基于激光熔融沉积增材制造技术的梯度钎料层制备和一体化钎焊工艺的制作方法

本发明属于焊接技术领域，具体涉及一种基于激光熔融沉积增材制造技术的梯度钎料层和相对应的一体化钎焊工艺。

背景技术：

在现代微电子和通信行业，为了达到更高的组装密度和相对应的散热需求，诸如信号发射器和高精度液冷板等高频器件及其相应散热构件发展具有小型化、一体化和轻量化等趋势。因此钎焊接头日趋复杂化和精密化，同时必须符合热强度、温度冲击等使用性能的要求。因此往往采用先焊接各个散热构件，再经配合端面铣加工后重新装配和整体钎焊的工艺流程。传统采用单一成分的钎料层多次钎焊往往会造成原始钎焊缝的重新熔化，从而降低钎焊接头的精度和使用性能。因此，研制一种满足其阶梯钎焊的梯度钎料层是目前亟待解决的关键问题。

由于高频器件及其相应散热构件具有极高的空间复杂度和较高的材料性能要求，使用单一或传统的加工制造技术很难实现这一目标。使用拓扑设计和激光选区熔化(slm)增材制造的高精度液冷板等换热器件不仅有效提高换热效率，同时也降低了重量。目前将激光选区熔化增材制造的金属件与同种/异种金属件连接的主要方式是激光焊或等离子束焊，但是由于增材制造件延展性差，残余应力较大，因此焊后极易开裂变形，需要焊前进行热处理工艺提高焊接性。因此，将真空钎焊及热处理一体化工艺应用于激光选区熔化制造的金属的连接上，不仅可以消除残余应力和提高延伸率等性能，还可以同时完成梯度钎焊，节省制造流程，进而降低生产成本。

传统的梯度钎料层大多采用箔带叠加法、粉末叠层法或物理气相沉积等方法制备，而激光熔融沉积增材制造技术(ldmd)属于送粉式增材制造，以激光束为热源，通过自动送粉装置将金属粉末同步、精确的送入激光在成形表面上所形成熔池中。最终得到具有均一成分的近净形钎料层结构。以6系铝合金为代表的微电子外壳强度相对较高，重量较轻，导电性良好。但是由于其固相线较低，使用传统加工方式冶炼的al-si系钎料，极易引起过烧。同时，采用al-si系钎料对结构复杂的6系铝合金构件进行多次分级钎焊时，容易导致焊缝重熔，晶粒粗大，降低焊接强度，影响焊接密封性，无法满足使用需求。基于激光熔融沉积增材制造技术制备的新型梯度钎料层对于温度敏感材料的钎焊具有重要的工程应用价值。

技术实现要素：

本发明针对基于激光选区熔化技术制造的铝合金、不锈钢以及钛合金等复杂结构换热件与同/异种金属材料的钎焊，设计发明了基于激光熔融沉积增材制造技术的高温、中温阶梯钎焊的梯度钎料层，以满足温度梯度钎焊的需求，弥补了现有工艺的不足。采用不同熔化温度梯度钎料层取代单一熔化温度的多级钎缝，同时降低了钎料熔点，提高了钎焊质量。

针对激光选区熔化增材技术制造的金属件残余应力大、延伸率低等问题，本发明同时提供一种真空钎焊及热处理方法，将由激光选区熔化增材制造技术制造的形状复杂的金属构件和由传统加工工艺(铸造，锻造或挤压等)制造的体积较大的金属构件通过焊接一次成形，并同时实现热处理，消除残余应力，改善焊缝成形，提高构件性能，提高生产效率，降低生产成本。

