CN105397296A - 一种激光沉积-熔注同步复合连接方法 - Google Patents
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Abstract
一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，它涉及一种激光沉积-熔注同步复合连接方法。本发明要解决金属基复合材料焊接增强相烧损、气孔缺陷倾向大、易生成脆性金属间化合物，激光填粉焊接前期准备过程相对复杂、增强相在高温液态金属中溶解较多等问题。本发明的方法为：将待焊接工件进行加工，安装送粉头，设置焊接工艺参数，启动机器进行焊接。本发明的方法能量输入精确可控；方便调节材料组分；增强相采用熔注的方法可以尽量避免增强相颗粒烧损；柔性大、自动化程度高；最小特征尺寸和热输入仅受限于最小光斑尺寸。
Description
技术领域
本发明涉及一种金属基复合材料激光焊接新方法，属于材料加工工程领域。
背景技术
金属基复合材料(MetalMatrixComposites，简称MMCs)所具有的高比强度、比模量、良好的导热、导电性、耐磨性、高温性能、低的热膨胀系数、高的尺寸稳定性等优异的综合性能,使金属基复合材料在航天、航空、电子、汽车以及先进武器系统中均具有广泛的应用前景。相对于纯金属材料，由于金属基复合材料制作工艺复杂、成本昂贵，这在一定程度上限制了金属基复合材料的应用。金属基复合材料根据增强体形态的不同可以分为连续纤维复合材料、短纤维复合材料、颗粒增强复合材料、编织复合材料等。制备工艺主要有粉末冶金、搅拌铸造、喷射沉积和压力浸渗等。
由于金属基复合材料特殊的微观结构，基体与增强体之间物理化学性质存在很大的差异，这既使得金属基复合材料兼具了金属基体与增强体的优异性能，又能克服二者的性能不足。但是，也正是金属基复合材料这种特殊的微观结构特点决定了其焊接难度相对于常规金属材料大得多。
目前，对金属基复合材料的连接研究和应用比较多的集中在熔化焊、固相焊、钎焊三大类。熔化焊主要包括TIG、MIG、MAG焊等；固相焊主要有瞬时液相扩散焊(TLP)、固相扩散焊、搅拌摩擦焊等；钎焊则有空气气氛中的钎焊、保护气氛中的钎焊、真空钎焊等。熔焊时，增强体的存在降低了熔池流动性，易造成焊缝成形差、气孔及裂纹等缺陷；同时，在高温情况下，增强相与基体金属之间容易发生界面反应生成脆性化合物。因此，常规的熔化焊接方法很难实现颗粒增强金属基复合材料优质连接。
金属基复合材料常规熔化焊接主要存在以下几个问题：
一、焊缝成形差。增强相降低了熔池流动性，同时焊接过程中易发生金属基体飞溅，形成焊缝凹陷，增强相残渣附着在焊缝边缘。
二、增强相分布不均匀。焊接过程中基体金属熔化而增强相不熔化，增强体被前进中的液固界面所推移，致使焊缝中的增强相分布不均匀。
三、界面反应形成脆性化合物。焊接过程中基体金属材料与增强相通常会发生界面反应，如SiCp/Al复合材料焊接中，SiC颗粒与Al发生如下反应：
SiC(s)+Al(l)|Al4C3(s)+Si(s)
界面反应不仅会消耗增强相，减弱其增强效果；而且，界面反应生成物多为脆性相，严重削弱接头性能。
四、焊接缺陷倾向大。由于金属基体与增强相之间物理性能显著的差别，焊接过程中裂纹、气孔、未熔合等缺陷倾向大。
相比熔化焊，虽然固相连接能避免复合材料的熔化，不发生增强颗粒与基体金属间界面反应，避免了脆性相的产生，但固相焊过程中，被焊材料需施加较大的压力，容易造成母材与增强相的接合界面复合材料或增强相本身发生破坏。
而对于钎焊，与其他焊接方法相比，钎焊加热温度低，母材不熔化，不易引起基体与增强相间的界面反应；且钎焊变形小，接头美观，但增强相颗粒的存在，严重阻碍钎料在母材表面的润湿与铺展，同时存在基体-增强相、增强相-增强相间的弱连接，严重影响接头性能。
发明内容
本发明的目的是为了解决金属基复合材料焊接时增强相烧损、气孔缺陷倾向大、易生成脆性金属间化合物，激光填粉焊接过程又存在前期准备过程相对复杂、增强相在高温液态金属中溶解较多等问题。而提供了一种激光沉积-熔注同步复合连接方法。
本发明的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一：将待焊工件的待焊部位加工成V型坡口；
步骤二：对坡口及附近位置表面进行清理、打磨，并用夹具将待焊工件装夹固定在工作台上；
步骤三：安装同轴和旁轴送粉头，设置焊接工艺参数：
激光功率为600W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为3mm/s～15mm/s；送粉速度为2g/min～15g/min，送粉载气流量为3L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为2g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°；
步骤四：采用同轴送粉头向焊缝位置送入填充粉末，控制激光发生装置执行步骤三的工艺参数，产生激光束，在激光辐照下熔化粉末形成熔池；
