雷射衝擊焊接製備梯度材料的方法和裝置的製作方法

2023-06-01 04:38:36 1

專利名稱：雷射衝擊焊接製備梯度材料的方法和裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及梯度材料製備領域，特指一種基於雷射衝擊波技術和粉末冶金技術的雷射衝擊焊接製備梯度材料的方法和裝置，尤其適用於大面積大厚度梯度材料的批量生產。
背景技術：
常見的梯度材料製備方法有氣相沉積法、自燃燒合成法、等離子噴塗法、薄膜積層法、離心鑄造法、粉末冶金法等。氣相沉積法主要用於製備薄膜梯度材料，其主要的缺點是不能製備大厚度的塊材，設備要求高，且合成速度低。自燃燒合成法能夠製備大體積的梯度材料，但製得的功能梯度材料孔隙率較大，機械強度較低。等離子噴塗法可以方便的控制粉末成分的組成，沉積效率高，比較容易得到大面積的塊材。但得到的功能梯度材料孔隙率高，層間結合力低，容易剝落，材料強度不高。薄膜積層法比較適合於製備密度梯度材料，製得的材料孔隙率比較高，材料的機械性能偏低。離心鑄造法能製備高緻密度、大尺寸的梯度材料，但不能製備高熔點的陶瓷系功能梯度材料。粉末冶金法是梯度材料製備技術中最簡單實用的一種方法.其基本過程是將金屬、陶瓷、晶須等顆粒狀原料沿梯度方向分成若干層，每層都具有依需要而事先確定的組分配比，然後按一般電子陶瓷製備工藝，經壓制後燒結而成.層的厚度愈薄，組分分布就愈逼近一條曲線，同時由於燒結的擴散輸運作用，這些界面亦變得更加模糊.這種工藝比較適合製備大體積的材料。其主要缺點是工序比較複雜。製得的梯度材料有一定的孔隙率。
本發明最為接近的技術是粉末冶金法製備梯度材料技術，粉末冶金法將分層鋪好的粉末壓製成形，然後進行燒結、固溶使梯度階躍的分層邊界模糊化得到一維梯度功能材料，該法一方面分層鋪粉時層的厚度控制較難，另一方面由於是由粉末直接壓製成形，而乾粉很難壓得很緻密，因此不可避免的具有較大的孔隙率。

發明內容
本發明的目的是要提供一種雷射衝擊焊接製備梯度材料的方法和裝置，尤其適用於大厚度梯度材料的批量生產。
本發明將梯度材料的製備分為三步製片、焊接、固溶，其中製片是根據厚度方向的梯度要求將梯度材料分層，按各層中的成分平均含量進行混粉、壓坯、燒結、軋制；而固溶則是把焊接好的塊狀梯度材料毛坯放入加熱爐內在一定溫度下保溫一段時間，毛坯中的材料組分通過焊接邊界相互擴散，使層間階躍的梯度變得柔和形成漸變的梯度從而得到理想的梯度材料，其特徵在於在片材焊接中利用雷射衝擊波作為衝擊焊接成形的力源，利用雷射參數的可控性實現精密焊接成形。
實施該方法的裝置包括壓坯裝置、軋制裝置和電阻爐，其特徵在於設有雷射衝擊焊接裝置，其由雷射發生器控制裝置、雷射發生器、吸收層材料和工件夾具系統依次連接組成，工件夾具系統由片材、夾具以及放置片材的工作檯及工作檯控制裝置依次組成。
其中吸收層是根據焊接強度要求混合能量轉換體和炸藥配置而成。
首先按照某一成分遞增(或遞減)的順序將片材逐層相疊，層間留有一定空隙，然後通過夾具將相疊的片材安裝到工作檯上，在最外層片材表面塗布含炸藥的吸收層材料。由雷射發生器控制裝置控制雷射發生器產生預定參數的雷射脈衝，雷射束照射到最外層片材表面的吸收層材料上，誘導產生衝擊波和爆轟波，片材在衝擊波作用下相互撞擊形成焊點，通過工作檯控制裝置控制工作檯帶動片材按預定軌跡移動，可採取逐片焊接或多片焊接。
