實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法

2023-06-02 00:51:31 5

實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法
【專利摘要】一種實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法，其特徵是：在雷射施焊金屬薄板的背面增設反射墊板，以利用反射墊板將雷射全熔透穿透金屬薄板瞬間的雷射反射回焊接區，從而對焊接區進行二次加熱進而實現單面焊接獲得雙面成形的沙漏形（X形）焊縫，其主要由清潔待焊接表面、固定反射墊板、雷射焊接金屬薄板等步驟組成。本發明實現了在低熱輸入條件下對金屬薄板單面焊接雙面成形的目的，它突破了現有薄板雷射深熔焊只有在較高熱輸入下才能獲得的沙漏形（X形）焊縫的禁錮，實現了兼顧焊縫力學性能和控制薄板的熱變形及熱影響區雙重作用，為推動雷射深熔焊技術在金屬薄板焊接領域更廣泛的應用奠定了基礎。
【專利說明】實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種雷射焊接方法，尤其是一種金屬薄板的雷射焊接方法，具體地說是一種利用反射墊板將雷射全熔透穿透金屬薄板瞬間的雷射反射回焊接區、從而對焊接區進行二次加熱、進而實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法。
【背景技術】
[0002]雷射焊接具有成形質量好、熱影響區小、工件變形量小、後續加工量少、靈活性高等優點，非常適用於金屬薄板的焊接成形。雷射焊接根據焊接的熱傳導機理的不同大致可分為雷射熱導焊和雷射深熔焊兩種。當雷射熱輸入超過一定閾值後，焊接模式由熱導焊向具有「小孔效應」的深熔焊轉變，從而實現金屬薄板的全熔透焊接。在金屬薄板雷射深熔焊全熔透條件下，當雷射熱輸入較低時，薄板焊接成形形貌呈釘頭形(V形)，即雷射直接作用的薄板正面焊縫較寬而背面焊縫較窄；當雷射熱輸入足夠大時，則出現具有單面焊接雙面成形的沙漏形(X形)焊縫，即薄板正面和背面的焊縫寬度大致相當。顯然，沙漏形(X形)焊縫要較釘頭形(V形)焊縫具有更好的力學性能。然而，在金屬薄板雷射深熔焊全熔透條件下，要獲得沙漏形(X形)焊縫則需要較大的熱輸入。但是，對於金屬薄板焊接，較大的熱輸入將會引起金屬薄板熱變形增大和熱影響區變寬等不利影響，極大地影響到金屬薄板焊接成形品質。
[0003]在金屬薄板雷射深熔焊焊接成形過程中，基於控制薄板焊接變形及減小熱影響區等的考慮，當熱輸入量達到能實現金屬薄板全穿透時即薄板焊接成形形貌呈釘頭形(V形)，即可認為此時雷射焊接工藝參數較優，因其焊接熱變形和熱影響區小，故通常將此種狀態定義為低熱輸入。事實上，當雷射實現全穿透金屬薄板的瞬間，雷射束會進入金屬薄板下部的氣體(雷射焊接過程中若有保護氣體則為保護氣體，若無則為空氣)介質中。眾所周知，雷射屬於高能束流且在焊接過程中作用在一點的時間極短。換言之，雷射實現全穿透金屬薄板瞬間內進入氣體介質中的能量佔雷射器整體輸出能量的比重較大，若此部分雷射能量能夠被有效利用，則可望在低熱輸入狀態下獲得具有更好力學性能的沙漏形(X形)焊縫，進而兼顧焊縫的力學性能和控制薄板的熱變形及熱影響區。
[0004]據 申請人:所知，到目前為止，尚未有一種在低熱輸入條件下實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法可供使用，即在低熱輸入下使薄板雷射深熔焊全熔透成形形貌為幾何對稱度好的沙漏形(X形)，在一定程度上限制了雷射深熔焊技術在金屬薄板焊接領域的應用。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是針對「目前尚未有一種在低熱輸入條件下實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法可供使用，而基於控制金屬薄板焊接變形及減小熱影響區等的考慮，造成金屬薄板低熱輸入雷射深熔焊焊接成形形貌為成形不夠理想的釘頭形(V形)，制約了雷射深熔焊技術在金屬薄板焊接領域應用」的問題，發明一種實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法。