步骤五：在同轴送入填充粉末焊接的同时，在熔池的后部通过旁轴送粉头向熔池中注入增强相颗粒，即完成所述的激光沉积-熔注同步复合连接。
本发明将填充粉末与增强相颗粒粉末用球磨机混合均匀，制得混合填充粉末；将混合填充粉末装入送粉机中；其中，混合填充粉末的体积大于待焊工件焊缝坡口位置的体积。
混合填充粉末中填充粉末与增强相颗粒的比例根据待焊工件中基体材料与增强相的比例来确定，即混合填充粉末的体积大于待焊金属基复合材料中基体与增强相的体积。
本发明填充粉末材料根据待焊材料的不同而不同，一般选择与焊接母材成份相匹配的合金粉末。
本发明的增强相颗粒与母材增强相颗粒相同；以避免增强相颗粒与激光或高温熔池直接作用而发生烧损，并在焊缝形成新的复合材料层而连接两母材。
本发明包含以下有益效果:
采用激光填粉沉积-熔注的方法，将填充粉末与增强相颗粒分开送入焊缝，避免了实验准备过程中混合粉末球磨过程，并且可以根据实验情况实时调节填充粉末与增强相颗粒的送入速度与送入量。
本发明的方法能量输入精确可控；方便调节材料组分；柔性大、自动化程度高；最小特征尺寸和热输入仅受限于最小光斑尺寸。另外最显著特点是增强相采用熔注的方法填充到焊缝熔池后方，不与激光能量直接作用，能尽量避免增强相颗粒烧损，同时增强相从温度较低的熔池后方送入，能有效的抑制增强相颗粒在液态金属中的溶解。
附图说明
图1为本发明激光沉积-熔注同步复合连接示意图；
图2为实施例1的焊接接头金相图；
图3为实施例1的焊接接头微观组织图；
图4为实施例2的焊接接头金相图；
图5为实施例2的焊接接头微观组织图。
具体实施方式
具体实施方式一：本实施方式的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，它是按照以下步骤进行的：
步骤一：将待焊工件的待焊部位加工成V型坡口；
步骤二：对坡口及附近位置表面进行清理、打磨，并用夹具将待焊工件装夹固定在工作台上；
步骤三：安装同轴和旁轴送粉头，设置焊接工艺参数：
激光功率为600W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为3mm/s～15mm/s；送粉速度为2g/min～15g/min，送粉载气流量为3L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为2g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°；
步骤四：采用同轴送粉头向焊缝位置送入填充粉末，控制激光发生装置执行步骤三的工艺参数，产生激光束，在激光辐照下熔化粉末形成熔池；
步骤五：在同轴送入填充粉末焊接的同时，在熔池的后部通过旁轴送粉头向熔池中注入增强相颗粒，即完成所述的激光沉积-熔注同步复合连接。
本实施方式将填充粉末与增强相颗粒粉末用球磨机混合均匀，制得混合填充粉末；将混合填充粉末装入送粉机中；其中，混合填充粉末的体积大于待焊工件焊缝坡口位置的体积。
混合填充粉末中填充粉末与增强相颗粒的比例根据待焊工件中基体材料与增强相的比例来确定，即混合填充粉末的体积大于待焊金属基复合材料中基体与增强相的体积。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：发射激光的激光器为半导体激光器、CO2气体激光器、YAG固体激光器或光纤激光器。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三的工艺参数为：激光功率为800W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为3mm/s～15mm/s；送粉速度为2g/min～15g/min，送粉载气流量为3L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为2g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三的工艺参数为：激光功率为1000W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为5mm/s～15mm/s；送粉速度为5g/min～15g/min，送粉载气流量为5L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为5g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三的工艺参数为：激光功率为2000W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为8mm/s～15mm/s；送粉速度为8g/min～15g/min，送粉载气流量为8L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为8g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三的工艺参数为：激光功率为3000W