一种钛‑铝异种金属叠接接头激光焊接方法与流程

本发明涉及一种切割焊接领域，尤其涉及一种钛-铝异种金属叠接接头焊接方法。

背景技术：

为了满足结构轻型化、结构功能一体化和低成本设计与制造的发展要求，综合利用不同材料的性能优势，将具有不同特性的材料组合在一起使用已经越来越受到重视。钛合金比强度高、耐高温，但价格相对较为昂贵。铝合金密度小，价格相对较为低廉，因此当需要实现特殊用途时，可以使用钛-铝异种金属的复合结构。

在异种金属材料的焊接中，由于两种材料的物理化学性质各不相同，有的组合甚至差异很大，这将对焊接过程产生很大的影响。与同种材料的焊接相比，异种材料的焊接机理和操作技术都比同种材料要复杂的多。对于钛-铝异种金属组合由于其物理性质相差较大，在焊接中存在以下问题：1．钛与铝极易氧化，合金元素容易烧损蒸发；2．钛与铝在不同温度下发生反应和其他杂质生成脆性化合物；3．钛与铝的相互溶解度小，高温时吸气性大。

为了实现钛-铝异种金属的良好连接，人们提出熔-钎焊方法，这种焊接方法是使钛-铝异种金属中的铝合金和填充的焊丝材料受热熔化，而钛却处在固态下，即对铝合金是熔焊，而对钛是钎焊。对于钛-铝异种金属对接接头（cn105033386b、cn105382398a、cn106270876a）、搭接接头，利用这种焊接方法可以实现连接。而对于钛-铝异种金属叠接接头，通常需要依靠添加冶金粉末改善界面化合物相，辅助工艺较复杂。采用激光束直接辐照在钛-铝异种金属叠接接头的焊接方法，只能熔化位于叠接接头上方的钛合金板或铝合金板，此时激光束能量将聚集在钛-铝异种金属叠接界面，从而生成大量脆性金属间化合物。

技术实现要素：

本发明的目的是解决钛-铝异种金属叠接接头激光焊接过程中易出现脆性金属间化合物，结合界面小，接头强度低等问题。

本发明提供一种钛-铝异种金属叠接接头焊接方法，包括如下步骤。

步骤1、提供需要叠接焊接的第一工件与第二工件。

步骤2、将第一工件和第二工件上下垂直叠接并夹紧。

步骤3、提供激光切割系统，激光切割系统具有激光发生器、第一传输光纤、分光器、第二传输光纤、激光切割头，激光发生器经第一传输光纤与分光器相连，然后分光器经第二传输光纤与激光切割头相连。

步骤4、提供激光熔钎焊接系统，激光熔钎焊接系统具有激光发生器、第一传输光纤、分光器、第三传输光纤、激光焊接头、送丝头，激光发生器经第一传输光纤与分光器相连，然后分光器经第三传输光纤与激焊接头相连，激光焊接头、送丝头与激光切割头在焊接方向上串行成列设置。

步骤5、启动激光切割系统，激光切割头聚焦形成的第一激光束垂直辐照第一工件表面，得到贯穿第一工件和第二工件的激光切割缝。

步骤6、启动激光熔钎焊接系统，激光焊接头聚焦形成的第二激光束辐照第一工件表面，第二激光束中心线与激光切割缝的宽度方向对称面重合，激光焊接头、送丝头跟随激光切割头的轨迹进行填丝熔钎焊接，完成焊接过程。

在其中一实施例中，步骤1中，第一工件和第二工件分别为钛合金、铝合金。

在其中一实施例中，步骤1中，第一工件和第二工件厚度为0.8~2mm。

在其中一实施例中，步骤3中，激光切割系统中，激光切割头聚焦形成的第一激光束激光功率为2~6kw。

在其中一实施例中，步骤3中，激光切割系统中，激光切割头聚焦形成的第一激光束焦斑直径为φ0.2~φ0.5mm，焦点功率密度为10⁶~10⁷w/cm²。

在其中一实施例中，步骤3中，激光切割系统中，激光切割头输出的激光束可以是光纤激光，碟片激光，或co2激光。

在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中，激光焊接头聚焦形成的第二激光束激光功率为1~2.5kw。

在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中，激光焊接头聚焦形成的第二激光束焦斑直径为φ0.6~φ1.5mm。

在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中,填充焊丝为al-si系焊丝。

在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中,填充焊丝直径为φ0.5~φ1.0mm。

在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中,激光焊接头聚焦形成的第二激光光束中心线与竖直方向的夹角α为0~30°。

在其中一实施例中，步骤4中，激光熔钎焊接系统中,送丝头的送丝角度β为30°~75°。

在其中一实施例中，步骤5中，激光切割系统中,激光切割头聚焦形成的第一激光束垂直辐照第一工件和第二工件叠接接头，得到贯穿第一工件和第二工件的激光切割缝。

本发明的有益效果是。

1）在本发明中，首先采用高能量激光束辐照钛-铝异种金属叠接接头进行激光切割，得到贯穿第一工件和第二工件的激光切割缝，将钛-铝异种金属叠接接头转变为具有一定间隙的钛-铝异种金属对接接头，从而增大了钛-铝异种金属叠接接头的结合面积，大幅提高了钛-铝异种金属连接强度。