[0006]本發明的技術方案是:
一種實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法，其特徵是:在雷射施焊金屬薄板的背面增設反射墊板，以利用反射墊板將雷射全熔透穿透金屬薄板瞬間的雷射反射回焊接區，從而對焊接區進行二次加熱進而實現單面焊接獲得雙面成形的沙漏形(X形)焊縫，如圖1所示。
[0007]其主要步驟為:
步驟1:清潔待焊接表面。該過程包括:首先，用鹼性溶液除去金屬薄板待焊接表面的油汙，烘乾後用砂紙打磨待焊接表面以去除表面氧化層；然後，用酸性溶液對打磨後的金屬薄板進行酸洗；最後，再用無水乙醇對其進行超聲波清洗，清洗後的金屬薄板烘乾待用。
[0008]步驟2:固定反射墊板。該過程包括:首先，選擇對雷射具有反射作用的金屬板，將其切割成形狀及尺寸能夠包容整個焊接區的反射墊板；然後，在雷射施焊金屬薄板的背面固定反射墊板，固定後的反射墊板需能夠包容整個焊接區，且固定後的反射墊板與金屬薄板之間的間隙為0.05、.25mm。
[0009]步驟3:雷射焊接金屬薄板。該過程包括:首先，將已固定好反射墊板的雷射施焊金屬薄板正面朝上固定在雷射焊接平臺上；然後，根據金屬薄板材質和厚度選擇合適的雷射焊接工藝參數進行雷射單面焊接即可。
[0010]所述鹼性溶液為59TlO%NaOH+餘量酒精(或丙酮)溶液，酸性溶液以每升計，由30-40ml氫氟酸、300ml硝酸和餘量的去離子水混合而成。
[0011]所述反射墊板最好為鋁合金板，且使用前需清潔表面油汙等汙染物。
[0012]所述雷射焊接，可以是填材雷射焊接或無填材雷射焊接，其中填材雷射焊接中填充材料時可以採用預置粉末法也可以採用同步送粉或同步送絲法。
[0013]所述預置粉末法可以採用粘結預置法也可以採用壓片預置法。
[0014]所述壓片預置法其特徵是:預置粉末片的厚度為金屬薄板厚度的1/2?3/2，其最佳厚度為金屬薄板厚度的2/3 ;雷射工藝參數為光纖雷射器在零離焦量(即預置粉末片處於雷射束焦點位置)狀態下採用2(T30mm/S的掃描速度，40(T500W的雷射功率。
[0015]本發明的有益效果是:
(I)本發明提供了一種在低熱輸入條件下實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法，突破了現有薄板雷射深熔焊只有在較高熱輸入下才能獲得的沙漏形(X形)焊縫，從而實現兼顧焊縫的力學性能和控制薄板的熱變形及熱影響區，為推動雷射深熔焊技術在金屬薄板焊接領域更廣泛的應用奠定了基礎。
[0016](2)本發明方法在低熱輸入條件下，實現了薄板雷射深熔焊焊接成形形貌由釘頭形(V形)向具有單面焊接雙面成形的沙漏形(X形)轉變，同時其焊接熱變形及熱影響區較常規方法要小，使得低熱輸入條件下金屬薄板雷射深熔焊品質得到較大提高。
[0017](3)本發明方法，不僅具有很好的金屬薄板雷射焊接成形品質，而且雷射能量利用率得到了較大提高，以相同雷射焊接工藝條件下所獲得的焊縫橫切面面積來評價雷射能量利用率，本發明方法的雷射能量利用率較常規方法提高了 15%-35%。
[0018](4)本發明方法對反射墊板金屬材質和表面狀態沒有特別高的要求，是一種簡單易行、通用、經濟的實現金屬薄板低熱輸入單面焊接雙面成形的雷射深熔焊的方法，具有很強的工程價值和應用前景。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是本發明所述方法的基本原理(以壓片預置式雷射填材焊接為例)。
[0020]圖2是本發明對比例一所述雷射深熔焊金屬薄板橫截面形貌。
[0021]圖3是本發明實施例二中實例一所述雷射深熔焊金屬薄板橫截面形貌。
[0022]圖4是本發明實施例二中實例二所述雷射深熔焊金屬薄板橫截面形貌。
【具體實施方式】
[0023]下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