本发明为实现基于激光熔融沉积增材制造技术制造的梯度钎料层，进行步骤如下：

步骤一，对传统加工方式和激光选区熔化增材制造的金属件，精切削和抛光后实现表面粗糙度6.3-12的待钎焊面，作为基板，放入激光熔融沉积增材制造设备台上；

步骤二，在氩气氛保护下，使用粒度40-60μm的气雾化高温钎料预合金粉末，采用激光熔融沉积增材制造技术，固定激光功率600-1200w，扫描速度为4-8m·min^-1，相位角为90°，铺粉层厚约为80-200μm，将钎料呈层状熔覆于基板待钎焊区域；

步骤三，后换用使用粒度40-60μm气雾化中温钎料合金球形粉末，采用激光熔融沉积增材制造技术，固定激光功率600-1400w，扫描速度为4-8m·min^-1，相位角为90°，铺粉层厚约为80-200μm，将钎料呈层状叠加熔覆于步骤二制备的高温钎料层上；

步骤四，待充分冷却后，取出覆着梯度钎料的金属待钎焊件，即获得基于激光选区熔化增材制造技术的“高温+中温”梯度钎料层，然后即将其放入防氧化环境中；

在上述技术方案中，步骤一中使用的待焊金属材料主要有6系铝合金、奥氏体不锈钢和ti-6al-4v钛合金；

根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当步骤一中使用的待焊金属材料为6系铝合金时，步骤二高温钎料层所采用的预合金球形粉末可以为化学成分为si：9.0-10.0，mg：0.40-0.60，fe：≤2.0，al：余量(质量分数，％)的alsi10mg合金；或化学成分为si：11.0-13.0，cu：0.40-0.60，zn：≤0.2，al：余量(质量分数，％)的alsi12合金；步骤三中温钎料层所采用的预合金球形粉末可以为化学成分为cu:23-27，si:5-8，al:余量(质量分数，％)的al-si-cu合金；

在上述技术方案中，根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当步骤一中使用的待焊金属材料为奥氏体不锈钢时，步骤二高温钎料层所采用的预合金球形粉末可以为化学成分为cr：11-13，fe：4-4.2，b：2.8，si：4-5，c：0.03，ni：余量(质量分数，％)的b-ni2镍基合金；所采用的中温钎料层可以为化学成分为mn：30-32，co：10，cu：余量(质量分数，％)的cu58mnco或化学成分为ag：70-92，li：0.4-0.6，ni：0-1.5，cu：余量的银基钎料；

在上述技术方案中，根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当步骤一使用的待焊金属材料为ti-6al-4v钛合金时，所采用的中温钎料层可以为ag80cu16zn，所采用的高温钎料层可以为ti-15cu-15ni钎料层；根据权利要求1所述的方法，其特征在于：当步骤一中使用的待焊金属材料为ti-6al-4v钛合金时，步骤二高温钎料层所采用的预合金球形粉末可以为学成分为ti：65-75，cu：12-18，ni：余量(质量分数，％)的ti-cu-ni合金；

同时，本发明相应配套的真空钎焊及热处理一体化工艺进行步骤如下：

步骤一，母材的焊前处理：根据生产实际所需，通过不同加工方式分别制得由激光选区熔化增材技术制造的金属件和由传统加工方式(铸造，锻造或挤压等工艺)制造的金属件，对与步骤四制得的待焊件进行连接的同种/异种母材，精切削和抛光后实现表面粗糙度6.3-12的待钎焊面，进行焊前表面预处理以去除两种金属母材的氧化膜；

步骤二，钎焊前将所有打磨过材料在纯度99％～99.9％丙酮中采用20-40khz超声波浸浴5～10分钟，然后擦洗，吹干，室温干燥15min。组装成对接或搭接等接头形式放入夹具中并采用耐热钢压块压紧使其间隙不超过0.1mm；

步骤三，为使钎焊过程中母材不被氧化，需要先进行抽真空至冷态真空度不高于4.5×10^-3pa；

步骤四，升温加热，加热速率保持在10-12k/min，以保证被钎焊零件放出的气体被充分抽出，同时使组件受热均匀，保证零件中气体充分析出；

步骤五，加热至中温钎料熔点以上15～40℃，保温20～45分钟进行钎焊；继续加热至高温钎料熔点以上15～40℃，保温20～45分钟进行钎焊，保证熔化钎料尽可能铺展；

