一种适用于中厚板铝/钢异种合金连接的双光束激光深熔钎焊方法与流程

本发明为双光束激光深熔钎焊方法。双光束激光深熔焊作为一种对传统深熔钎焊的改良，属于异种合金连接的激光加工领域。

背景技术：

铝及其铝合金具有优良的加工性及耐腐蚀的特点，在航空、航天、船舶、汽车等制造工业领域得到了广泛的应用。然而，钢具有更高的强度、更优良的加工及焊接性能,在制造业中始终处于主导地位。随着越来越多的铝及铝合金结构件在制造业中的应用，钢与铝的连接成了人们所关注的热点问题。

在船舶制造方面，越来越多的船舶通过采用铝合金制造上层建筑，从而减少自身重量，降低重心，改善稳定性，增加运载能力。但是目前采用的钢/铝复合过渡接头存在三个主要问题：1)钢/铝过渡接头会增加船舶自身重量2)采用爆炸焊时，焊接温度不能超过300℃，生产效率极低3)过渡接头的制造成本很高，生产程序复杂。

激光焊接作为一种新型的焊接方式，拥有能量密度高、焊接速度快、热输入可控、焊接变形小等一系列优点，已经成为了异种金属焊接的理想方法之一。根据对激光能量吸收方式的不同可以分为激光深熔钎焊和激光热导钎焊。激光热导钎焊指材料只产生熔化，焊接热量通过热传导的方式传递，激光作用在高熔点金属一侧，热量通过热传导的方式传递加热低熔点金属，并使低熔点金属钎接在高熔点金属表面。由于受到热传导的限制，通常激光热导钎焊用于薄板的焊接。激光深熔钎焊指聚焦光束作用于低熔点母材一侧进行深熔焊接，熔化的低熔点母材金属在接头界面处与高熔点母材通过合金元素的溶解与扩散等相互作用而形成钎接接头，由于激光深熔钎焊对激光能量利用率和焊接效率大大提高，且钎接界面不同部位温度不受热传导限制，对于舰船用中厚板钢/铝的焊接具有很大的优势。

然而，单光束激光焊接过程中，由于单光束激光能量密度较大、能量分布较为集中等特点，使得在焊接过程中，材料汽化严重、焊接匙孔不稳定、易产生气孔，飞溅等缺陷，影响焊缝微观结构与力学性能。不仅如此，在焊接过程中，采用单光束激光会导致焊接熔池的温度场分布不均，焊接过程中温度梯度较大。由于单光束激光熔钎焊在接头界面处各位置的温度梯度相差较大，使得金属间化合物的厚度不均匀，其中过厚或过薄的金属间化合物易出现裂纹，是接头的薄弱点。

目前，为了改善单光束激光熔钎焊界面处的温度梯度问题，研究人员采用了激光-电弧复合焊接的方式，发现采用MIG或TIG焊接能够在一定程度上改善单光束激光焊接的温度场分布。焊缝上部为激光和电弧综合加热区，但是下部仍主要为激光小孔效应加热。然而，研究发现虽然采用激光-TIG或MIG复合焊接能够有效的改善接头界面处温度场分布，但界面中下部温度场分布仍不均匀，导致界面处金属间化合物成型不规则，厚度不均匀。

研究人员对单、双光束激光的温度场分布进行了一定的研究，相比于单光束激光而言，双光束激光的热输入增长速率有所下降，到达峰值的时间延长，在冷却过程中，温度梯度下降也更为平滑，有利于形成均匀的金属间化合物，因此，双光束激光通过改变焊接温度场与熔池的流动方式可以改善上述单光束激光存在的问题。不仅如此，在双光束激光焊接同种金属的研究中，双光束激光焊接过程中具有许多工艺方面的优势：1)采用双光束能够扩大匙孔，减少等离子气体尺寸，从而提高焊接稳定性，减少飞溅、凹坑和咬边等缺陷，形成均匀美观的焊缝。2)采用双光束能够改善熔池的流动性，利于气泡上浮，能够有效的减少焊缝中的气孔含量。3)焊接前先采用小功率光束预热母材能够有效地消除氧化膜及除去水分，防止在焊接过程中引入氢元素恶化焊缝性能。

