本發(fā)明涉及金屬材料連接領域，具體為一種用飛秒激光穿過透明材料將鈦、鋁金屬材料焊接的方法。

背景技術：

飛秒激光瞬時功率巨大，脈沖極短，可以在較低的脈沖能量下得到非常高的峰值強度。由于照射透明材料時產生非線性效應的特點，飛秒激光依靠多光子吸收機制可以穿過透明材料進行靈活的三維加工，而長脈沖激光則無法做到這一點。而且透明材料為脆性材料，長脈沖激光加熱產生的熱應力會使透明材料發(fā)生破裂并且有碎片飛出。因為當激光照射到透明材料時，會發(fā)生激光損傷，而損傷閥值隨脈沖寬度的下降而明顯減小，所以飛秒激光具有很小的損傷閥值，飛秒激光透過透明材料不會引起透明材料的破裂。飛秒激光穿過透明材料時，能量被限制在趨膚深度的范圍內，而且作用時間極短，能量還沒來得及擴散，被作用的金屬材料就已經被加熱到極高的溫度，直接以氣相的形態(tài)蒸發(fā)，蒸發(fā)的同時帶走大部分熱量，使得熱影響區(qū)很小。因此飛秒激光可以實現(xiàn)精密加工，它的分辨率可以達到幾微米。

傳統(tǒng)的弧焊焊接方法焊接環(huán)境惡劣，在焊接過程中伴隨著飛濺、弧光和有害氣體，既不環(huán)保，又會對操作工的身體健康產生威脅。飛秒激光加工具有能量高度集中、熱影響區(qū)小、無飛濺無熔渣、不需要特殊氣體環(huán)境、無后續(xù)工藝、邊緣質量好等突出優(yōu)勢。尤其在加工精度高的要求下，傳統(tǒng)的弧焊是不能滿足要求的。由于鋁、鈦都是活性金屬、極易氧化，且兩者之間的物理、機械性能存在較大差別，如兩者的熔點相差約800℃，兩者的晶格類型、晶格參數(shù)等結晶化學性能差異很大，鋁的熱導率和線膨脹系數(shù)分別是鈦的16倍和3 倍。因此鋁鈦異種金屬的焊接性很差，接頭的強度不能滿足要求，鋁鈦異種金屬的焊接既是熱點也是難點，目前還沒有一種成熟的工藝可以用于實際生產。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種采用飛秒激光焊接鈦、鋁金屬材料的方法。

為達到上述目的，本發(fā)明的技術方案如下：一種采用飛秒激光焊接鈦、鋁金屬材料的方法，包括如下步驟：

（1）將鈦、鋁金屬材料加工成待連接面完全相同的兩個工件；

（2）對待連接工件進行預處理和精加工，使得待連接面的表面粗糙度Ra控制在0.08μm以下；

（3）采用夾具對精加工后的待連接工件進行固定并施加壓力確保連接面無空隙；

（4）對透明材料進行預處理并制成蓋板，然后將其環(huán)繞連接面固定在待連接工件的四周，確保連接面密閉在透明材料內；

（5）用飛秒激光對準待焊焊縫，沿焊縫對連接面進行焊接；

（6）焊接完成后，等待一段時間，直至待焊工件完全冷卻至室溫，再卸下蓋板。

進一步的，步驟（2）中，所述的預處理是指對待連接工件進行清洗、拋光。

進一步的，步驟（4）中，透明材料選用玻璃板。

進一步的，步驟（5）中，飛秒激光焊接參數(shù)如下：飛秒激光的脈沖寬度＜400fs，單脈沖能量設定在1～40μJ之間，焊接速度≥4mm／s。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果有：

1.可以以極高的精度對金屬材料焊接。

2.本發(fā)明所述方法焊接金屬材料便捷高效，應用前景廣泛。

3.本發(fā)明所述方法可以使金屬材料一次成型，工藝簡單，只要設置好參數(shù)即可連接成型。

4.本發(fā)明中通過壓力和飛秒激光作用可以使金屬材料進行原子程度的連接，獲得的焊縫強度高韌性好。

5.本發(fā)明中飛秒激光作用后，由于玻璃板的封閉，蒸發(fā)的金屬蒸氣快速沉淀，保護了焊縫的同時，并不影響施焊，加強了連接區(qū)域的強度，蒸氣帶走大部分熱量使熱影響區(qū)很小。

6.本發(fā)明飛秒激光焊接過程中在密閉環(huán)境下進行，避免了接頭被氧化，提高了焊縫質量。

7.本發(fā)明中飛秒激光加熱速度快，可以使金屬瞬間氣化，解決了傳統(tǒng)焊接方法對于鈦、鋁金屬材料熔點相差大，難以焊接的難題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一實施例的飛秒激光連接方法所使用裝置的三維示意圖。

其中，1表示一塊鈦金屬板，2表示金屬板夾具，3表示飛秒激光焊槍，4表示透明材料蓋板，5表示另一塊鋁金屬板，6表示透明材料蓋板夾具，7表示施加水平向連接區(qū)域壓力的絲杠柄。

具體實施方式

如附圖1所示，將鈦板1、鋁板5均加工成3mm厚150mm×150mm的尺寸，然后用無水乙醇將表面清洗干凈并且拋光。對鈦板1、鋁板5的待連接面的表面進行精加工，使得表面粗糙度Ra為0.05μm。然后將鈦板1、鋁板5待連接面對齊用第一夾具2固定。然后旋轉絲杠柄7，向連接面施加壓力，確保連接面無空隙。將玻璃板4加工成蓋板，并進行預處理，并對其表面進行精加工，表面粗糙度Ra為0.04μm。然后將其環(huán)繞連接面采用第二夾具6固定在鈦板1、鋁板5連接面的四周，確保連接面密閉在玻璃板4內。將激光焊槍3的焦點校準到鈦板1、鋁板5的連接面，飛秒激光的重復頻率為4MHz，激光脈沖寬度為160fs，焊接速度為5mm／s，然后沿待焊焊縫對鈦板1、鋁板5進行焊接，冷卻后，獲得良好焊縫。經過抗拉強度測試，鈦-鋁板焊縫的抗拉強度可以達到180Mpa，可以達到基板鋁板的抗拉強度的50%，比傳統(tǒng)焊接方法得到的焊縫強度要稍好。