專利名稱：一種激光填絲連接鋁合金與鋼的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明是一種通過填充焊絲連接鋁和鋼異種金屬的激光焊接方法，適用于異種材 料連接領(lǐng)域，尤其適合熔點以及熱物性相差很大的異種材料之間的連接。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代社會能源緊缺，節(jié)能減排的產(chǎn)品越來越受到消費者的青睞。眾多廠家在產(chǎn)品 中紛紛使用輕質(zhì)材料或采用兩種材料連接的模式，以達到減輕產(chǎn)品自身重量的目標。世界 范圍的工業(yè)生產(chǎn)中，“鋼+鋁”異種金屬焊接結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品越來越多，例如在汽車行業(yè)中，新奧 迪TTASF車身的概念設(shè)計首次使用鋁合金與高強度鋼混合的制造技術(shù)；寶馬5系即是鋼制 車身和鋁制車首的結(jié)合體實例。在船舶制造中，由鋁質(zhì)的上層建筑與鋼質(zhì)的主甲板組成的 輕質(zhì)船舶是未來的發(fā)展方向。另外鋁合金與不銹鋼的連接結(jié)構(gòu)在日常生活中也有著非常廣 泛的應(yīng)用。但是由于鋼與鋁合金的熔點以及熱物理特性相差很多，它們之間直接焊接的難 度很大，探討鋼與鋁合金的連接方法非常重要。鋁合金和鋼異種金屬熔化焊接的關(guān)鍵在于焊接時熱輸入量的控制。當熱輸入量較 大時，焊接接頭形成的金屬間化合物層較厚，大量脆性化合物的存在使焊接接頭很難滿足 實用性要求；當熱輸入量較小時，金屬間化合物層的厚度太薄，釬焊接頭不能實現(xiàn)致密性連 接，接頭強度低。到目前為止，還未能實現(xiàn)鋁合金與鋼的有效熔化連接。因此，人們先后采 用摩擦焊、爆炸焊、擴散焊、超聲波焊等固態(tài)連接的焊接方法連接鋁合金和鋼，旨在焊接接 頭減少金屬件間化合物形成的幾率，可是這些焊接方法因為各自的焊接特點使得它們的應(yīng) 用范圍都相對較小，并且各自存在局限性，難以滿足大批量生產(chǎn)對高生產(chǎn)效率的要求。因而 鋼與鋁合金連接方法的探討都局限在熔化連接和釬接兩種方法上。以電弧為熱源的MIG焊由于電弧的廣泛存在以及制造成本較低而備受關(guān)注。但是 電弧為發(fā)散熱源、在焊接過程中熱輸入量難以控制，容易形成較大的熱影響區(qū)，焊接接頭形 成的金屬間化合物層厚也難以控制。例如日本學(xué)者曾使用CMT電弧焊技術(shù)實現(xiàn)了鋁-鋼異 種金屬薄板的連接，與其他固態(tài)焊接方法相比其適應(yīng)性也有了較大提高，但是受電弧特性 的限制，其生成效率難以滿足大批量生產(chǎn)的需求。另外國內(nèi)外很多人采用激光-電弧復(fù)合 熱源焊接技術(shù)焊接鋁和鋼，同樣受電弧特性的限制，其生產(chǎn)效率難以滿足大批量生產(chǎn)制造 的需求。德國和法國學(xué)者都曾采用YAG激光器添加焊絲的方法連接鋁合金與鋼板，基本方 法是使熔化后的焊絲在鋼板表面鋪展，確保鋼板表面不被熔化，在鋼板與焊縫之間的界面 形成釬接界面，即鋼板與鋁合金板通過填充金屬形成釬接接頭。雖然這種連接方式在鋼板 與焊縫之間的界面處生成較薄的金屬間化合物層，但是其釬接接頭形式使這種焊接工藝本 身存在嚴重弊端1、釬接接頭連接強度比較低，且接頭的耐熱能力差，這些特點可能會導(dǎo)致 焊接接頭性能弱化甚至失效。2、保證鋼板不被熔化的參數(shù)窗口很小，實際操作時焊接過程 不易操作，這會導(dǎo)致生產(chǎn)效率低。以上這些問題的存在，使這種激光填絲焊接方法的應(yīng)用受 到很大限制，所以急需一種簡單、實用的連接鋁合金和鋼的方法。