[0024]實施例一。
[0025]一種實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法，它包括以下主要步驟:
步驟1:清潔待焊接表面。
[0026]清潔過程包括:
1.用鹼性溶液(由體積百分比為59TlO%NaOH+餘量酒精(或丙酮)溶液組成)除去金屬薄板待焊接表面的油汙，烘乾後用砂紙打磨待焊接表面以去除表面氧化層；
2.用酸性溶液(以每升計由30-40ml氫氟酸、300ml硝酸和餘量的去離子水混合而成)對打磨後的金屬薄板進行酸洗；
3.用無水乙醇對其進行超聲波清洗，清洗後的金屬薄板烘乾待用；
步驟2:固定反射墊板。
[0027]固定反射墊板時:首先，應選擇對雷射具有反射作用的金屬板(如鋁合金板，且使用前需清潔表面油汙等汙染物)，將其切割成形狀及尺寸能夠包容整個焊接區的反射墊板；然後，在雷射施焊金屬薄板的背面固定反射墊板，固定後的反射墊板需能夠包容整個焊接區，且固定後的反射墊板與金屬薄板之間的間隙為0.05、.25mm。
[0028]步驟3:雷射焊接金屬薄板。該過程包括:首先，將已固定好反射墊板的雷射施焊金屬薄板正面朝上固定在雷射焊接平臺上；然後，根據金屬薄板材質和厚度選擇合適的雷射焊接工藝參數進行雷射單面焊接以利用反射墊板將雷射全熔透穿透金屬薄板瞬間的雷射反射回焊接區，從而對焊接區進行二次加熱進而實現單面焊接獲得雙面成形的沙漏形(X形)焊縫，雷射焊接可以是填材雷射焊接也可以是無填材雷射焊接，其中填材雷射焊接中填充材料時可以採用預置粉末法也可以採用同步送粉或同步送絲法。採用預置粉末法時可以採用粘結預置法也可以採用壓片預置法，壓片預置法時預置粉末片的厚度一般為金屬薄板厚度的1/2?3/2，其最佳厚度為金屬薄板厚度的2/3 ;焊接的雷射工藝參數為光纖雷射器在零離焦量(即預置粉末片處於雷射束焦點位置)狀態下採用2(T30mm/S的掃描速度，40(T500W的雷射功率。
[0029]實施例二。
[0030]如圖2-4所示。
[0031]對比例一。
[0032]金屬薄板材質為TC4鈦合金,試樣尺寸為80mmX 26mm X 0.6mm,試樣中部存在有尺寸為0.2mmX 23mm的直線型縫隙；粉末片的厚度為0.4mm，粉末片成分(質量百分比)為:A17%、V 5%和餘量Ti ;雷射焊接設備為IPG公司生產的YLS-2000W光纖雷射器，優化後的低熱輸入雷射焊接工藝參數為:離焦量為O，掃描速度為25mm/s，雷射功率為450W。按照前述實施例一中所述的步驟I清潔待焊接表面，並採用常規焊接方法即薄板試樣待焊接區背面沒有貼反射墊板進行雷射深熔焊，所獲得的雷射深熔焊金屬薄板橫截面形貌如圖2所示。從圖2中可以看出，採用上述方法獲得的金屬薄板雷射深熔焊焊縫的形貌為釘頭形(V形)，其焊縫區橫切面面積為0.6604mm2。
[0033]實例一。
[0034]實例一中所用金屬薄板試樣、粉末片、雷射設備及雷射工藝參數均與對比例一所述相同，其與對比例一不同之處在於其採用了本發明所述技術方案，反射墊板為經處理後表面呈暗灰色的TC4合金薄板。按照前述實施例一中所述的步驟逐一實施焊接，獲得的雷射深熔焊金屬薄板橫截面形貌如圖3所示。從圖3中可以看出，採用本發明所述方法獲得的金屬薄板雷射深熔焊焊縫的形貌為沙漏形(X形)，其焊縫區橫切面面積為0.7598mm2,以相同雷射焊接工藝條件下所獲得的焊縫橫切面面積來評價雷射能量利用率，實例一中的雷射能量利用率較常規焊接方法(對比例一)提高了 15.05%。
[0035]實例二。
[0036]實例二中所用金屬薄板試樣、粉末片、雷射設備及雷射工藝參數、雷射焊接方法均與實例一所述相同，其與實例一不同之處在於其所用反射墊板為用酒精棉球清潔表面油汙等汙染物後的市購軋制6061鋁合金板(表面呈亮白色)。按照前述實施例一中所述的步驟逐一實施焊接，獲得的雷射深熔焊金屬薄板橫截面形貌如圖4所示。從圖4中可以看出，採用本發明所述方法獲得的金屬薄板雷射深熔焊焊縫的形貌為沙漏形(X形)，其焊縫區橫切面面積為0.8948mm2,以相同雷射焊接工藝條件下所獲得的焊縫橫切面面積來評價雷射能量利用率，實例二中的雷射能量利用率較常規焊接方法(對比例一)提高了 35.49%。