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为10mm/s～15mm/s；送粉速度为10g/min～15g/min，送粉载气流量为10L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为10g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三的工艺参数为：激光功率为4000W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为12mm/s～15mm/s；送粉速度为12g/min～15g/min，送粉载气流量为15L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为15g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三的工艺参数为：激光功率为4500W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为10mm/s；送粉速度为10g/min，送粉载气流量为15L/min，增强相颗粒注入速度为15g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三的工艺参数为：激光功率为3000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为15mm/s；送粉速度为15g/min，送粉载气流量为20L/min，增强相颗粒注入速度为20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤三的工艺参数为：激光功率为1000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为3mm/s；送粉速度为3g/min，送粉载气流量为2L/min，增强相颗粒注入速度为3g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。其它与具体实施方式一相同。
具体实施方式十一：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述的待焊工件为金属基复合材料，如铝基复合材料、镁基复合材料、钛基复合材料或镍基复合材料等。其它与具体实施方式一相同。
本发明内容不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个具体实施方式的组合同样也可以实现发明的目的。
通过以下实施例验证本发明的有益效果：
分别采用激光填粉沉积焊接方法以及本发明的方法1mm厚体积分数60％的Sip/LD11复合材料实施焊接。
实施例1
激光填粉沉积焊接方法如下：
对待焊Sip/LD11复合材料加工成80×40×1mm3，单边30°V型坡口，将待焊位置打磨清理，无间隙固定在工作台上。
激光器选择半导体激光器，光斑直径4mm，将AlSi12合金粉末与Si颗粒粉末按2:3球墨均匀制成混合填充粉末；采用国产新松单筒送粉器，与激光同轴送入焊缝位置。激光功率1200W，焊接速度5mm/s，送粉速度5g/min，送粉载气流量10L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min。
焊接接头金相以及微观组织如图2和图3所示，可见，接头宏观成形较好，存在咬边缺陷及少量气孔。微观组织主要为较粗大的块状Si相及a(Al)固溶体，Si颗粒烧损较严重。
实施例2
本实施例的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，它是按照以下步骤进行的：
激光器选择半导体激光器，送粉器为双筒送粉器。待焊板材打磨清洗后，开单边30°V型坡口，无间隙对接。激光功率1200W，焊接速度5mm/s，送粉速度5g/min，送粉载气流量8L/min，增强相颗粒注入速度范围4g/min，注入角度范围50°，保护气以及束流气流量均为5L/min。
采用同轴送粉头向焊缝位置送入填充粉末，填充粉末材料根据待焊材料的不同而不同，如焊接Si颗粒增强LD11材料，填充粉末可以是AlSi12合金粉末与Si颗粒的混合粉末，也可以是纯Al粉与Si颗粒的混合粉末，至于Al：Si合金粉末的比例需要根据母材中增强相的比例确定，在本实施例条件中，Al：Si合金粉末比例可以为2:3-1:2。控制激光发生装置执行步骤三的工艺参数，产生激光束，在激光辐照下熔化粉末形成熔池；在同轴送入填充粉末焊接的同时，在熔池的后部通过旁轴送粉头向熔池中注入增强相颗粒Si颗粒。
采用激光沉积-熔注同步复合连接方法进行Sip/LD11复合材料焊接的接头金相照片及微观组织如图4和图5
所示，可见，焊缝无明显缺陷，母材熔化量少，界面清晰。焊缝组织为a(Al)固溶体以及弥散分布的Si颗粒，相比激光填粉沉积焊接微观组织更加均匀细密，达到了预想的结果。
实施例3