激光填絲焊接技術(shù)是20世紀80年代發(fā)展起來的，與傳統(tǒng)的焊接技術(shù)相比，激光焊 的優(yōu)勢在于焊接熱輸入量可控、焊接速度快、焊接效率高、焊接變形小、光束的可達性好，是 其他傳統(tǒng)熱源不能比擬的。在焊接過程中添加填充焊絲不僅起到穩(wěn)定焊接過程的作用，還 在待焊材料之間起到很好的橋聯(lián)作用，有利于異種金屬之間的連接，而且可以通過調(diào)整焊 絲的成分有效的提高焊接接頭的性能。這些技術(shù)的特點為鋁合金和鋼的激光填絲連接提供 了可能。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決背景技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種方便、快捷的實現(xiàn)鋁合金和 鋼的激光填絲連接方法。該方法以填充焊絲為連接金屬，使用千瓦級激光器作為熱源，通過 嚴格控制焊接過程中的熱輸入量以及焊接工藝來控制鋼板表面發(fā)生的熱傳導(dǎo)以及熔化過 程，在鋼板表面形成微小熔區(qū)，使鋁合金與鋼板之間形成熔焊與釬接的混合連接，這樣不僅 實現(xiàn)了鋁合金與鋼板之間的連接，也控制了連接區(qū)金屬間化合物的層厚，通過微小熔化區(qū) 的形成提高了接頭的連接強度，實現(xiàn)了鋁合金與鋼的高效連接，解決了異種金屬焊接中不 能優(yōu)質(zhì)、高效連接的難題。本發(fā)明的技術(shù)方案參見圖1、圖2，激光填絲連接鋁合金和鋼的方法，其特征在于 對待焊材料表面清洗后，首先將待焊鋼板2與鋁合金板1裝配成鋁合金板在上、鋼板在下的 搭接接頭，其中激光束5、送絲噴嘴4與保護氣噴嘴6固定在同一平面內(nèi)，送絲噴嘴4與保 護氣噴嘴6分別位于激光束5的兩側(cè)，激光束5垂直入射至鋼板表面，鋁合金焊絲與鋼板2 表面間的夾角(即送絲角度3)在45-60°之間，保護氣噴嘴與鋼板2表面間的夾角(即保 護氣角度7)為45° ；焊接時保證激光焦點與鋁合金焊絲的落絲點以及保護氣體的送入點 一致；鋁合金焊絲落絲點在鋁合金板1上，且鋁合金焊絲中心軸線與在鋼板2與鋁合金板 1搭接接頭的距離為鋁合金焊絲直徑的0. 7-0. 9倍；在焊接的過程中還需通過調(diào)節(jié)激光功 率、焊接速度和送絲速度來準確控制焊接熱輸入量，使焊絲熔化，位于焊接接頭上面的鋁合 金板熔化，鋼板2在熔化焊絲的熱傳導(dǎo)作用下發(fā)生微小熔化，熔層在0. 1-0. 6mm之間，進而 與熔化的焊絲在鋼板一側(cè)形成熔_釬焊焊接接頭，而在鋁合金板一側(cè)形成熔化焊連接從而 實現(xiàn)搭接連接；焊接過程需保證鋁合金焊絲的送入方向與焊接方向9相反，焊接過程采用 氦氣保護。所述的鋁合金與鋼異種金屬激光填絲連接方法中，激光光源可以為C02、Nd:YAG、 半導(dǎo)體或者光纖激光的任意一種，光束的橫截面分布可以是高斯分布、平頂方形分布或者 矩形平頂分布的任意一種。送入焊接區(qū)的焊絲為AlSi焊絲，直徑在0. 8-1. 2mm之間，質(zhì)量百分比在4. 5-13% 之間。鋼板為普通低碳鋼、低合金鋼或者鍍鋅鋼板，鋁合金板為純鋁或鋁合金。本發(fā)明的基本原理是在焊接時將鋁合金板與鋼板裝配成鋁合金在上，鋼板在下的搭接形式，通過調(diào)節(jié) 激光輻照在鋁合金焊絲的位置、鋁合金焊絲與鋁合金板側(cè)邊的距離，使激光束、焊絲和被焊 鋁合金板三者在合理的相對位置上，精確控制焊接時的熱輸入量即采用合理的激光功率、 焊接速度和送絲速度，使熔化的AlSi填充焊絲和6061鋁合金板形成過渡性良好的聯(lián)接接 頭；而在DC06鋼板一側(cè)，使鋼板在熔化焊絲的熱傳導(dǎo)作用下發(fā)生區(qū)域很小的熔化區(qū)，使該界面形成既有微小的熔化區(qū)又有釬接區(qū)的混合結(jié)合區(qū)，從而實現(xiàn)這兩種金屬的熔-釬連接。