一种基于能量再分配的SiC/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法

本发明属于焊接，尤其是涉及一种基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法。

背景技术：

1、铝基复合材料是以铝合金为基体，在铝合金中加入增强体提升材料的性能，而且可根据应用的实际需要加入不同形状或类型的增强体，这使得铝基复合材料具有广阔的应用前景。sic具有硬度高，耐磨性好等优点，是铝基复合材料中常用的增强体，但是在sic/铝基复合材料焊接过程中，基体al合金和sic增强体之间容易发生化学反应，形成al4c3、alsic等脆性相，从而降低焊接接头的焊接质量，不能实现sic/铝基复合材料的高强连接。

2、目前，对于sic增强铝基复合材料的焊接方法较多，应用较为广泛的主要是激光焊接和搅拌摩擦焊接。激光焊由于其焊接速度快、焊接精度高等优点，但是由于铝基体的熔点在660℃左右，sic颗粒熔点在2700℃左右，且在激光作用下各自吸收的能量各不相同，铝合金基体对激光的吸收率很低，sic对激光的吸收率相对较高，因此激光焊接的复合材料焊接接头中容易产生大量脆性相，焊接接头性能不高。搅拌摩擦焊由于是固相焊接，焊接温度相比于激光焊较低，可以大大减小铝合金基体和增强相之间的相互反应，但是该方法对于工件形状结构有特殊要求，所以只能适用于一些简单结构的工件。

3、目前针对sic增强铝基复合材料熔焊过程中容易产生脆性相问题，许多学者进行了大量研究，主要通过控制激光的频率、控制熔池中的硅含量等因素，从而降低激光焊接过程中的金属间化合物，但是都没有从根本上消除焊接接头中脆性相。因此，有必要对sic增强铝基复合材料进行深入研究，消除焊接接头中脆性相，实现sic增强铝基复合材料的高强焊接。本发明的基金资助为：国家自然科学基金项目(51965022)。

技术实现思路

1、针对现有技术的不足，本发明的目的是提供的一种基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，解决现有技术中sic增强铝基复合材料熔焊过程中容易产生脆性相问题，通过调控焊接填料和母材吸收激光能量的比例，减小焊接过程中母材吸收的激光能量，阻碍焊接过程中sic与铝基体发生化学反应，从而消除焊接接头中al4c3、alsic等脆性相，实现sic/al复合材料的高强焊接。

2、本发明的技术方案是：

3、一种基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，sic/铝基复合材料包含有一定体积分数的碳化硅颗粒增强体和铝基体，碳化硅颗粒增强体的体积分数为5％～30％，剩下部分为铝基体；将sic/铝基复合材料板材母材对接，在氩气气氛下，将焊接填充材料在激光作用下对sic/铝基复合材料板材母材进行离焦法激光填料焊接。

4、所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，sic颗粒的粒径为5～15μm。

5、所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，在进行离焦法激光填料焊接前，将选取的sic/铝基复合材料板材进行打磨去除氧化层。

6、所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，通过调节激光工作光斑离焦距离、激光功率、激光扫描速率、填料成分参数实施离焦法激光填料焊接。

7、所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，利用控制单一变量的方法，分别调整激光工作光斑离焦距离、激光功率、激光扫描速率、填料成分参数进行焊接。

8、所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，离焦法激光填料焊接的工艺参数为：激光工作光斑离焦距离为-60mm～-5mm或10mm～90mm，激光焊接的功率在500w～3000w，激光扫描速率为3mm/s～30mm/s，焊接接头中sic与铝基体不发生反应，得到无al4c3、alsic脆性相的复合材料焊接接头。

9、所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，sic/铝基复合材料板材母材厚度在0.1mm～4mm，并在待焊接部位开设v型坡口，坡口角度为15°～90°，焊接的保护气氛氩气体积纯度≥99.9％。

10、所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，v型坡口在激光焊接前进行打磨、清洗和烘干处理，清洗试剂采用乙醇溶液，乙醇溶液的浓度为94～98wt％。

11、所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，在sic/铝基复合材料板材母材焊接过程中，焊接填料为铝合金或其复合材料粉末或丝，填料采用同轴送粉或送丝的方式进行，同轴送料的速率为3～25g/min。

12、所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，激光焊接填料粉末粒径为150～300目，激光焊接填料丝直径为3～10mm。

13、本发明的设计思想是：

14、金属基复合材料焊接过程中增强体与基体容易发生恶性反应生成脆性相、降低焊接接头性能，本发明所用的金属基复合材料为碳化硅颗粒增强铝基复合材料(sic/铝基复合材料)，其中sic的体积分数为5％～30％，焊接填料为铝合金及其复合材料粉末或丝，通过调控激光工作光斑离焦距离、激光功率、激光扫描速率等参数，调控焊接填料和母材吸收激光能量的比例，减小焊接过程中母材吸收的激光能量，阻碍焊接过程中增强体与基体发生化学反应，从而消除焊接接头中脆性相，实现复合材料的高强焊接。

