激光焊接增強(qiáng)涂層和波形在銅、鋁焊接中的應(yīng)用
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種銅和鋁的激光焊接增強(qiáng)涂層和脈沖輸出波形，具體地采用梯形脈 沖波形能夠有效解決銅和鋁焊接過(guò)程中反射率高、熱傳導(dǎo)快對(duì)激光輸出能量利用率低，而 導(dǎo)致激光焊接機(jī)無(wú)法焊接的問(wèn)題，本發(fā)明屬于機(jī)械加工領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 激光焊接技術(shù)無(wú)機(jī)械接觸，焊接速度快，熱量輸入小，因此熱影響區(qū)面積小，焊接 結(jié)束工件變形程度小，適用于精密設(shè)備以及薄板金屬焊接。對(duì)于銅和鋁的激光焊接技術(shù)，由 于銅和鋁的熱導(dǎo)率相對(duì)普通碳鋼大6-12倍，且銅和鋁的反射率較高，因此在吸收相同熱量 的條件下，會(huì)損失掉大量的熱而無(wú)法將熱量全部集中于焊縫處，導(dǎo)致銅和鋁很難熔化。對(duì)于 這個(gè)問(wèn)題，目前主要的解決方案是對(duì)要焊接的銅材進(jìn)行預(yù)熱，但是這在焊接之前多加一道 工藝，操作復(fù)雜且提高生產(chǎn)成本。
[0003] 本專利為解決這個(gè)問(wèn)題主要從以下兩個(gè)方面出發(fā)，首先，研發(fā)了一種焊接涂層，焊 縫處具有該涂層能夠降低焊縫的熱導(dǎo)率，減弱銅和鋁對(duì)激光的反射作用，提高涂層下面金 屬對(duì)激光的吸收能力，從而降低熱量損失，使焊縫處的金屬銅迅速熔化，達(dá)到焊接目的。另 一方面通過(guò)改善焊接波形進(jìn)行調(diào)整，最終設(shè)定梯形脈沖波形進(jìn)行焊接，前期能量由小逐步 變大，這樣會(huì)增加一個(gè)預(yù)熱區(qū)，減小能量在工件中由于熱傳導(dǎo)損失的能量，焊接效果較好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 銅和鋁焊接過(guò)程中由于自身熱導(dǎo)率高造成的激光束熱量散失大，無(wú)法集中于焊縫 處從而被焊金屬不易熔化，導(dǎo)致焊接效果不佳。為解決這個(gè)問(wèn)題，本專利發(fā)明一種涂層，作 用于被焊金屬表面，改善焊接效果。
[0005] 配制焊接涂層材料，主要采用炭黑為主染料、硼砂、橡膠類成膜劑、水為溶劑、羧甲 基纖維素作為分散劑。以一定比例混合，攪拌成漿料。將要焊接的銅和鋁工件先用小鐵刷輕 輕打磨，去掉表面氧化層，再放入丙酮溶液中采用超聲波清洗機(jī)進(jìn)行清洗，五分鐘后取出， 吹干。將配置好的涂料涂覆在清洗好的工件表面，晾干，準(zhǔn)備焊接。
[0006] 采用激光峰值功率，激光脈寬，激光脈沖波形以及激光頻率都相同的前提下，取厚 度為0. 5mm的兩塊銅板，將其裁成3cm*3cm正方形試樣，一塊清洗后涂覆好涂層材料，一塊 沒(méi)做任何處理，采用激光焊接機(jī)進(jìn)行焊接。焊接后效果圖如圖1所示，左圖有涂層，右圖無(wú) 涂層。
[0007] 從圖中可以清晰的發(fā)現(xiàn)，沒(méi)有處理的銅板焊接之后焊縫較淺，處理之后的銅板焊 縫明顯更深，說(shuō)明涂層明顯增強(qiáng)了銅板對(duì)激光束能量的吸收率。采用同樣的方法再對(duì)鋁板 進(jìn)行處理，結(jié)果如圖2所示，左圖有涂層，右圖無(wú)涂層，同樣說(shuō)明涂層增強(qiáng)了焊件對(duì)激光束 能量的吸收率。
[0008] 另外，影響激光焊接銅和鋁的參數(shù)主要有激光焊接峰值功率、輸出脈沖波形、激光 頻率、激光脈寬等。本專利還對(duì)激光焊接機(jī)的輸出脈沖波形進(jìn)行相關(guān)研究。
[0009] 激光照射到材料表面時(shí)，一部分被材料表面反射，其余部分進(jìn)入材料后，部分被材 料吸收，還有一部分則透過(guò)材料。輻射照度為I。的激光穿過(guò)厚度為X的等離子體后，輻射 照度衰減至Ix，表示為
其中，I。一材料表面（X=0)處吸收的輻射照度，A-材料對(duì)激光的線性吸收系數(shù)。
其中，-20 _時(shí)電阻率，T一溫度，|:一電阻溫度系數(shù)，一激光波長(zhǎng)。 激光焊接機(jī)在一定的時(shí)間內(nèi)向外發(fā)出的總的激光能量為E，它是一個(gè)關(guān)于照度、焊件厚 度以及焊件面積和時(shí)間之間的函數(shù)，具體關(guān)系可表示為