本实施例的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，它是按照以下步骤进行的：
激光器选择光纤激光器，送粉器为双筒送粉器。待焊板材打磨清洗后，开单边30°V型坡口，无间隙对接。激光功率2000W，焊接速度10mm/s，送粉速度10g/min，送粉载气流量15L/min，增强相颗粒注入速度范围8g/min，注入角度范围50°，保护气以及束流气流量均为5L/min。
采用同轴送粉头向焊缝位置送入填充粉末，填充粉末材料根据待焊材料的不同而不同，如焊接Si颗粒增强LD11材料，填充粉末可以是AlSi12合金粉末与Si颗粒的混合粉末，也可以是纯Al粉与Si颗粒的混合粉末，至于Al：Si合金粉末的比例需要根据母材中增强相的比例确定，在本条件中，Al：Si合金粉末比例可以为2:3-1:2。，控制激光发生装置执行步骤三的工艺参数，产生激光束，在激光辐照下熔化粉末形成熔池；在同轴送入填充粉末焊接的同时，在熔池的后部通过旁轴送粉头向熔池中注入增强相Si颗粒。
实施例4
本实施例的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，它是按照以下步骤进行的：
激光器选择光纤激光器，送粉器为双筒送粉器。待焊板材打磨清洗后，开单边30°V型坡口，无间隙对接。激光功率5000W，焊接速度5mm/s，送粉速度5g/min，送粉载气流量5L/min，增强相颗粒注入速度范围8g/min，注入角度范围50°，保护气以及束流气流量均为5L/min。
采用同轴送粉头向焊缝位置送入填充粉末填充粉末材料根据待焊材料的不同而不同，如焊接Si颗粒增强LD11材料，填充粉末可以是AlSi12合金粉末与Si颗粒的混合粉末，也可以是纯Al粉与Si颗粒的混合粉末，至于Al：Si合金粉末的比例需要根据母材中增强相的比例确定，在本条件中，Al：Si合金粉末比例可以为2:3-1:2。控制激光发生装置执行步骤三的工艺参数，产生激光束，在激光辐照下熔化粉末形成熔池；在同轴送入填充粉末焊接的同时，在熔池的后部通过旁轴送粉头向熔池中注入增强相Si颗粒。
实施例5
本实施例的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，它是按照以下步骤进行的：
激光器选择光纤激光器，送粉器为双筒送粉器。待焊板材打磨清洗后，开单边30°V型坡口，无间隙对接。激光功率4000W，焊接速度15mm/s，送粉速度15g/min，送粉载气流量15L/min，增强相颗粒注入速度范围8g/min，注入角度范围50°，保护气以及束流气流量均为5L/min。
采用同轴送粉头向焊缝位置送入填充粉末填充粉末材料根据待焊材料的不同而不同，如焊接Si颗粒增强LD11材料，填充粉末可以是AlSi12合金粉末与Si颗粒的混合粉末，也可以是纯Al粉与Si颗粒的混合粉末，至于Al：Si合金粉末的比例需要根据母材中增强相的比例确定，在本条件中，Al：Si合金粉末比例可以为2:3-1:2。控制激光发生装置执行步骤三的工艺参数，产生激光束，在激光辐照下熔化粉末形成熔池；在同轴送入填充粉末焊接的同时，在熔池的后部通过旁轴送粉头向熔池中注入增强相颗粒增强相Si颗粒。以上实施例的方法能量输入精确可控；方便调节材料组分；柔性大、自动化程度高；最小特征尺寸和热输入仅受限于最小光斑尺寸。另外最显著特点是增强相采用熔注的方法填充到焊缝熔池后方，不与激光能量直接作用，能尽量避免增强相颗粒烧损，同时增强相从温度较低的熔池后方送入，能有效的抑制增强相颗粒在液态金属中的溶解。
Claims (10)
1.一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，其特征在于它是按照以下步骤进行的：
步骤一：将待焊工件的待焊部位加工成V型坡口；
步骤二：对坡口及附近位置表面进行清理、打磨，并用夹具将待焊工件装夹固定在工作台上；
步骤三：安装同轴和旁轴送粉头，设置焊接工艺参数：
激光功率为600W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为3mm/s～15mm/s；送粉速度为2g/min～15g/min，送粉载气流量为3L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为2g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°；
步骤四：采用同轴送粉头向焊缝位置送入填充粉末，控制激光发生装置执行步骤三的工艺参数，产生激光束，在激光辐照下熔化粉末形成熔池；
步骤五：在同轴送入填充粉末焊接的同时，在熔池的后部通过旁轴送粉头向熔池中注入增强相颗粒，即完成所述的激光沉积-熔注同步复合连接。
2.根据权利要求1所述的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，其特征在于发射激光的激光器为半导体激光器、CO2气体激光器、YAG固体激光器或光纤激光器。
