一种用于铝/钢异种金属的激光深熔点焊工艺

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种用于铝/钢异种金属的激光深熔点焊工艺。

背景技术：

铝合金因具有良好的抗腐蚀性、成型性，无磁性、优良的耐腐蚀性、低温性等优点而被广泛地应用于工业领域，钢是最常用的一种金属材料，由于其具有良好的经济性，因此适用于大批量生产，同样被广泛地应用于工业领域。

钢、铝两种材料的焊接加工在工业领域中具有广泛应用，但是钢与铝具有不同的物理性能(如熔化温度、热膨胀率和导电性)，因此钢/铝异种金属在焊接过程中不可避免地生成脆硬的钢-铝金属间化合物，极大降低了焊接头的强度。虽然钢与铝的焊接已经得到了广泛的研究，但不同钢与铝材料的成功焊接仍是非常具有挑战性。目前，铝/钢焊接的实现方法多种多样，如电弧焊、搅拌摩擦焊、电阻点焊、超声波点焊、激光焊接等。基于以上方法的新型铝/钢点焊技术也接连出现，如冷喷涂中间层法电阻点焊、自冲铆接和电阻单元焊等，但是这些方法都有很多的局限性，如增加耗材、提高过程和焊接设备的成本等。

因此，仍需对现有的钢/铝异种金属的焊接技术作进一步的研究改进，以克服现有钢/铝异种金属焊接的缺陷和局限，提升钢/铝异种轻质构件的工业应用。

专利cn102145420a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。

本发明和该专利的不同点在于：

1.焊接方法不同，该专利中采用的激光深熔钎焊是对高熔点母材进行深熔焊，通过热传导的作用到低熔点母材使其熔化而形成钎焊，而本发明是直接进行深熔焊，并没有涉及到钎焊。

2.搭接方式不同，该专利的激光深熔钎焊采用的是对接，而本发明的激光深熔点焊是搭接。

3.焊接形式不同，该专利的激光深熔钎焊采用的是缝焊，而本发明的激光深熔点焊采用的是点焊。

4.连接机理不同，该专利的激光深熔钎焊接头只有冶金结合，而本发明的激光深熔点焊是机械连接和冶金结合一起作用于接头。

该专利的不足：

1.工艺流程相对复杂，需要控制距离以及调整激光的角度。

2.没有进行力学性能测试。

技术实现要素：

本发明的目的就是提供一种用于铝/钢异种金属的激光深熔点焊工艺，有效提高钢/铝合金焊接接头的焊接强度，成功地提高了力学性能，满足钢和铝合金异种金属焊接头的使用要求。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

一种用于铝/钢异种金属的激光深熔点焊工艺，所述异种金属分别为铝合金和钢，所述工艺具体为：采用搭接法将钢置于铝合金上，之后在保护气体的环境下进行激光深熔点焊，最终在深熔点焊的焊接头处形成锥形熔合区的钢/铝接头，得到铝/钢异种金属焊件。

所述搭接法具体为：将铝合金和垫块放置在垫板上，所述铝合金和垫块间隔分布，再在铝合金和垫块的顶部放置钢，所述钢的一端和铝合金相接触，再利用压具分别压紧铝合金和钢。

所述铝合金在焊接前先进行表面清理去除杂质、氧化物和油污，表面清理过程具体为：将铝合金置于一号氢氧化钠溶液中进行第一次浸泡，后取出进行第一次冲洗，再置于二号氢氧化钠溶液中进行第二次浸泡，后取出进行第二次冲洗，经干燥，即完成表面清理。

所述一号氢氧化钠溶液的浓度为10～15％，第一次浸泡的温度为60～70℃，第一次浸泡的时间为2～3分钟，第一次冲洗采用温度为20℃的冷水冲洗；

所述二号氢氧化钠溶液的浓度为30％，第二次浸泡的温度为20℃，第二次浸泡的时间为2～3分钟，第二次冲洗采用温度为40℃的热水冲洗。

所述钢在焊接前先进行表面清理去除杂质、氧化物和油污，表面清理过程具体为：将钢置于丙酮溶液中浸泡，后取出冲洗再干燥。

所述激光深熔点焊过程具体为：先用酒精擦拭在钢表面并吹干，用保护气体对焊接的正面进行保护，之后保护气体向钢的正面喷出，激光光束垂直于钢所在的平面保持不动实施焊接，停止出光收尾后，继续用保护气体保护连接钢和铝合金的焊缝，形成激光深熔焊后的铝/钢异种金属锥形熔合区接头。

