CN112192057B - 一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种铝/钢中厚壁管道焊接方法，属于焊接技术领域。为解决现有铝/钢异种材料的焊接技术所得焊接结构强度差的不足，本发明提供了一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，具体方法为：一、待焊母材表面的清洁；二、待焊钢母材表面微织构的制备：采用高频脉冲激光在坡口表面进行微织构的制备；三、焊接过程：采用铝基焊丝或锌基焊丝对钢管道与待焊铝管道进行对接激光熔钎焊接。本发明提出的钢管坡口表面微织构的形貌设计改善了铝/钢界面金属间化合物的形貌分布，消除了在板厚方向上金属间化合物厚度不均的缺陷，对裂纹的扩展起到了阻断作用，提升了铝/钢中厚壁管道对接的接头强度。

Description

一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法

技术领域

本发明属于焊接技术领域，尤其涉及一种铝/钢中厚壁管道焊接方法。

背景技术

近年来，随着能耗的增加及环境的恶化，轻量化技术成为了现代制造业发展的主流方向。越来越多的轻质材料如铝、镁、复合材料等被广泛的应用在材料与结构的优化设计中。铝及铝合金具有密度小、强度高、切削加工性能优良等优势，采用铝/钢复合结构在保证使用强度的同时，能够大幅度的提高构件的减重效果。激光焊接技术作为一种新型的焊接技术，具有能量密度高、焊接效率高、易于自动化等优势，采用激光焊接可以实现对接头热输入的精确控制，目前在航天航空、汽车制造、海洋船舶、压力容器制造中有着广泛的应用。目前，采用激光焊接技术实现铝/钢复合结构的连接具有广泛的应用前景。

针对铝/钢异种材料的焊接，二者物理性质化学的较大差异给铝/钢之间的冶金连接时带来了较大的困难。首先，铝/钢熔点差异较大，焊接时对于热输入的精度要求较高，否则易造成母材的烧损；由于Fe-Al之间固溶度很低，二者相遇即反应生成大量的脆性脆性金属间化合物，恶化接头性能。其中，脆性相平直粗大的形貌分布导致铝/钢界面极易开裂，对于接头动载及周期性载荷的承载能力损害极大。在厚板焊接过程中，由于沿板厚方向受热不均匀，导致铝/钢界面残余应力较大，界面金属间化合物层厚度不均，易出现微裂纹，这些缺陷严重降低了铝/钢界面性能，导致接头总是沿着界面金属间化合物层开裂并快速扩展进而失效。

发明内容

为解决上述现有铝/钢异种材料的焊接技术所得焊接结构强度差的不足，本发明提供了一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法。

本发明的技术方案：

一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，具体方法为：

步骤一、待焊母材表面的清洁；

步骤二、待焊钢母材表面微织构的制备：

沿坡口厚度方向设计不同形貌及厚度分布的表面微织构，采用高频脉冲激光在坡口表面进行微织构的制备，通过调整脉冲激光的参数以控制微织构的形貌；

步骤三、焊接过程：

将经表面处理后的钢管道与待焊铝管道装夹至焊接变位机上，打开激光器及焊接变位机，采用铝基焊丝或锌基焊丝以一定的单道激光功率、一定的离焦量、一定的旋转速度、一定的光丝间距、一定送丝速度、一定送丝角度和一定的填充道数对钢管道与待焊铝管道进行对接激光熔钎焊接，单次填充后缓冷，待试样冷却至室温后进行下一道的填充；激光始终保持平焊方向，焊接变位机随着焊接过程的进行不断转动待焊母材直到焊接完成。

进一步的，所述步骤一中，对待焊钢管坡口表面进行焊前清理具体为：先用丙酮擦洗母材表面以去除油污，然后在室温下采用5％～10％HCL溶液酸洗2min～4min，采用流动清水冲洗后风干或低温干燥。

进一步的，所述步骤二中，采用的高频脉冲激光器为纳秒激光器、飞秒激光器或皮秒激光器中的任意一种。

进一步的，所述步骤二中，激光功率为10～80W，扫描速度为200～2000mm/s，脉冲频率为20～1000kHZ，扫描次数为5～100，表面微织构深度为10～150μm。