2)在本发明中，首先采用高能量激光束辐照钛-铝异种金属叠接接头进行激光切割，得到贯穿第一工件和第二工件的激光切割缝，将钛-铝异种金属叠接接头转变为具有一定间隙的钛-铝异种金属对接接头，能够有效避免叠接接头焊接时激光束能量聚集在钛-铝异种金属叠接界面而生成大量脆性金属间化合物的问题，从而提高了钛-铝异种金属连接强度。

3）本发明无需钎剂和复杂的设备，操作简单，过程稳定性好，更适宜于生产实际。

附图说明

图1是本发明实施例一种钛-铝异种金属叠接接头激光焊接方法的设备与母材布置示意图。

图2是图1所示方法中激光焊接区纵截面示意图。

图3是激光切割缝横截面示意图。

图4是激光熔钎焊焊缝横截面示意图。

图5钛-铝异种金属叠接接头常规激光焊接的焊缝示意图。

其中：1-第一工件，2-第二工件，3-焊丝，4-送丝头，5-激光切割缝，6-第一激光束，7-第一保护气喷嘴，8-激光切割头，9-第一固定支架，10-第二固定支架，11-激光发生器，12-第一传输光纤，13-分光器，14-第二传输光纤，15-第三传输光纤，16-激光焊接头，17-连接法兰，18-机械手，19-第三固定支架，20-第二激光束，21-第二保护气喷嘴，22-激光熔钎焊焊缝,23-激光熔钎焊熔池，24-激光切割熔渣，25-激光切割熔融金属区，26-焊接方向。

具体实施方式

以下将结合附图1-5以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。

该实施例提供了一种钛-铝异种金属叠接接头激光焊接方法，其步骤包括。

步骤1、提供需要叠接焊接的第一工件1与第二工件2，第一工件1与第二工件2分别为ti-6al-4v钛合金和5a06铝合金，可利用机械加工的方法制备形成。本实施例中，第一工件1与第二工件2的厚度为0.8~3mm。

步骤2、除去第一工件1和第二工件2上下表面上的杂质，用焊接夹具将第一工件1和第二工件2准确上下垂直叠接并夹紧，使得第一工件1和第二工件2在焊接夹具装夹下紧密贴合，即叠接板间间隙为零，从而可大大减少了焊装夹具的调整时间。

步骤3、提供激光切割系统，激光切割系统具有激光发生器11、第一传输光纤12、分光器13、第二传输光纤14、激光切割头8，激光发生器11经第一传输光纤12与分光器13相连，然后分光器13经第二传输光纤14与激光切割头8相连，第一固定支架9固定第一保护气喷嘴7。

激光切割头8聚焦形成的第一激光束6激光功率为2~6kw，焦点功率密度为10⁶10⁷w/cm²，焦斑直径为φ0.2~φ0.5mm。激光切割头9聚焦形成的第一激光束6可以是光纤激光，碟片激光，或co2激光。

步骤4、提供激光熔钎焊接系统，激光熔钎焊接系统具有激光发生器11、第一传输光纤12、分光器13、第三传输光纤15、激光焊接头16、送丝头4，激光发生器11经第一传输光纤12与分光器13相连，然后分光器13经第三传输光纤15与激光焊接头16相连，激光焊接头16、送丝头4与激光切割头8在焊接方向上串行成列设置，第二固定支架10和第三固定支架19分别固定送丝头4和第二保护气喷嘴21。

激光焊接头聚焦形成的第二激光束20激光功率为1~2.5kw，焦斑直径为φ0.6~φ1.5mm；第二激光束20中心线与竖直方向的夹角α为0~30°；送丝头4的送丝角度β为30°~75°。

步骤5、启动激光切割系统，激光切割头8聚焦形成的第一激光束6垂直辐照第一工件1表面，形成激光切割熔融金属区25，得到激光切割缝5，大量的激光切割熔渣24从底部喷出。

步骤6、启动激光熔钎焊接系统，激光焊接头16聚焦形成的第二激光束20辐照送丝头输送的焊丝3，填充焊丝为al-12si焊丝，焊丝3直径为φ0.5~φ1.0mm；激光焊接头16、送丝头4跟随激光切割头8的轨迹同步进行激光熔钎焊接，形成激光熔钎焊熔池23，得到激光熔钎焊焊缝22，完成焊接过程。

在本发明中，采用高能量激光束先对钛-铝异种金属叠接接头进行激光切割，得到贯穿第一工件1和第二工件2的激光切割缝5，将叠接接头转变为具有一定间隙的对接接头，从而增大了钛-铝异种金属叠接界面的结合面积，大幅提高了钛-铝异种金属连接强度。

在本发明中，首先采用高能量激光束辐照钛-铝异种金属叠接接头进行激光切割，得到贯穿第一工件1和第二工件2的激光切割缝5，将钛-铝异种金属叠接接头转变为具有一定间隙的钛-铝异种金属对接接头，能够有效避免叠接接头焊接时激光束能量聚集在钛-铝异种金属叠接界面（图5所示）而生成大量脆性金属间化合物的问题，从而提高了钛-铝异种金属连接强度。