高压等离子体诱导产生冲击波驱动飞片以超高速撞击工件，工件表面涂履的纳米颗粒层受飞片超高速，超高应变率冲击加载作用植入焊接界面，实现飞片与工件的点状固态冷焊焊接连接，避免了热影响区和金属间化合物的产生，有效地改善焊接界面区域材料的力学性能，增大显微硬度，弹性模量，并提高焊接件的拉伸剪切强度。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的激光器为脉宽8?10纳秒的超短脉冲激光器，其激光能量为3?50焦耳，光斑直径控制在3?10毫米；所述约束层钢化玻璃或有机玻璃的厚度为3飞毫米；飞片和工件均为金属材料，其中飞片厚度需控制在0.Γ0.5毫米。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的纳米颗粒种类为碳化硅(SiC)和碳化钛(TiC)，其尺度为1(Γ100纳米。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于所述的将飞片和涂有黑漆的约束层表面粘结的粘合剂为腈基丙烯酸酯。
【文档编号】B23K26/21GK104384713SQ201410464391
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年9月12日 优先权日:2014年9月12日
【发明者】王霄, 顾宇轩, 徐艳如, 邱唐标, 马友娟, 张迪, 刘会霞 申请人:江苏大学