3.根据权利要求1所述的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，其特征在于步骤三的工艺参数为：激光功率为800W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为3mm/s～15mm/s；送粉速度为2g/min～15g/min，送粉载气流量为3L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为2g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。
4.根据权利要求2所述的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，其特征在于步骤三的工艺参数为：激光功率为1000W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为5mm/s～15mm/s；送粉速度为5g/min～15g/min，送粉载气流量为5L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为5g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。
5.根据权利要求4所述的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，其特征在于步骤三的工艺参数为：激光功率为2000W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为8mm/s～15mm/s；送粉速度为8g/min～15g/min，送粉载气流量为8L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为8g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。
6.根据权利要求5所述的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，其特征在于步骤三的工艺参数为：激光功率为3000W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为10mm/s～15mm/s；送粉速度为10g/min～15g/min，送粉载气流量为10L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为10g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。
7.根据权利要求6所述的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，其特征在于步骤三的工艺参数为：激光功率为4000W～5000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为12mm/s～15mm/s；送粉速度为12g/min～15g/min，送粉载气流量为15L/min～20L/min，增强相颗粒注入速度为15g/min～20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。
8.根据权利要求7所述的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，其特征在于步骤三的工艺参数为：激光功率为4500W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为10mm/s；送粉速度为10g/min，送粉载气流量为15L/min，增强相颗粒注入速度为15g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。
9.根据权利要求8所述的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，其特征在于步骤三的工艺参数为：激光功率为3000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为15mm/s；送粉速度为15g/min，送粉载气流量为20L/min，增强相颗粒注入速度为20g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。
10.根据权利要求9所述的一种激光沉积-熔注同步复合连接方法，其特征在于步骤三的工艺参数为：激光功率为1000W，光斑直径为1mm～4mm，焊接速度为3mm/s；送粉速度为3g/min，送粉载气流量为2L/min，增强相颗粒注入速度为3g/min，注入角度为30°～70°，保护气以及束流气流量均为5L/min；激光头沿焊接方向前倾5°。
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