通過激光焊接時熱輸入量精確可控的特點，精確控制焊接過程中的熱輸入量，使 焊接頭內(nèi)部焊縫與鋼板的界面處產(chǎn)生兩個連接區(qū)域，分別為很小的熔化區(qū)10-2和釬接區(qū) 10-1。焊接區(qū)的橫截面形狀根據(jù)光斑形狀(高斯型、平頂方形分布或者矩形平頂分布) 分別呈倒高斯型、梯形或者長方形，但是激光光斑直徑或者長方形的其一邊長尺寸控制在 0. 34 0. 42mm之間，精確控制激光束5的能量，使鋼板在熔化焊絲的熱傳導(dǎo)作用下發(fā)生輕 微的熔化，熔層深度在0. 1-0. 6mm之間，由于熔化層很小，此時形成的金屬間化合物的量很 小，金屬間化合物的層厚得到控制，不會對接頭的性能帶來不利影響，相反，由于此處的熔 化區(qū)，大大提高了接頭的連接強度；使鋼板與熔化的焊絲之間形成熔-釬焊焊接接頭。Al-Si焊絲中Si元素不僅可以降低焊絲的熔點，還可以改善焊絲的電化學(xué)性能， 有效防止焊縫晶界腐蝕。另外，Si還能減緩金屬間化合物層生長的作用，使互熔在一起的 鋼與焊絲在冷卻時產(chǎn)生的金屬間化合物生長受到限制，大大減少鋁合金與鋼連接界面處金 屬間化合物的層厚。同時Al-Si焊絲能與熔化的鋁合金形成過渡性非常好的接頭，此接頭 由熔化區(qū)10-3凝固后形成。


圖1 激光填絲焊接鋁合金與鋼的方法示意圖。圖2 焊絲熔化后形成的搭接接頭示意圖。圖3 采用本發(fā)明方法焊接的鋁合金與鋼的焊接接頭橫截面實施例1。圖4 采用本發(fā)明方法焊接的鋁合金與鋼的焊接接頭橫截面實施例2。圖中1、鋁合金板，2、鋼板，3、送絲角度，4、送絲噴嘴，5、激光束，6、保護氣噴嘴，7、 保護氣角度，8、焊縫，9、焊接方向，10-1、焊縫與鋼界面的釬接區(qū)，10-2、焊縫與鋼界面的熔 化區(qū)，10-3、焊縫與鋁的熔化區(qū)
具體實施例方式以下為本發(fā)明的實施例與效果。實驗采用SLABCO2激光器，波長為10. 6 μ m，功率為3500W.
實驗采用的工件6061-T6鋁合金70X30X2.Omm ；DC06鋼板:70mmX30Xl. 0mm。實驗所用焊絲=AlSi5焊絲，直徑Φ 1. 2mm如圖2所示，實驗前采用通用夾具將鋁合金板與鋼板裝配成鋁合金在上，鋼板在 下的搭接形式，通過調(diào)節(jié)鋁合金焊絲與鋁合金板側(cè)邊的距離，以及激光輻照在鋁合金焊絲 的位置，使三者在合理的相對位置上，通過激光功率的細致調(diào)節(jié)精確控制焊接時的熱輸入， 使熔化的6061鋁合金板和填充焊絲AlSi5形成過渡性良好的熔化焊接頭；而在DC06鋼板 一側(cè)，使鋼板在熔化焊絲的熱傳導(dǎo)作用下發(fā)生區(qū)域很小的熔化區(qū)，其余為釬接區(qū)，這樣在鋁 合金與鋼板的連接界面形成了既有微小的熔化區(qū)又有釬接區(qū)的混合結(jié)合區(qū)，從而實現(xiàn)這兩 種金屬的熔-釬連接，如圖3。激光功率P = 2200W,焊接速度2m/min，送絲速度為6m/min，離焦量+4mm，激光輻 照在焊絲上的光斑直徑0. 34mm，填充焊絲為直徑1. 2mm的AlSi5焊絲，落絲點的位置為焊絲中心與位于焊接接頭上部的鋁合金板側(cè)邊之間的距離d為1. 0mm，激光光斑輻照中心點與 鋁合金焊絲前端間的長度h為1. 0mm，保護氣為He，流量25L/min，送絲角56°利用上述方法得到的連接接頭的拉剪試驗結(jié)果表明試樣的破壞位置發(fā)生在焊縫 與鋼板連接的界面處，接頭的最大的抗拉剪強度達到了 149. BNmm-10實施例2其他焊接條件與實施例1相同，這里不再贅述，兩種金屬熔_釬連接的橫截面圖如 圖4所示。激光功率P = 3000W,焊接速度3m/min，送絲速度為9m/min，離焦量+5mm，激光輻 照在焊絲上的光斑直徑0. 38mm，填充焊絲為直徑1. 2mm的AlSi5焊絲，落絲點的位置為焊絲 中心與位于焊接接頭上部的鋁板側(cè)邊之間的距離d為1. 0mm，激光光斑中心點與鋁合金焊 絲前端間的長度h為1. 0mm，保護氣為He，流量25L/min，送絲角56°利用上述方法得到的連接接頭的拉剪試驗結(jié)果表明試樣的破壞位置主要發(fā)生在 鋁合金板的熱影響區(qū)，接頭的最大的抗拉剪強度達到了 108. SNmm-10