双光束激光焊接因其自身优势，近年来已有用于异种合金焊接的研究报道，主要是针对薄板镁/铝和钢/铝异种合金的连接，通过双光束激光改善填充焊丝的润湿铺展性，增加填充金属的铺展面积，进而产生良好成型的钎接接头。此外，还发现采用双光束激光焊接钢/铝薄板时，能够扩大熔宽，有助于焊缝成型，并且可以控制焊接温度场和熔池流动形式，能够抑制金属间化合物的生成。但是，已有的这些异种金属薄板接头为搭接形式，且在有填充材料的条件下进行，主要针对汽车轻量化制造的工业领域，而对于船舶制造中的中厚板钢/铝异种合金的对接接头的研究却鲜有报道。

技术实现要素：

本发明针对目前舰船用中厚板(6mm以上)钢/铝异种合金高效、优质连接的需求，以及单一激光熔钎焊钢/铝异种合金存在的问题，提出一种适用于中厚板钢/铝异种合金高效、优质连接的双光束激光深熔钎焊新方法。焊接过程中，采用分光镜获得两束不同能量的激光，定义大功率激光光束作为主光束，小功率激光光束作为辅助光束。两束光束串行排列，且两束激光均作用于钢侧实现深熔，通过调控激光能量及工艺参数，使接头界面处形成未熔化的钢固态层，将固态钢的热量通过热传导，熔化铝合金母材并且液态的铝合金与钢在界面处进行钎接，形成规则均匀的钎焊接头。

本发明双光束激光深熔钎焊方法：包括以下步骤：焊接前对钢(7)与铝合金(1)进行机械打磨，去除表面氧化物；将钢(7)与铝合金(1)需焊接在一起的面对接；焊接时，将双光束激光中的主光束和辅助光束均作用于钢(7)一侧，同时主光束偏离钢/铝界面(3)(即钢(7)与铝合金(1)的界面)一定偏移量dp，使得主光束在钢(7)一侧实现深熔，同时调整工艺，通过控制双光束激光与钢/铝界面(3)的偏移量dp，控制焊接热输入，使得焊接熔池与钢/铝界面之间形成一未熔化的钢固态层(4)，焊接热输入通过钢固态层(4)进行传导，使热量传输到铝合金(1)一侧，使铝合金(1)熔化(2)并与钢(7)进行钎接；主光束和辅助光束前后排列，辅助光束的作用为焊前预处理或焊后热处理，与主光束光斑之间保持一定距离d；辅助光束作为焊前预处理作用时，辅助光束在前，主光束在后；当辅助光束作为焊后热处理作用时，辅助光束在后，主光束在前。

本发明的双光束激光深熔钎焊方法，在焊接熔池前有焊接保护气进行保护，在焊接的后方有背部保护气保护。

主光束的功率大于辅助光束的功率，优选主光束和辅助光束是同一激光束采用分光镜同时获得。

通过本发明采用双光束激光深熔钎焊的方法，能够实现中厚板钢/铝异种金属的优质连接。

所述的双光束激光熔钎焊方法中，优选两束激光的焦点中心间距为d＝3mm，采用串行排布方式，发明采用了辅助光束在前和辅助光束在后两种焊接方式，激光垂直入射钢母材表面，聚焦在钢一侧。采用双光束激光能够改善铝合金的润湿铺展性，使其能够更好的与钢母材进行钎接，改善金属间化合物的不均匀性，提高焊缝质量。

采用辅助光束在前时，辅助光束对钢和铝合金有一个预热过程，使得当主光束实现深熔时，钢母材对激光的吸收率更大，积累的热量也更易于形成较宽的匙孔。在焊接过程中，匙孔较宽可以使等离子气体更好的析出，增强匙孔稳定性，使热量传导更加稳定、均匀。当采用辅助光束在后时，辅助光束可以延长熔池存在的时间，在主光束焊接完成后，增加液态铝合金的润湿铺展时间，增加铝合金的熔化量，大大提高铝合金的铺展性，提高钎接质量。