其中，E-激光發(fā)出的能量積累，S-焊件面積，t一時(shí)間。 激光焊接機(jī)發(fā)散出的能量主要有以下三種去向，其一是擴(kuò)散到空氣中，其二是被焊接 反射，其三才會(huì)在焊件中傳播，激光總能量和時(shí)間以及傳播途徑之間的關(guān)系滿足菲克第二 定律：
其中C一能量在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)；D-能量在被焊材料中的擴(kuò)散系數(shù)；R-能量的反 射系數(shù)。 則最后歸納為焊接表面溫度主要是以下幾個(gè)參數(shù)的函數(shù)：
其中，T一溫度，I一輻射照度為I。的激光穿過(guò)厚度為X的等離子體輻射照度， C一能量在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)，D-能量在被焊材料中的擴(kuò)散系數(shù)， R-能量的反射系數(shù)，t一時(shí)間。
[0010] 由上述公式可知，采用激光焊接金屬時(shí)，只需知道能量在空氣中的擴(kuò)散系數(shù)、能量 在被焊材料中的擴(kuò)散系數(shù)、能量的反射系數(shù)以及輻射照度為I的激光穿過(guò)厚度為X的等離 子體后輻射照度I，即可計(jì)算出焊件焊接后所能達(dá)到的溫度，因此只需控制各變量保證到達(dá) 被焊件的熔點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)焊接。
[0011] 在一個(gè)激光脈沖當(dāng)中，焊材表面溫度隨時(shí)間的變化大致分為以下幾個(gè)區(qū)域，分別 是預(yù)熱區(qū)域、焊接區(qū)域、冷卻區(qū)域，如圖3所示。
[0012] 由于激光輸出速度快，所以激光焊接具有急冷急熱的特點(diǎn)，如果在一個(gè)脈沖波形 中，一開始就將溫度增加到峰值功率，就導(dǎo)致焊件表面溫度升高隨時(shí)間變化如圖4所示，即 預(yù)熱區(qū)所占比例較小，預(yù)熱時(shí)間短，這在焊接碳鋼材料時(shí)，由于碳鋼的熱傳導(dǎo)系數(shù)相對(duì)銅和 鋁較小，因此在焊接過(guò)程能量不會(huì)由于熱傳導(dǎo)和反射作用損失掉，進(jìn)而可實(shí)現(xiàn)碳鋼的焊接。 但是對(duì)于金屬銅和金屬鋁這類熱傳導(dǎo)系數(shù)比較高且反射能量較強(qiáng)的金屬焊接，則能量大部 分就會(huì)被熱傳導(dǎo)和金屬反射作用消耗掉，而無(wú)法提供足夠的熱量以使焊件達(dá)到熔化溫度， 導(dǎo)致焊件無(wú)法熔化。但是如果一味將焊接區(qū)脈寬降到很短，激光作用時(shí)間過(guò)短，能量來(lái)不及 擴(kuò)散，又達(dá)不到有效熔深，無(wú)法實(shí)現(xiàn)焊接，并且很容易產(chǎn)生液態(tài)金屬飛濺，甚至穿透破壞焊 件。因此，本專利就以上問(wèn)題，找到了一種有效的激光焊接金屬銅和鋁的脈沖波形參數(shù)。
[0013] 金屬銅和金屬鋁由于自身熱傳導(dǎo)系數(shù)相對(duì)碳鋼比較高，且自身對(duì)激光的反射作用 較大，因此當(dāng)熱量到達(dá)工件表面會(huì)迅速擴(kuò)散，導(dǎo)致能量損失，降低焊接的效率。為了減弱這 種熱擴(kuò)散，就需要在一個(gè)脈沖當(dāng)中，減少焊接區(qū)所占的時(shí)間，即采用短脈沖波焊接，由于使 焊件熔化的溫度是固定不變的，所以焊材熔化需要的能量就是固定不變的，即焊材確定就 可以確定所需的能量。這就需要在保證能量的前提下減小焊接區(qū)所占的時(shí)間，也就需要提 高激光焊接機(jī)的峰值功率，才能實(shí)現(xiàn)金屬銅和鋁這種熱傳導(dǎo)系數(shù)高的材料的焊接，即采用 如圖5所示右側(cè)波形。
[0014] 由于矩形波在一個(gè)短脈沖波中，預(yù)熱區(qū)所占的比例為0,會(huì)導(dǎo)致能量突然增大到最 大值，達(dá)不到有效熔深，這樣會(huì)造成焊件表面出現(xiàn)金屬飛濺甚至?xí)┩?，因此，為了解決這 個(gè)問(wèn)題，在一個(gè)短脈沖波中需要加寬預(yù)熱區(qū)所占的比例，于是本專利設(shè)計(jì)了圖6所示的激 光脈沖波形，對(duì)其進(jìn)行焊接。
[0015] 為了驗(yàn)證焊接效果，本專利選用T2純銅為例，將0. 5mm厚的銅板裁成3cm*3cm正 方形，采用超聲波清洗機(jī)清洗，打磨，涂層，待焊。分別采用矩形波和梯形波進(jìn)行焊接，焊接 結(jié)束后將試樣進(jìn)行冷卻，并觀察焊縫宏觀形貌，焊接效果對(duì)比如圖7所示。從圖中可見，梯 形波焊縫均勻，呈金黃色，焊縫較深。矩形波焊縫粗糙，部分區(qū)域出現(xiàn)飛濺，焊縫周邊有毛 刺，且激光熔斑粗大出現(xiàn)金屬飛濺處較多，且部分區(qū)域有燒灼痕跡。 四、