所述保护气体选自氩气、氮气或者氩氮混合气中的一种或多种混合，氩氮混合气中氩气和氮气的体积比为1：1。

所述激光深熔点焊工艺参数为：焊接时间为2～4s，优选为3s，激光功率为2.70～2.90kw，优选为2.70～2.85kw，离焦量为22～24mm，保护气体的流量为20l/min。

激光光束聚焦在钢上表面上的光斑的中心线与钢和铝合金重叠处的中心线对中齐平。

所述激光光束的类型为高斯光束。

所述工艺还包括激光深熔焊结束后的冷却和清洗，具体为：激光焊接完成后，将铝/钢异种金属焊件静置冷却至室温，可降低开裂风险，将冷却至室温的铝/钢异种金属焊件进行洗刷，去除焊接表面的残余物。

本发明采用了连续激光进行了铝/钢深熔点焊试验，通过添加铜垫板及施加保护气，以及调整激光工艺参数，控制焊接热输入，在此焊接过程中界面发生了扩散和溶解，从而导致了冶金反应，形成锥形熔合区以及在界面处形成铁铝金属间化合物，金属间化合物的相从富铁金属间化合物(fe3al和feal)转变为富铝的金属间化合物(feal2和feal3)，实现了铁铝间良好的冶金结合，获得焊缝成型美观、无裂纹、少气孔的焊接接头，成功实现了机械联锁和冶金结合，提高了拉伸载荷，可高达1516.33±230.43n，而且也提高了接头强度，可达到620n/mm。这种铝/钢激光焊接方法简单方便、成本低廉、容易操作、操作方便灵活、过程控制简便、焊接效率高，不需要使用螺栓或铆钉，即可形成锥形熔合区，实现自铆焊接的方法，有效提高钢/铝合金焊接接头的焊接强度，成功地提高了力学性能，满足钢和铝合金异种金属焊接头的使用要求。

附图说明

图1为本发明钢合金和铝合金重叠搭接激光焊示意图；

图2为焊接完成后的钢和铝合金的结构示意图；

图3为实施例1、2、3、4和5制备得到的铝/钢异种金属焊件焊接接头的拉伸载荷测试结果；

图4为实施例1制备得到的铝/钢异种金属焊件焊接接头的截面扫描电镜图；

图5为实施例2制备得到的铝/钢异种金属焊件焊接接头的截面扫描电镜图；

图6为实施例6制备得到的铝/钢异种金属焊件焊接接头的截面扫描电镜图；

图7为对比例1中四种方式制备得到的铝/钢异种金属焊件接头的接头强度对比图。

图中：1-激光光束；2-压具；3-铝合金；4-保护气管出口；5-垫板；6-垫块；7-钢。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例1

一种用于铝/钢异种金属的激光深熔点焊工艺，异种金属分别为钢和铝合金，工艺具体为：采用搭接法将钢置于铝合金上，之后在保护气体的环境下进行激光深熔点焊，最终在深熔点焊的焊接头处形成锥形熔合区的钢/铝接头。具体细节如下所述：

一、焊材的选取

钢板(q235)：尺寸100mm×25mm，厚度1.8mm；

铝合金板(5052)：尺寸100mm×25mm，厚度2.0mm；

二、焊前准备

(1)表面清理

铝合金板的表面清理：(1)将铝合金板置于温度为60℃的10％氢氧化钠溶液中浸泡2～3分钟，20℃的冷水冲洗；(2)经步骤(1)处理后的铝合金板再置于30％氢氧化钠溶液中浸泡2分钟，40℃的热水冲洗，吹干。

钢板表面清理：20℃下，将钢板置于丙酮溶液中浸泡2分钟，吹干。

(2)搭接

如图1所示，将铝合金3和垫块6放置在垫板5(垫板为铜材质)上，铝合金3和垫块5间隔分布，再在铝合金3和垫块6的顶部放置钢7，分别沿钢7和铝合金3的长度为100mm的长边方向上进行重叠搭接，铝合金3和钢7重叠搭接的长度为25mm，再利用压具2分别压紧铝合金3和钢7。