權(quán)利要求
一種激光填絲連接鋁合金與鋼的方法，其特征在于對待焊材料表面清洗后，首先將待焊鋼板(2)與鋁合金板(1)裝配成鋁合金板在上、鋼板在下的搭接接頭，其中激光束(5)、送絲噴嘴(4)與保護氣噴嘴(6)固定在同一平面內(nèi)，送絲噴嘴(4)與保護氣噴嘴(6)分別位于激光束(5)的兩側(cè)，激光束(5)垂直入射至鋼板表面，鋁合金焊絲與鋼板(2)表面間的夾角即送絲角度(3)在45 60°之間，保護氣噴嘴與鋼板(2)表面間的夾角即保護氣角度(7)為45°；焊接時保證激光焦點與鋁合金焊絲的落絲點以及保護氣體的送入點一致；鋁合金焊絲落絲點在鋁合金板(1)上，且鋁合金焊絲中心軸線與在鋼板(2)與鋁合金板(1)搭接接頭的距離為鋁合金焊絲直徑的0.7 0.9倍；在焊接的過程中還需通過調(diào)節(jié)激光功率、焊接速度和送絲速度來準確控制焊接熱輸入量，使焊絲熔化，位于焊接接頭上面的鋁合金板(1)熔化，鋼板(2)在熔化焊絲的熱傳導(dǎo)作用下發(fā)生微小熔化，熔層在0.1 0.6mm之間，進而與熔化的焊絲在鋼板一側(cè)形成熔 釬焊焊接接頭，而在鋁合金板一側(cè)形成熔化焊連接從而實現(xiàn)搭接連接；焊接過程需保證鋁合金焊絲的送入方向與焊接方向(9)相反，焊接過程采用氦氣保護。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光填絲連接鋁合金與鋼的方法，其特征在于所述的激光光 源為C02、Nd:YAG、半導(dǎo)體或者光纖激光的任意一種，光束的橫截面分布是高斯分布、平頂方 形分布或者矩形平頂分布的任意一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光填絲連接鋁合金與鋼的方法，其特征在于送入焊接區(qū)的 鋁合金焊絲為AlSi焊絲，直徑選擇在0. 8-1. 2mm之間的任意一種，Si的質(zhì)量百分比選擇在 4. 5-13%之間的任意一種。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光填絲連接鋁合金與鋼的方法，其特征在于待焊材料鋼板 為普通低碳鋼、低合金鋼或者鍍鋅鋼板，鋁合金板為純鋁或鋁合金。
全文摘要
一種激光填絲連接鋁合金與鋼的方法，適用于異種材料連接領(lǐng)域，尤其適合熔點以及熱物性相差很大的異種材料之間的連接。本發(fā)明首先裝配鋁板在上、鋼板在下的搭接接頭，其中激光束、送絲噴嘴與保護氣噴嘴固定在同一平面內(nèi)，激光束垂直入射，焊接時保證激光焦點與焊絲的落絲點以及保護氣體的送入點一致；激光熔化送進的鋁焊絲，熔化的鋁焊絲與鋁板之間達到熔化連接，同時在鋼板一側(cè)形成微小熔層，進而形成熔-釬焊連接，從而實現(xiàn)鋁合金與鋼異種金屬之間搭接連接。本發(fā)明提高了鋁合金與鋼異種金屬之間的連接效率，接頭的拉伸強度可以達到149.6Nmm-1以上。本發(fā)明解決了焊鋁鋼異種金屬預(yù)涂層連接過程中準備時間長、自動化程度低、焊接結(jié)果可現(xiàn)性差的問題。
文檔編號B23K26/32GK101941119SQ20101027911
公開日2011年1月12日 申請日期2010年9月10日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月10日
發(fā)明者馮青華, 張冬云, 趙建哲 申請人:北京工業(yè)大學(xué)