一种结合激光增材和激光焊接的异种金属材料连接方法与流程

本发明涉及激光焊接和激光增材制造领域，具体涉及一种结合激光增材和激光焊接的异种金属材料连接方法。

背景技术：

激光增材制造技术(Laser additive manufacturing,LAM)是一种近年来新兴的快速成形技术，主要通过使用分层制造技术进行增材制造，通过激光束的运动和烧结作用将粉末由CAD模型转化为实体零件。该技术无需任何工装模具，工艺简单，可实现金属零件的快速制造，降低成本，还能实现材料组分连续变化的梯度功能材料制造。与传统制造技术相比，具有柔性高、无模具、周期短、不受零件结构和材料限制等一系列优点。因此，激光增材制造技术广泛应用于航天航空、汽车、电子、医疗、军工等领域。

激光焊接技术(Laser beam welding,LBW)是一种新兴的焊接技术，属于熔融焊接。其主要是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接是激光材料加工技术应用的重要方面之一。激光焊接具有焊接速度快、深宽比大的特点。同时，激光焊接可将入热量降到最低的需要量，减小热影响区金相变化范围，减少因热传导导致的变形。因此，激光焊接技术广泛应用于汽车，航空等工业领域。

在实际的工业应用当中，为了实际的服役环境的需要，常常需要综合两种材料的性能，这就涉及了异种金属的连接问题。但是，在异种金属焊接过程中，由于异种金属的熔点，反射率，线膨胀系数等物理性能和化学性能的差异，造成了异种金属直接焊接的困难。同时，由于异种金属含有的金属元素不同，在焊接过程中容易产生脆性金属化合物，影响了异种金属焊接件的焊接质量，降低了异种金属焊接件的服役寿命。

技术实现要素：

本发明提出一种结合激光增材和激光焊接的异种金属材料连接方法，能够通过增材元素梯度变化的过渡金属板，将异种金属焊接转化为同种金属焊接，有效地解决了异种金属由于熔点相差较大导致的难焊问题，避免了异种金属焊接过程中脆性金属化合物相的产生，同时使用通过以高熔点金属为基板直接增材过渡金属的方式，减少了使用过渡金属进行焊接时的焊接次数，避免引入多余的残余拉应力，有效地提高了异种金属焊接件的使用寿命。

本发明采用的具体技术方案，步骤如下：

(1)对待连接的高熔点金属基材进行打磨毛化表面预处理，毛化区域的表面粗糙度为3.2-6.4μm，并将其固定于激光增材制造设备的工作台上。

(2)以高熔点金属基材待连接表面为基面，将两个送粉器以不同的送粉速度同时置于高熔点金属基材的基面，从指定的起点按既定轨迹开始过渡金属第一层的增材制造过程。激光增材制造的参数为：800-2500W,光斑直径为1-3mm，每层增材的厚度为0.5-2mm。

(3)完成一层打印后，分别改变两个送粉器的送粉速度以改变混合粉末的比例，继续下一层的打印。每层的高熔点金属粉末送粉速度和低熔点金属粉末送粉速度的比为[100-(n-1)100/(N-1)]：[100(n-1)/(N-1)]，其中，N为增材总层数，n为正在打印的层数。

(4)重复步骤(3)，保证每层的元素比例为高熔点金属粉末的质量比例为[100-(n-1)100/(N-1)]％,低熔点金属粉末的质量比例为[100(n-1)/(N-1)]％，并且随着层数的增加，高熔点金属粉末的比例递减，低熔点金属粉末的比例递增，直至第N层(最后一层)粉末为质量比例100％的低熔点金属粉末,打印完成的过渡金属的长度L＝0.5N mm，且两种金属的元素含量沿过渡金属长度方向梯度变化。完成过渡金属板的增材制造后，清理多余粉末，对过渡金属板待连接表面进行打磨，使用激光功率为350-1000W，激光控制电流为40-100A，脉冲宽度为10-20ns，脉冲频率为2-10Hz的激光焊接方法完成过渡金属的低熔点金属端与待连接低熔点金属基材的焊接。

本发明能够通过增材元素梯度变化的过渡金属板，将异种金属焊接转化为同种金属焊接，有效地解决了异种金属由于熔点相差较大导致的难焊问题，避免了异种金属焊接过程中脆性金属化合物相的产生，同时通过以高熔点金属为基板直接增材过渡金属的方式，减少了使用过渡金属进行焊接时的焊接次数，避免引入多余的残余拉应力，有效地提高了异种金属焊接件的使用寿命。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术的技术方案，下面对实例或现有技术所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为本方法涉及的待连接金属和过渡金属板尺寸示意图；图中a低熔点金属，b为过渡金属，c为高熔点金属。