三、施焊

焊接前，用酒精擦拭在钢表面上并吹干，用氩气对焊接的正面保护3秒；焊接时，氩气按照图1所示的气体方向由保护气管出口4喷出，同样确保激光旁轴辅助氩气保护，氩气纯度大于99.99％。

激光光束1(具体为高斯光束)沿图1所示出射，激光光束1保持不动进行实施焊接，焊接过程中，激光光束1垂直于钢7的上表面，激光光束1不倾斜或不偏移，聚焦在钢7上表面光斑的中心线与钢7和铝合金3重叠处的中心线对中齐平；激光深熔点焊工艺参数为：激光功率为2.85kw，焊接时间为3s，气体流量为20l/min，离焦量为22mm。

停止出光收尾后，连接钢7和铝合金3的焊缝继续用氩气保护3秒钟，得到铝/钢异种金属焊件，并在焊件的接缝处形成如图2所示的激光深熔焊后的钢/铝异种金属锥形熔合区接头。

四、焊后处理

(1)焊后冷却

激光焊接完成后，将铝/钢异种金属焊件静置冷却至室温，可降低开裂风险。

(2)焊后清理

将冷却至室温的铝/钢异种金属焊件进行洗刷，去除焊接表面的残余物。

五、结果测试

采用万能拉伸试验机测试钢和铝合金焊接接头的拉伸载荷，结果如图3所示(横坐标为焊接时间，通过焊接时间来区分不同实施例制得的焊件)，当焊接时间为3秒钟时，铝/钢异种金属焊件焊接接头的拉伸载荷约为1516.33±230.43n，明显高于其他时间。

本实施例所得铝/钢异种金属焊件焊接接头的截面图如图4所示，可看到，钢与铝接头之间无明显孔洞，并且形成锥形融合区，所得铝/钢异种金属焊件焊接接头无裂纹，完好成形，在此焊接过程中发生了界面发生扩散和溶解，从而实现了铁铝间良好的机械和冶金结合。测得铝的显微硬度约为54hv，钢的显微硬度约为170hv，而在连接界面附近得到了较高的硬度值(～910hv)，这与上述铁铝金属间化合物的形成有关。

实施例2

一种用于铝/钢异种金属的激光深熔点焊工艺，具体细节如下所述：

一、焊材选取

与实施例1相同。

二、焊前准备

(1)表面清理

表面清理方法与实施例1相同。

(2)搭接

搭接方法同实施例1相同。

三、施焊

施焊方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：激光参数为：激光焊接时间为2秒。

四、焊后处理

(1)焊后冷却：方法同实施例1。

(2)焊后清理：方法同实施例1。

五、结果测试

采用万能拉伸试验机测试钢和铝合金焊接接头的拉伸载荷，结果如图3所示，可看到，当焊接时间为2秒钟时，铝/钢异种金属焊件焊接接头的拉伸载荷约为459.01±49.99n。

本实施例所得钢和铝合金焊接接头的截面图(图5)结果与实施例1相似。

实施例3

一种用于铝/钢异种金属的激光深熔点焊工艺，具体细节如下所述：

一、焊材选取

与实施例1相同。

二、焊前准备

(1)表面清理

表面清理方法与实施例1相同。

(2)搭接

搭接方法同实施例1相同。

三、施焊

施焊方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：激光参数为：激光时间2.5秒。

四、焊后处理

(1)焊后冷却：方法同实施例1。

(2)焊后清理：方法同实施例1。

五、结果测试

采用万能拉伸试验机测试钢和铝合金焊接接头的拉伸载荷，结果如图3所示，可看到，当焊接时间为2.5秒钟时，铝/钢异种金属焊件焊接接头的拉伸载荷约为773.35±176.13n。