步骤六，连接过程完成后，根据待焊材料不同，选择以下热处理方式的一种或多种：1.在母材金属熔点以下10～300℃保温10～120分钟固溶退火处理；2.在母材金属熔点以下200～800℃保温4～48小时人工时效处理；3.其他随炉进行的热处理工艺。同时根据热处理工艺要求的不同，选择油冷淬火、水冷淬火或空气中冷却，完成工艺；

在上述技术方案中，步骤一中选用的激光选区熔化增材制造的金属材料主要有奥氏体不锈钢、6系铝合金和ti-6al-4v钛合金；

在上述技术方案中，步骤一中和激光选区熔化增材制造的金属件搭配的可以是传统加工方式制造的同种/异种金属，根据材料的不同选择合适的工艺流程及钎料层；

在上述技术方案中，步骤六中如果热处理工艺中有固溶或退火处理的需要，在加热到钎焊温度时，可同时停留一段时间进行固溶处理；

在上述技术方案中，步骤三、四、五、六和七中真空钎焊及热处理一体化工艺流程的设计，是以满足真空钎焊工艺的要求为首要目标，同时设计上尽量同时满足真空钎焊和热处理的工艺要求，以节省焊接时间，提高效率；

在上述技术方案中，步骤七中需在焊接工艺前设计相关的炉外或炉内冷却装置，以满足热处理工艺要求，常见的冷却方式有定向高压氮气快速冷却、油冷淬火和空冷等。

本发明的优点：

一、本发明特设计了基于激光熔融沉积增材制造技术的梯度钎料层，形成高、中温阶梯钎焊相结合，具有两个焊接温度梯度的精密焊接工艺手段，把单一熔化温度的钎焊缝改进为不同熔化温度的多级钎缝，大大提高了钎焊接头质量，改善了钎焊结构件的服役性能。

二、本发明可以实现激光选区熔化增材制造技术制造的金属件与传统加工方式(铸造，锻造或挤压等工艺)制造的同/异种金属件的连接，焊接方式相对简单，工艺相对固定，可以满足批量生产的需求，同时焊接接头成形良好，不易产生焊后开裂变形；

三、本发明所述的工艺中，真空钎焊和热处理工艺不是分开的，而是融为一体，可减少开炉次数，缩短加工周期，降低管控风险，避免工件多次加热导致的晶粒粗大等问题，稳定产品质量，达到降低能源消耗和人力成本，同时提高效率的目的；

四、针对激光选区熔化增材制造技术制造的材料所固有的残余应力大和延伸率差等问题，工艺中可以施加针对性的热处理工艺以消除残余应力和提高延伸率，可显著避免该类材料焊后极易出现的接头开裂和变形等缺陷，同时也使得母材力学性能显著提高；

附图说明

图1为梯度钎料层制造方法的示意图。图中：1为待钎焊金属件，2为激光熔融沉积增材制造技术制造的高温钎料层，3为激光熔融沉积增材制造技术制造的中温钎料层，4为同轴送粉激光发生器。箭头方向为激光熔融沉积方向。

图2为以基于激光选区熔化增材制造技术制造的6063铝合金和传统加工方式(铸造等)制造的6063铝合金为例的真空钎焊及热处理一体化工艺流程图。

图3为以基于激光选区熔化增材制造技术制造的6063铝合金和传统加工方式(铸造等)制造的6063铝合金为例的真空钎焊及热处理一体化工艺路线图。

图4为本发明实验用对接接头装配平面图。图中：5为由激光选区熔化增材制造技术制造的金属件，6为由传统加工方式(铸造，锻造或挤压等工艺)制造的金属件，7为基于激光熔融沉积增材制造技术制造的梯度钎料层。