图2为过渡金属增材制造的轨迹示意图。

图3为本文具体实施案例2的混合粉末比例变化趋势示意图；图中a为钛合金粉末，b为铝合金粉末。

图4为本文具体实施案例对比组1焊接界面微观组织示意图；图中a为钛合金侧，b为铝合金侧。

图5为本文具体实施案例对比组2钛合金和过渡金属界面微观组织示意图；图中a为过渡金属侧，b为钛合金侧。

图6为本文具体实施案例对比组2铝合金和过渡金属界面微观组织示意图；图中a为过渡金属侧，b为铝合金侧。

表1为本文具体实施案例性能测试数据对比。

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。

实施例1

实施例1所用的Al合金粉末为A6061-T6铝合金粉末，Ti合金粉末为TC4钛合金粉末，实施例1使用A6061-T6铝合金和Ti合金异种金属直接焊接的方式，其具体步骤如下：

(1)对待焊金属的焊接面进行打磨，直至去除表面的氧化膜为止。

(2)使用激光焊接对A6061-T6铝合金和TC4钛合金直接进行焊接，焊接工艺参数为激光功率500W，激光控制电流50A，脉冲宽度15ns，脉冲频率8Hz。

(3)测试TC4钛合金和A6061-T6铝合金直接焊接的异种金属焊接件的抗拉伸性能作为对比组1。

实施例2

实施例2所用的Al合金粉末为A6061-T6铝合金粉末，Ti合金粉末为TC4钛合金粉末，在本实施例一种结合激光增材和激光焊接的异种金属材料连接方法中，待制备过渡金属长度为30mm，层数N＝60，基体和过渡金属具体尺寸如图1所示。

一种结合激光增材和激光焊接的异种金属材料连接方法，其步骤为：

(1)对待连接TC4钛合金表面进行打磨毛化表面预处理使毛化区域的表面粗糙度为4.8μm，并将其固定于激光增材制造设备的工作台上。

(2)以TC4钛合金待连接表面为基面，将两个送粉器同时置于TC4钛合金的基面，按照如图2所示的起点和扫描路径开始过渡金属第一层的增材制造过程。激光增材制造的参数为：激光功率为1000W,光斑直径为2mm，每层增材的厚度为0.5mm。第一层的TC4钛合金粉末的送粉速度为1000mm/min，A6061-T6铝合金粉末的送粉速度为0mm/min，第一层的粉末配比为100％的TC4钛合金粉末。

(3)完成一层打印后，分别改变两个送粉器的送粉速度以改变混合粉末的比例，继续下一层的打印。第二层的TC4钛合金粉末的送粉速度为983mm/min，A6061-T6铝合金粉末的送粉速度为17mm/min，第二层粉末配比为98.3％的TC4钛合金粉末和1.7％的A6061-T6铝合金粉末。第三层的TC4钛合金粉末粉末的送粉速度为966mm/min，A6061-T6铝合金粉末的送粉速度为33mm/min，第三层粉末配比为96.6％的TC4钛合金粉末和3.4％的A6061-T6铝合金粉末，每层依次TC4钛合金粉末的比例递减，A6061-T6铝合金粉末的比例递增，直至第60层(最后一层)粉末比例为100％的A6061-T6铝合金粉末。

(4)完成过渡金属增材制造过程后，清理多余粉末，使用激光焊接完成过渡金属Al端与待焊A6061-T6铝合金的连接，激光焊接工艺参数为激光功率500W，激光控制电流50A，脉冲宽度15ns，脉冲频率8Hz。从而完成异种金属的连接过程。

(5)测试使用该方法连接的铝-钛异种金属焊接件的抗拉伸性能作为对比组2。

对比组1和对比组2的焊缝界面微观组织示意图如图4，图5和图6所示，由图4和图5与图6的对比可知，本方法焊接的焊缝两侧金属的微观组织的差异不明显，两侧金属的融合性更好，焊接质量更高。

对比组1和对比组2的抗拉伸性能如表1所示，由表可知，本方法有效地提高了铝钛异种金属焊接件的抗拉伸性能。

表1