本实施例所得钢和铝合金焊接接头的截面图结果与实施例1相似。

实施例4

一种用于铝/钢异种金属的激光深熔点焊工艺，具体细节如下所述：

一、焊材选取

与实施例1相同。

二、焊前准备

(1)表面清理

表面清理方法与实施例1相同。

(2)搭接

搭接方法同实施例1相同。

三、施焊

施焊方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：激光参数为：激光时间3.5秒。

四、焊后处理

(1)焊后冷却：方法同实施例1。

(2)焊后清理：方法同实施例1。

五、结果测试

采用万能拉伸试验机测试钢和铝合金焊接接头的拉伸载荷，结果如图3所示，可看到，当焊接时间为3.5秒钟时，铝/钢异种金属焊件焊接接头的拉伸载荷约为409.81±75.61n。

本实施例所得钢和铝合金焊接接头的截面图结果与实施例1相似。

实施例5

一种用于铝/钢异种金属的激光深熔点焊工艺，具体细节如下所述：

一、焊材选取

与实施例1相同。

二、焊前准备

(1)表面清理

表面清理方法与实施例1相同。

(2)搭接

搭接方法同实施例1相同。

三、施焊

施焊方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：激光参数为：激光时间4秒。

四、焊后处理

(1)焊后冷却：方法同实施例1。

(2)焊后清理：方法同实施例1。

五、结果测试

采用万能拉伸试验机测试钢和铝合金焊接接头的拉伸载荷，结果如图3所示，可看到，当焊接时间为4秒钟时，铝/钢异种金属焊件焊接接头的拉伸载荷约为425.29±78.63n。

本实施例所得钢和铝合金焊接接头的截面图结果与实施例1相似。

综上，铝合金和钢进行激光深熔点焊，在焊接界面处的钢和铝合金形成锥形熔合区，可以形成机械连接和冶金结合，有效增强双相钢和铝合金之间的强度，改善双相钢和铝合金焊接接头的成形性，提高双相钢和铝合金焊接接头的力学性能。

实施例6

一种用于铝/钢异种金属的激光深熔点焊工艺，具体细节如下所述：

一、焊材选取

与实施例1相同。

二、焊前准备

(1)表面清理

表面清理方法与实施例1相同。

(2)搭接

搭接方法同实施例1相同。

三、施焊

施焊方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：激光参数为：离焦量为24mm。

四、焊后处理

(1)焊后冷却：方法同实施例1。

(2)焊后清理：方法同实施例1。

五、结果测试

当离焦量24mm时,采用万能拉伸试验机测试钢和铝合金焊接接头的拉伸载荷载荷约为790±87.1n。

本实施例所得钢和铝合金焊接接头的截面图(图6)结果与实施例1相似。

实施例7

一种用于铝/钢异种金属的激光深熔点焊工艺，具体细节如下所述：

一、焊材选取

与实施例1相同。

二、焊前准备

(1)表面清理

表面清理方法与实施例1相同。

(2)搭接

搭接方法同实施例1相同。

三、施焊

施焊方法同实施例1，与实施例1的不同之处在于：激光参数为：激光功率为2.7kw。

四、焊后处理

(1)焊后冷却：方法同实施例1。

(2)焊后清理：方法同实施例1。

五、结果测试

当激光功率为2.70kw，采用万能拉伸试验机测试钢和铝合金焊接接头的拉伸载荷约为450n±43.79。

本实施例所得钢和铝合金焊接接头的截面图结果与实施例1相似。

对比例1

由于不同焊接方法的不同，为了与其他点连接方式进行对比，进行了强度换算，具体采用的检测方法步骤根据国家标准《gbt2651-2008》进行。图7为激光深熔点焊(英文名为laserkeyholespotwelding)完成后的铝/钢接头强度与其它焊接方法(包括激光深熔缝焊(英文名为laserkeyholeseamwelding)、搅拌摩擦点焊(英文简称为fssw)、电阻点焊(英文简称为rsw))得到的铝/钢接头强度对比图(其中，接头强度的计算公式为接头强度＝载荷/距离，单位为n/mm，图7中还给出了强度实验前后的钢和铝合金焊接接头的实物图)。激光深熔点焊接头强度达到620n/mm，明显高于激光深熔缝焊(～115n/mm)和搅拌摩擦点焊(fssw)(～500n/mm)，而且该方法获得的接头强度可与电阻点焊(rsw)(～650n/mm)相媲美。

上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。