15、本发明充分运用激光能量沿光斑直径方向呈高斯分布特点，即光斑中心能量密度大，偏离中心能量密度大幅度减小。焊接过程中实施不同的离焦量，可以调控作用在母材上的激光能量密度，离焦量越大，激光光斑就越大，母材吸收的能量密度就越小，因此控制离焦量可以有效实现填料和母材的激光能量再分配。同时各区域的能量还与激光功率、扫描速率、填料吸光率相关，激光功率越大、扫描速率越小，各区域吸收的能量就越大；填料成分不同，填料对激光的吸收率也不同，因此进一步实现焊接过程中作用于填料和母材的能量再分配，从而获得所需要的焊接接头形貌。

16、本发明的优点及有益效果包括以下几点：

17、1、本发明采用调控激光功率和激光工作光斑离焦距离的匹配，充分利用激光光源能量的高斯分布，使中心的填料充分吸收激光能量，增加焊接熔池流动性，增加焊接接头的熔合性，提升焊接质量。

18、2、本发明通过调控激光功率、焊接速度、激光工作光斑离焦距离等参数控制焊接时的线能量，利用离焦焊接使外围激光能量密度迅速下降，降低接头母材温度，改变焊接接头母材的的热输入，使接头处母材温度低于对sic和al的反应温度，避免sic和al发生化学反应，消除焊接接头中脆性相，从而实现sic/铝基复合材料的高强焊接。

19、3、本发明的焊接方法，无需通过复杂的焊前准备工作，通过调控工艺，可有效提高焊缝的成型质量，助力铝基复合材料的大规模工业应用。

技术特征：

1.一种基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，其特征在于，sic/铝基复合材料包含有一定体积分数的碳化硅颗粒增强体和铝基体，碳化硅颗粒增强体的体积分数为5％～30％，剩下部分为铝基体；将sic/铝基复合材料板材母材对接，在氩气气氛下，将焊接填充材料在激光作用下对sic/铝基复合材料板材母材进行离焦法激光填料焊接。

2.根据权利要求1所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，其特征在于，sic颗粒的粒径为5～15μm。

3.根据权利要求1所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，其特征在于，在进行离焦法激光填料焊接前，将选取的sic/铝基复合材料板材进行打磨去除氧化层。

4.根据权利要求1所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，其特征在于，通过调节激光工作光斑离焦距离、激光功率、激光扫描速率、填料成分参数实施离焦法激光填料焊接。

5.根据权利要求4所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，其特征在于，利用控制单一变量的方法，分别调整激光工作光斑离焦距离、激光功率、激光扫描速率、填料成分参数进行焊接。

6.根据权利要求1、4或5所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，其特征在于，离焦法激光填料焊接的工艺参数为：激光工作光斑离焦距离为-60mm～-5mm或10mm～90mm，激光焊接的功率在500w～3000w，激光扫描速率为3mm/s～30mm/s，焊接接头中sic与铝基体不发生反应，得到无al4c3、alsic脆性相的复合材料焊接接头。

7.根据权利要求6所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，其特征在于，sic/铝基复合材料板材母材厚度在0.1mm～4mm，并在待焊接部位开设v型坡口，坡口角度为15°～90°，焊接的保护气氛氩气体积纯度≥99.9％。

8.根据权利要求7所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，其特征在于，v型坡口在激光焊接前进行打磨、清洗和烘干处理，清洗试剂采用乙醇溶液，乙醇溶液的浓度为94～98wt％。

9.根据权利要求6所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，其特征在于，在sic/铝基复合材料板材母材焊接过程中，焊接填料为铝合金或其复合材料粉末或丝，填料采用同轴送粉或送丝的方式进行，同轴送料的速率为3～25g/min。

10.根据权利要求9所述的基于能量再分配的sic/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法，其特征在于，激光焊接填料粉末粒径为150～300目，激光焊接填料丝直径为3～10mm。

技术总结
本发明属于焊接技术领域，尤其是涉及一种基于能量再分配的SiC/铝基复合材料离焦法激光填料焊接方法。SiC/铝基复合材料包含碳化硅颗粒增强体和铝基体，碳化硅颗粒增强体的体积分数为5％～30％，剩下部分为铝基体；将SiC/铝基复合材料板材母材对接，在氩气气氛下，将焊接填充材料在激光作用下对SiC/铝基复合材料板材母材进行离焦法激光填料焊接。该方法包括调控激光工作光斑离焦距离、激光功率、激光扫描速率等参数，调控焊接填料和母材吸收激光能量的比例，减小焊接过程中母材吸收的激光能量，实现填料和母材的激光能量再分配，阻碍焊接过程中SiC与铝基体发生化学反应，从而消除焊接接头中Al<subgt;4</subgt;C<subgt;3</subgt;、AlSiC等脆性相，实现SiC/Al复合材料的高强焊接。

技术研发人员：赵明娟,赵龙志,李宇欣,陈炜加,张淑芳,江祥,朱俊涛
受保护的技术使用者：华东交通大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9