进一步的，所述步骤三中，采用的激光器为光纤激光器、CO₂气体激光器、YAG固体激光器或半导体激光器中的任意一种。

进一步的，所述步骤三中，具体工艺参数为：单道激光功率为2000～3500W，离焦量为+25mm，旋转速度为0.2～0.5m/min，光丝间距为2～5mm。

进一步的，所述步骤三中，送丝速度为4～6m/min，送丝角度为前方45°送进。

进一步的，所述步骤三中，填充道数为1～20道。

进一步的，所述步骤三中，焊接过程中，在激光束后方对焊缝进行测吹保护，保护气为纯Ar气，保护气流量为15L/min。

进一步的，本方法适用的钢管的壁厚为3～15mm，适用的铝管的壁厚为3～15mm。

本发明的有益效果：

1、本发明提供了一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，采用高频脉冲激光以实现在待焊钢管材坡口表面微织构的制备，表面微织构的制备将平直的坡口表面转变为具有凹坑和凸起的粗糙结构，熔融的填充材料在焊接过程中会填充至凹坑内部形成紧密连接并实现冶金反应，相互咬合的界面形貌可以增加铝/钢之间机械互锁的作用。钢坡口表面粗糙度的增加有效的提高铝/钢结合面积，以上原因在物理及结构方面有效提升了铝/钢界面强度；在冶金反应方面，首先，弯曲的铝/钢界面反应前沿破坏了界面间金属间化合物的平直粗大的层状结构，在微织构的表面生成的金属间化合物形貌随着织构形貌的变化而改变，粗形象弯曲断续的形貌分布有效的阻碍了裂纹沿脆性化合物层的快速扩展；第二，在坡口表面沿深度方向上的表面设计可以使不同温度区间内发生的熔融金属与钢的反应发生于不同形貌表面，抑制了在高温条件下界面金属间化合物的不断形成与长大，消除了界面脆性相沿坡口方向分布不均、厚度差距较大的冶金缺陷，降低了界面残余应力，有效的提升了铝/钢界面的承载能力。本发明提出的钢管坡口表面微织构的形貌设计改善了铝/ 钢界面金属间化合物的形貌分布，使平直粗大的界面脆性金属间化合物转变为断续弯曲状，消除了在板厚方向上金属间化合物厚度不均的缺陷，对裂纹的扩展起到了有效的阻断作用，提升了铝/钢中厚壁管道对接的接头强度。

2、本发明通过对铝/钢坡口进行微织构的制备以实现界面金属间化合物层的形貌控制，进而提升铝/钢中厚壁管道对接接头的机械性能，解决了在铝/钢中厚壁管道对接激光焊接过程中存在的未熔合、难润湿、及界面开裂等问题。在焊接过程中，采用钢母材不熔化、铝母材与焊丝熔化以填充坡口并在钢管坡口表面发生冶金反应的的熔钎焊模式，通过调整激光工艺参数以实现对热输入的精确控制。

附图说明

图1为铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法示意图；

图2为待焊钢管坡口表面微织构形貌制备过程示意图；

图3为待焊钢管坡口表面微织构形貌；

图4为实施例1所制备的铝钢管道对接接头的金相显微照片；

图5为对比例2所制备的铝钢管道对接接头的金相显微照片；

图中，1、钢管道 ；2、铝合金 管道 ；3、激光器；4、焊接变位器；5、激光束；6、送气管；7、保护气；8、送丝系统；9、坡口的直线形貌；10、坡口的网格形貌。

具体实施方式

为了进一步理解本发明，在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，实例中的描述是为了进一步阐述本方法的特征及技术手段，而不是对于本发明权利要求的限制。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明提供了一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，其主要技术原理如下：采用高频脉冲激光处理经清洗过的待焊钢板表面以完成微织构的制备；通过改变脉冲激光的运行轨迹及工艺参数以在坡口深度方向上的不同位置实现不同形貌的微织构的制备；采用激光对接熔钎焊的焊接模式以实现对于整体热输入的精准控制，在焊接过程中，铝母材及填充金属共同熔化并填充坡口及坡口表面的织构；焊接管道时，通过变位机来匀速旋转管道，激光始终保持在平焊位置以保证焊接稳定性。