本發明的實施過程如下1.根據需要的梯度材料的梯度要求製片，製片包含混粉、壓制、燒結、軋片四步。混粉根據梯度材料中某種成分A的梯度將整塊梯度材料平均劃分成N層，每層厚度為d，計算每一層中該組分的平均含量。根據計算結果，按每層中成分A的平均含量將成分A和基材粉末混合，製得N份按成分A含量遞增(或遞減)的混合粉末。壓制將混合粉末在壓坯裝置上壓實成N塊坯料。燒結將壓實的坯料放入電阻爐燒結，燒結的目的是增強材料的結合力，便於軋制。軋制把燒結後的坯料在軋制裝置上軋製成厚度為d的薄片。
2.根據片材之間焊接強度要求，將選定的炸藥和雷射能量轉換體混合製成的吸收層材料。
3.按照成分A遞增(或遞減)的順序將片材相疊，片與片之間保留適當距離，在最外層片材上塗布(或粘貼)吸收層材料。
4.根據焊接強度要求調整雷射能量和光斑直徑。雷射發生器產生的雷射脈衝照射到吸收層表面使吸收層汽化產生衝擊波，而雷射的熱效應和衝擊波效應又引起吸收層中的炸藥爆炸產生爆轟波，在衝擊波和爆轟波共同作用下，片材高速拋飛，相互撞擊，使碰撞點材料發生濺射從而焊接起來。利用工作檯控制裝置控制片材按一定軌跡移動，逐點焊接直至整個片材全部焊接在一起。根據雷射能量大小和炸藥含量不同可採取逐片焊接或多片焊接，最終使N層片材按成分A遞增(或遞減)的順序全部焊接在一起。
5.把焊接好的材料放入電阻爐，加熱到適當溫度進行固溶，使焊接界面兩邊的成分互相滲透、擴散，形成柔和的梯度。
本發明採用焊接固溶方法，燒結後的坯料經過壓制既使材料變得更緻密，減小了孔隙率，又使片材的厚度變得容易控制，而衝擊焊接在層間形成的濺射又使不同梯度的兩層材料進行混合，再加上最後的固溶，使層間梯度階躍變得極其微弱，從而形成梯度變化和緩的梯度材料。克服了粉末冶金法製備梯度材料的孔隙率大，層間梯度有躍變的缺點，而且能夠製備大面積和大厚度的梯度材料，特別適宜批量生產。


下面結合附圖對本發明作進一步說明圖1為本發明提出的梯度材料製備工藝流程圖。
圖2為本發明提出的雷射衝擊焊接裝置示意圖。
圖3為梯度材料中成分梯度示意圖，虛線為理想梯度，折線為分層後每層中兩種成分的平均含量，曲線使本方法製備的梯度材料可以達到的實際梯度。
1.雷射發生器控制裝置2.雷射發生器3.雷射束4.吸收層材料5.片材6.夾具7.工作檯8.工作檯控制裝置9.數字控制裝置10.計算機
具體實施例方式下面結合附圖詳細說明本發明提出的具體裝置的細節和工作情況。
用本方法製備梯度材料的裝置包括壓坯裝置、軋制裝置、雷射衝擊焊接裝置和電阻爐。其核心裝置為雷射衝擊焊接裝置，是由雷射發生器(2)、雷射發生器控制裝置(1)、吸收層材料(4)和工件夾具系統構成，工件夾具系統包括片材(5)、夾具(6)、工作檯(7)及工作檯控制裝置(8)。
片材(5)逐層相疊，層間留有一定空隙，然後通過夾具(6)將相疊的片材安裝到工作檯上(7)，在最外層片材表面塗布含炸藥的吸收層材料(4)。由雷射發生器控制裝置(1)控制雷射發生器(2)產生預定參數的雷射脈衝(3)，雷射束(3)照射到最外層片材(5)表面的吸收層材料(4)上，誘導產生衝擊波和爆轟波，片材(5)在衝擊波作用下相互撞擊形成焊點，通過工作檯控制裝置(8)控制工作檯(7)帶動片材按預定軌跡移動，逐點焊接。
按不同配比混合的粉末經壓坯、燒結後的坯材內部孔隙較多，組織不緻密，直接用於製備梯度材料將影響材料的性能，因此增加一道軋制工序，一方面使材料密實，另一方面提高薄片厚度的尺寸精度。