图5是本发明实验用对接接头焊接夹具立体示意图。图中：8为压紧块，9为待焊试件，10为焊接夹具。

具体实施方式

下面通过具体的实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1

一种基于温度梯度钎料层制备方法和配套使用的针对激光选区熔化制造技术的6系铝合金真空钎焊及热处理一体化工艺，具体步骤如下：

步骤一，对和激光选区熔化增材制造的6系铝合金，精切削和抛光后实现表面粗糙度6.3的待钎焊面，作为基板，放入激光熔融沉积增材制造设备台上；

步骤二，采用质量分数为si：10.0％，mg：0.60％，fe：2.0％，al：余量的alsi10mg合金熔体气雾化后得到粒度50μm预合金粉末，在氩气氛保护下，采用激光熔融沉积增材制造技术，固定激光功率固定激光功率650w，扫描速度为6m·min^-1，扫描间距为90μm，相位角为90°，铺粉层厚为200μm，将钎料呈层状熔覆于基板待钎焊区域；

步骤三，后换用质量分数为si：12.0％，cu：0.40％，zn：0.2％，al：余量的alsi12合金熔体气雾化后得到粒度50μm预合金粉末，在氩气氛保护下，采用激光熔融沉积增材制造技术，激光功率600w，扫描速度6m·min^-1，扫描间距为90μm，扫描相位角为90°，铺粉层厚度200μm，将钎料呈层状叠加熔覆于步骤二制备的钎料层上；

步骤四，待充分冷却后，取出覆着梯度钎料的6系铝合金待钎焊件；

步骤五，对与步骤四制得的待焊件进行连接的同种的煅制母材，精切削和抛光后实现表面粗糙度6.3的待钎焊面，钎焊前将所有打磨过材料在纯度99％丙酮中采用2khz超声波浸浴5分钟，然后擦洗，吹干，室温干燥15min。组装成对接或搭接接头形式放入夹具中并压紧使其间隙不超过0.1mm；

步骤六，进行抽真空至冷态真空度不高于4.5×10^-3pa；

步骤七，升温加热46.5分钟，保持升温速率10k/min，加热至第一钎焊温度490℃，保温30分钟进行钎焊；继续加热7分钟至第二钎焊温度560℃，保温30分钟进行钎焊；

步骤八，连接过程完成后，随炉冷却在450℃下固溶退火2.5小时，随后油冷至150℃后人工时效10小时热处理，完成工艺。随后对接头进行剪切强度测试，所得接头强度为177mpa；

实施例2

一种基于温度梯度钎料层制备方法和配套使用的针对激光选区熔化制造技术的奥氏体不锈钢真空钎焊及热处理一体化工艺，具体步骤如下：

步骤一，对和激光选区熔化增材制造的奥氏体不锈钢，精切削和抛光后实现表面粗糙度6.3的待钎焊面，作为基板，放入激光熔融沉积增材制造设备台上；

步骤二，采用质量分数为cr：11％，fe：4.2％，b：2.8％，si：5％，c：0.03％，ni：余量的b-ni2镍基合金熔体气雾化后得到的粒度50μm预合金粉末，在氩气氛保护下，采用激光熔融沉积增材制造技术，使用的功率参数为：激光功率1100w，扫描速度10m·min^-1，扫描间距为90μm，扫描相位角为90°，铺粉层厚度约150μm层，呈层片状熔覆于基板待焊区域；

步骤三，后换用质量分数为mn：32％，co：10％，cu：余量的cu58mnco合金熔体气雾化后得到粒度50μm预合金粉末，在氩气氛保护下，采用激光熔融沉积增材制造技术，使用的功率参数为：固定激光功率1050w，扫描速度为10m·min^-1，扫描间距为90μm，相位角为90°，铺粉层厚约为150μm，呈层片状熔覆于基板待焊区域；