[0037]實例三。
[0038]根據實施例一的參數範圍對實例一、二中的參數進行調整後採用雷射焊接，實驗證明均能得到理想的沙漏形(X形)焊縫。
[0039]本發明的原理是(以壓片預置法為例):
如圖1所示，根據雷射束與粉末片材料相互作用導致金屬材料升溫情況，可以將本發明所述實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊過程分為以下幾個階段:(I)粉末片吸收雷射能量，粉末和基體(金屬薄板)熔化，形成焊接熔池，但還沒有形成小孔，見圖1(a); (2)隨著粉末片吸收的能量越來越高，金屬材料汽化，金屬蒸汽的反衝力作用在熔池表面也越強烈，就會使熔融金屬表面下陷形成小孔，見圖1 (b); (3)已形成的小孔增加了雷射束與金屬材料相互作用面積，金屬材料吸收能量率會明顯提高，從而更大的反衝力使液態金屬下凹形成深熔穿透小孔，形成穿透小孔瞬間雷射束將會輻射在反射墊板上，反射墊板會將雷射束進一步反射回去，見圖1 (c); (4)反射墊板將雷射束反射給基體(金屬薄板)，相當於在基體(金屬薄板)焊接區背面增加了一個輔助熱源，最後形成穩定的深熔小孔焊接，焊接區獲得單面焊接雙面成形的效果，見圖1 (d)。
[0040]本發明未涉及部分均與現有技術相同或可採用現有技術加以實現。
【權利要求】
1.一種實現金屬薄板單面焊接雙面成形的高效雷射深熔焊方法，其特徵是:在雷射施焊金屬薄板的背面增設反射墊板，以利用反射墊板將雷射全熔透穿透金屬薄板瞬間的雷射反射回焊接區，從而對焊接區進行二次加熱進而實現單面焊接獲得雙面成形的沙漏形即X形焊縫。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵是它主要由以下步驟組成: 步驟1:清潔待焊接表面； 步驟2:固定反射墊板；該過程包括:首先，選擇對雷射具有反射作用的金屬板，將其切割成形狀及尺寸能夠包容整個焊接區的反射墊板；然後，在雷射施焊金屬薄板的背面固定反射墊板，固定後的反射墊板需能夠包容整個焊接區，且固定後的反射墊板與金屬薄板之間的間隙為0.05?0.25mm ； 步驟3:雷射焊接金屬薄板；該過程包括:首先，將已固定好反射墊板的雷射施焊金屬薄板正面朝上固定在雷射焊接平臺上；然後，根據金屬薄板材質和厚度選擇合適的雷射焊接工藝參數進行雷射單面焊接即可。
3.根據權利要求2所述的方法，其特徵是所述的清潔待焊接表面時先用鹼性溶液除去金屬薄板待焊接表面的油汙，烘乾後用砂紙打磨待焊接表面以去除表面氧化層；然後，用酸性溶液對打磨後的金屬薄板進行酸洗；最後，再用無水乙醇對其進行超聲波清洗，清洗後的金屬薄板烘乾待用。
4.根據權利要求3所述的方法，其特徵是所述的鹼性溶液為59TlO%NaOH+餘量酒精或丙酮溶液，所述酸性溶液以每升計由30-40ml氫氟酸、300ml硝酸和餘量的去離子水混合而成。
5.根據權利要求2所述的方法，其特徵是所述的反射墊板為鋁合金板，且使用前需對表面進行清潔以去除汙染物。
6.根據權利要求2所述的方法，其特徵是雷射焊接金屬薄板時採用填材雷射焊接或無填材雷射焊接，其中填材雷射焊接中填充材料時採用預置粉末法或採用同步送粉或同步送絲法。
7.根據權利要求6所述的方法，其特徵是所述的預置粉末法採用粘結預置法或採用壓片預置法。
8.根據權利要求7所述的方法，其特徵是採用壓片預置法時預置粉末片的厚度為金屬薄板厚度的1/2?3/2 ;雷射工藝參數為光纖雷射器在零離焦量狀態下採用2(T30mm/S的掃描速度，40(T500W的雷射功率。
9.根據權利要求8所述的方法，其特徵是預置粉末片的厚度為金屬薄板厚度的2/3。
【文檔編號】B23K26/24GK103978309SQ201410225961
【公開日】2014年8月13日 申請日期:2014年5月26日 優先權日:2014年5月26日
【發明者】王宏宇, 程滿, 周建忠, 黃舒, 黎向鋒, 金鏡, 孫崇超, 晁栓, 吳天成, 佘傑 申請人:江蘇大學