在焊接工序中，通過雷射發生器控制裝置調節雷射脈衝的能量和光斑直接，與要求的焊接強度(或片材結合界面濺射區厚度)相適應。雷射束經導光系統照射到粘貼在外層片材表面的吸收層材料上，使吸收層材料汽化、電離產生衝擊波，同時雷射的熱效應和衝擊波效應又使吸收層中的炸藥發生爆炸產生爆轟波，二者共同作用使片材高速拋飛，相互撞擊，在撞擊點的材料產生濺射從而使相互撞擊的片材形成焊接，工件在工作檯控制裝置的控制下按一定工件運動，逐點焊接，直到片材所有區域全部焊接好為止。根據雷射能量和炸藥含量不同可採取逐片焊接或多片焊接，直至N層片材全部按其中一種成分A含量遞增(或遞減)的次序焊接在一起。
焊接後的材料在結合界面區域內由於材料的濺射相互包覆，兩種成分混合不均勻，故而採用固溶方法使兩種成分通過結合界面相互滲透、擴散，達到組分混合均勻並形成一定梯度的目的。最後整塊材料在厚度方向形成如圖3中曲線所示的梯度。
本方法在焊接時由於採用雷射衝擊波和炸藥爆轟波作為壓力焊接的力源，基於已制好的吸收層材料，通過改變雷射能量和光斑直徑，即可控制衝擊波的峰壓和作用時間，因此片材焊接界面的包覆深度和焊接強度精確可控，以適應不同梯度材料的加工要求。
權利要求
1.雷射衝擊焊接製備梯度材料的方法，分為三步製片、焊接、固溶，其中製片是根據厚度方向的梯度要求將梯度材料分層，按各層中的成分平均含量進行混粉、壓坯、燒結、軋制；固溶是把焊接好的塊狀梯度材料毛坯放入加熱爐內在一定溫度下保溫一段時間，毛坯中的材料組分通過焊接邊界相互擴散，使層間階躍的梯度變得柔和形成漸變的梯度從而得到理想的梯度材料，其特徵是在片材焊接中利用雷射衝擊波作為衝擊焊接成形的力源，利用雷射參數的可控性實現精密焊接成形。
2.根據權利要求1所述的雷射衝擊焊接製備梯度材料的方法，其特徵在於首先按照某一成分遞增或遞減的順序將片材逐層相疊，層間留有一定空隙，然後通過夾具將相疊的片材安裝到工作檯上，在最外層片材表面塗布含炸藥的吸收層材料。由雷射發生器控制裝置控制雷射發生器產生預定參數的雷射脈衝，雷射束照射到最外層片材表面的吸收層材料上，誘導產生衝擊波和爆轟波，片材在衝擊波作用下相互撞擊形成焊點，通過工作檯控制裝置控制工作檯帶動片材按預定軌跡移動，可採取逐片焊接或多片焊接。
3.實現權利要求1所述的雷射衝擊焊接製備梯度材料的方法的裝置，包括壓坯裝置、軋制裝置和電阻爐，其特徵在於設有雷射衝擊焊接裝置，其由雷射發生器控制裝置(1)、雷射發生器(2)、吸收層材料(4)和工件夾具系統依次連接組成，工件夾具系統由片材(5)、夾具(6)以及放置片材的工作檯(7)及工作檯控制裝置(8)依次組成。
4.根據權利要求3所述的裝置，其特徵在於雷射衝擊焊接時的吸收層材料(4)為能量轉換體和炸藥的混合物。
全文摘要
本發明涉及梯度材料製備領域，特指一種基於雷射衝擊波技術和粉末冶金技術的梯度材料製備方法和裝置，尤其適合大面積大厚度梯度材料的批量生產。本方法包括製片、焊接、固溶三個步驟，其特徵在於在片材焊接中利用雷射衝擊波作為衝擊焊接成形的力源，利用雷射參數的可控性實現精密焊接成形。且焊接裝置由雷射發生器及導光系統、雷射發生器控制裝置、吸收層材料和工件夾具系統構成，工件夾具系統包括片材、夾具、工作檯及工作檯控制裝置。由於雷射參數精確可控，因此材料焊接界面強度和結合深度易於控制，從而保證了梯度材料的質量。
文檔編號B23K26/18GK1792545SQ20051009415
公開日2006年6月28日 申請日期2005年8月31日 優先權日2005年8月31日
發明者張永康, 顧永玉, 葛濤 申請人:江蘇大學