采用双光束激光深熔钎焊的方法进行焊接时，两束激光不直接作用于钢/铝异种金属界面处，通过主光束对钢母材进行深熔焊接，能够有效的利用激光功率形成小孔，能够满足钢/铝异种金属舰船用中厚板的焊接需求。同时，热输入通过钢固态层进行传导并熔化铝合金母材。采用这种方法，在焊接过程中可以有效的控制热输入，防止焊缝处由于热输入较大而产生较厚的金属间化合物层，保障了焊缝的力学性能。其次，本发明的创新在于采用了双光束激光对异种金属进行深熔钎焊。通过采用辅助光束进行焊前预处理或焊后热处理，有效地改善了铝合金母材的润湿铺展性，改善了焊接过程中匙孔的稳定性，减少了焊接过程中飞溅、气孔等一系列问题。钢固态层热传导更加均匀、稳定，使铝合金母材能够更好的与钢母材进行钎接。采用双光束激光改变了焊接温度场，从而改善金属间化合物层的不均匀性，提高焊缝质量，增强了焊缝的力学性能。本方法不采用钎剂，仅采用改良工艺的方法有效的抑制了脆性金属间化合物的生成，提高了钢、铝焊缝质量，更加适宜实际生产需求。

附图说明

图1：铝/钢异种合金双光束激光深熔钎焊原理图；

其中：1为铝合金，2钢与铝界面的钎接区，3为钢/铝异种金属界面，4钢固态层，5辅助光束(主光束)，6主光束(辅助光束)，7为钢，8为双光束激光深熔焊缝金属，9为焊接保护气，10为背保护气，d为两束激光焦点间距,dp 为焊接偏移量；

图2：为采用辅助光束在前的铝/钢异种合金焊接实例。

图3：为采用辅助光束在后的铝/钢异种合金焊接实例。

具体实施方式

焊接前对钢7与铝1进行机械打磨，去除表面氧化物。焊接时，将双光束5、6作用于钢7一侧，主光束在钢一侧实现深熔，同时调整工艺，通过控制激光束与钢/铝界面3的偏移量dp，控制焊接热输入。焊接熔池与钢/铝界面之间为钢固态层4。焊接热输入通过钢固态层4进行传导，使热量传输到铝合金1一侧，使铝合金熔化2并与钢进行钎接。辅助激光的作用为焊前预处理或焊后热处理，与主光束光斑之间保持一定距离d，辅助光束作为焊前预处理作用时，辅助光束5在前，主光束6在后。当辅助光束作为焊后热处理作用时，辅助光束6在后，主光束5在前。通过采用双光束激光深熔钎焊的方法，能够实现舰船用中厚板钢/铝异种金属的优质连接。

实例1：采用IPG公司生产的YLS-6000光纤激光器，激光波长为1070nm,双光束激光距离钢、铝界面层的偏移量为0.6mm，焊接速度为1.0m/min，离焦量为0mm。双光束激光聚焦在钢板一侧。试验采用的母材为6mm的5083船用铝合金板和6mm厚的Q235钢板，试样尺寸为150mm。双光束激光采用的总功率为3250W其中两光束能量配比为250W:3000W。图2为采用小功率在前进行焊前预处理的焊接实例图。可以发现，铝、钢界面结合平齐。界面处部分区域金属间化合物不均匀性得到改善，金属间化合物厚度为5.02μm，有效的抑制了金属间化合物的生长。界面间硬度值为714.6HV，有效的降低了界面处的脆性，有利于提高接头的抗拉强度。

实例2：采用IPG公司生产的YLS-6000光纤激光器，激光波长为1070nm,双光束激光距离钢、铝界面层的偏移量为0.6mm，焊接速度为1.0m/min，离焦量为0mm。双光束激光聚焦在钢板一侧。试验采用的母材为6mm的5083船用铝合金板和6mm厚的Q235钢板，试样尺寸为150mm。双光束激光采用的总功率为3250W其中两光束能量配比为250W:3000W。试验采用小功率激光在后进行焊后热处理作用。图3为其焊接实例图。可以发现，当小功率做焊后热处理时，焊缝成型良好，增加了液态铝合金的生成量，通过延长铝合金润湿铺展时间，提高了钎接质量。金属间化合物相对均匀，界面连续，平齐，金属间化合物为6.2μm，接头硬度值为718.5HV,不仅抑制了化合物的产生，还降低了焊缝的脆性，有效的提高了焊缝质量。