步骤四，待充分冷却后，取出覆着梯度钎料的奥氏体不锈钢待钎焊件；

步骤五，对与步骤四制得的待焊件进行连接的同种煅制母材，精切削和抛光后实现表面粗糙度6.3的待钎焊面，钎焊前将所有打磨过材料在纯度99％丙酮中采用20khz超声波浸浴10分钟，然后擦洗，吹干，室温干燥15min。组装成对接或搭接接头形式放入夹具中并压紧使其间隙不超过0.1mm；

步骤六，进行抽真空至冷态真空度不高于4.5×10^-3pa；

步骤七，升温加热98分钟，保持升温速率10k/min，加热至第一钎焊温度1000℃，保温30分钟进行钎焊；继续加热至第二钎焊温度1050℃，保温45分钟进行钎焊同时对母材实现固溶退火处理；

步骤八，连接过程完成后，使用大于400kpa氮气的定向高压冷却气流和散热器将样品快速冷却至室温。在900-500℃的温度范围内实现5℃/s的冷却速率，完成工艺，随后对接头进行剪切强度测试，所得接头强度为317mpa；

实施例3

一种基于温度梯度钎料层制备方法和配套使用的针对激光选区熔化制造技术的ti-6al-4v钛合金真空钎焊及热处理一体化工艺，具体步骤如下：

步骤一，对和激光选区熔化增材制造的ti-6al-4v钛合金，精切削和抛光后实现表面粗糙度6.3的待钎焊面，作为基板，放入激光熔融沉积增材制造设备台上；

步骤二，采用质量分数为ti：65％，cu：12％，ni：余量的ti-cu-ni合金熔体气雾化后得到的粒度50μm预合金粉末，在氩气氛保护下，采用激光熔融沉积增材制造技术，使用的功率参数为：激光功率1000w，扫描速度10m·min^-1，扫描间距为90μm，扫描相位角为90°，铺粉层厚度约200μm层，呈层片状熔覆于基板待焊区域；

步骤三，后换用质量分数为ag：70％，cu：14％，zn：余量的ag-cu-zn合金熔体气雾化后得到粒度50μm预合金粉末，在氩气氛保护下，采用激光熔融沉积增材制造技术，使用的功率参数为：固定激光功率900w，扫描速度为10m·min^-1，扫描间距为90μm，相位角为90°，铺粉层厚约为200μm，呈层片状熔覆于基板待焊区域；

步骤四，待充分冷却后，取出覆着梯度钎料的ti-6al-4v钛合金待钎焊件；

步骤五，对与步骤四制得的待焊件进行连接的同种煅制母材，精切削和抛光后实现表面粗糙度6.3的待钎焊面，钎焊前将所有打磨过材料在纯度99％％丙酮中采用20khz超声波浸浴10分钟，然后擦洗，吹干，室温干燥15min。组装成对接或搭接接头形式放入夹具中并压紧使其间隙不超过0.1mm；

步骤六，进行抽真空至冷态真空度不高于4.5×10^-3pa；

步骤七，升温加热76分钟，保持升温速率10k/min，加热至第一钎焊温度780℃，保温30分钟进行钎焊；继续加热至第二钎焊温度1050℃，保温30分钟进行钎焊同时对母材实现固溶退火处理；

步骤八，连接过程完成后，时在740℃退火90分钟，随后取出放入空气中冷却，完成工艺，随后对接头进行剪切强度测试，所得接头强度为896mpa；

实施例4

一种基于温度梯度钎料层制备方法和配套使用的针对激光选区熔化制造技术的奥氏体不锈钢真空钎焊及热处理一体化工艺，同实施例2，其不同之处在于将步骤三cu-mn-co预合金粉末替换为质量分数为ag：70-92％，li：0.4-0.6％，ni：0-1.5％，cu：余量的银基钎料合金熔体气雾化后得到的粒度40-60μm预合金粉末。