【附圖說(shuō)明】
[0016] 圖1是相同焊接參數(shù)對(duì)銅板焊接，左側(cè)有涂層右側(cè)無(wú)涂層效果對(duì)比圖；
[0017] 圖2是相同焊接參數(shù)對(duì)鋁板焊接，左側(cè)有涂層右側(cè)無(wú)涂層效果對(duì)比圖；
[0018] 圖3是一個(gè)激光脈沖當(dāng)中，焊材表面溫度隨時(shí)間變化示意圖；
[0019] 圖4是矩形脈沖波形圖及焊材表面溫度隨時(shí)間變化示意圖；
[0020] 圖5是矩形高頻脈沖波波形圖及焊材表面溫度隨時(shí)間變化示意圖；
[0021] 圖6是梯形脈沖波波形圖及焊材表面溫度隨時(shí)間變化示意圖；
[0022] 圖7是梯形波(左）和矩形波(右）焊接效果對(duì)比圖；
[0023] 圖8是一個(gè)激光脈沖中預(yù)熱區(qū)所占比例為33%時(shí)梯形波示意圖；
[0024] 圖9是一個(gè)激光脈沖中預(yù)熱區(qū)所占比例為33%時(shí)梯形波焊接實(shí)際效果圖。 五、 具體實(shí)施方法
[0025] 激光焊接所采用的涂層采用炭黑所占比例為80%、硼砂1%、橡膠類成膜劑所占比 例為5%、羧甲基纖維素所占比例為4%、水為溶劑。將以上材料混合，采用制漿設(shè)備攪拌成均 勻漿料，涂抹在待焊銅件上，干燥后水分含量少于〇. 5%，準(zhǔn)備焊接。梯形波當(dāng)中選擇一種在 一個(gè)脈沖當(dāng)中預(yù)熱區(qū)所占比例為33%的梯形波，這種脈沖波形初始能量很低，漸漸上升，給 工件一個(gè)預(yù)熱過(guò)程，使工件達(dá)到最大能量狀態(tài)時(shí)不至于由于熱傳導(dǎo)作用損失大量能量，提 高能量的利用率，適用于相對(duì)較厚且面積較大的焊接工件。激光脈沖波形設(shè)置為這種梯形 波，對(duì)被焊銅件進(jìn)行焊接，脈沖波形如圖8所示，焊接結(jié)果如圖9所示。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種激光焊接銅和鋁的工藝，其特征是：一方面使用一種激光焊接增強(qiáng)涂層，增強(qiáng) 焊材對(duì)激光束能量的吸收，降低焊材對(duì)激光的反射；另一方面激光脈沖波形采用梯形脈沖 波進(jìn)行焊接，使激光束能量逐漸進(jìn)入被焊件，起到預(yù)熱作用。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的激光焊接涂層，以炭黑為主染料、硼砂、橡膠類成膜劑、水為 溶劑、羧甲基纖維素作為分散劑制成，涂層成份其比例為炭黑75%-90%，硼砂0. 5%-2%，橡膠 類成膜劑3%-10%，羧甲基纖維素3%-5%。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的激光焊接涂層，涂層厚度為20um-50um。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梯形脈沖波，在一個(gè)脈沖波當(dāng)中，預(yù)熱區(qū)所占的比例在 20%-100%。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的梯形脈沖波，在一個(gè)脈沖波當(dāng)中，脈寬的寬度為5ms-40ms。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種激光焊接中使用的增強(qiáng)涂層和焊接波形，主要應(yīng)用在銅和鋁的焊接中，能夠有效的解決銅、鋁這類熱傳導(dǎo)系數(shù)高且反射率高的金屬的激光焊接問(wèn)題，增強(qiáng)被焊金屬對(duì)激光的吸收率，并采用0.5mm后的金屬銅板和鋁板進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在其表面涂覆增強(qiáng)涂層，且將波形調(diào)整為有預(yù)熱區(qū)的梯形波對(duì)其焊接，實(shí)用效果良好。
【IPC分類】B23K103/12, B23K103/10, B23K26/60, B23K35/365, B23K26/0622, B23K26/32, B23K26/24
【公開號(hào)】CN105414804
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510659697
【發(fā)明人】米國(guó)民, 韓文月
【申請(qǐng)人】丹東思誠(chéng)科技有限公司
【公開日】2016年3月23日
【申請(qǐng)日】2015年10月14日