在进行表面处理及焊接以前首先需要对焊母材进行清理。对于钢管坡口表面来说，先用丙酮擦洗母材表面以去除油污，然后在室温下采用5％～10％HCL溶液酸洗2min～4min以去除钢板表面氧化膜，采用流动清水冲洗后风干或低温干燥。对于铝管来说，使用角磨机对内外管壁及侧壁进行打磨以去除铝板表面氧化膜，再用丙酮擦拭打磨后的表面以去除油污。所述选用的钢管1壁厚为3-15mm，选用的铝管2壁厚为3-15mm。在具体实施例中，所采用钢板厚度为3-5mm，铝板厚度为3-5mm。

在进行表面微织构的制备过程中，首先，将经过酸洗后的钢管夹持固定，具体的，将坡口置于水平方向，并在制备织构的旋转过程中始终保持，以确保作用于坡口不同位置的脉冲激光光斑直径的稳定；开启纳秒激光器进行表面微织构的制备。选用的激光功率为20-80W，扫描速度为200-2000mm/s，脉冲频率为20-1000kHZ，扫描次数为5-100，表面微织构深度为10-150μm。表面微织构在沿钢坡口厚度方向上的设计主要体现在微织构的形貌改变上，包括织构形式的改变(如点阵排列、直线及其方向、网格、螺旋线、同心圆等)及相关参数的变化(如单点直径、沟槽间距、网格密度、深宽比等)。通过调整脉冲激光的扫描路径及工艺参数以实现表面形貌的改变；制备过程的示意图如图一所示。在脉冲激光作用的过程中，使用纯氩气进行侧吹保护，表面微织构制备完成后，保持保护气气氛直至试样冷却至室温，以防止坡口的氧化。

坡口经过上述的表面处理后，形成了如图3坡口的直线形貌9和坡口的网格形貌10所示的

表面结构。经过上述表面处理后，将带有微织构的钢管与待焊铝材以对接接头的形式进行装夹。具体的，采用焊接变位机4使待焊钢管及铝管沿同一方向匀速旋转，其中，坡口间隙为0.5-2mm。

完成了上述准备工作后，准备进入激光熔钎焊环节。激光焊接可以实现对于热输入的精确控制，其中，激光功率、焊接速度、激光离焦量、激光偏移量、送丝速度等因素共同决定了激光能量的输入。在激光熔钎焊过程中，激光直接辐照在填充金属上以保证焊丝的充分熔化，通过热量的传导使填充焊丝与铝母材混合并在坡口表面的微织构上润湿铺展并发生冶金反应，钢母材的不熔化在最大程度上抑制铁、铝原子的混合而抑制了Fe-Al脆性金属间化合物的不断形成及长大。为了提高焊接过程稳定性，激光束5始终保持平焊位置，通过管材的旋转以实现管道整理的连接。考虑以上因素，铝/钢熔钎焊单道激光功率为 2000-3500W，离焦量为+25mm，旋转速度为0.2-0.5m/min，光丝间距为2-5mm，送丝角度为前方45°送进，激光光斑直接辐照在填充金属表面以确保焊丝的充分熔化；根据不同管壁厚度填充道数为1-20道，单道填充后缓冷，待试样冷却至室温后进行下一道的填充；采用填充金属为铝基焊丝或锌基焊丝，送丝系统8的送丝速度为4-6m/min，通过送气管6 送出保护气，保护气7为纯Ar气，保护气流量为15L/min，保护气7在激光束5后方对焊缝进行侧吹保护。

实施例1

一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法

步骤一、选用3mm壁厚的Q235钢管及3mm壁厚的6061铝合金作为母材，钢板一侧开45°坡口，按上述方法进行板材的清洗；

步骤二、采用高频脉冲激光对钢板进行表面微织构的制备，其中焊接功率为60W，焊接速度为500mm/s，脉冲频率为30kHZ，采用垂直于焊缝方向的直线，间距为0.5mm，其中，在坡口上部脉冲激光扫描次数为30次，下部扫描次数为10次；

步骤三、将处理后的钢管与待焊铝管以对接的接头形式夹持在焊接变位器上，采用 IPG-6kW光纤激光器对其进行熔钎焊，单道成形需用的激光功率为3kW，旋转速度 0.5m/min，激光离焦量为+25mm，采用锌基焊丝，送丝速度为3m/min，坡口间隙为1.2mm。

采用上述的焊接参数得到的铝钢管道对接接头成型良好，无明显的咬边及气孔缺陷。对界面进行观察，观察结果如图4所示，发现铝/钢界面沿厚度方向脆性相厚度较为均匀，呈弯曲断续状分布，对接头进行拉伸测试，接头强度为238MPa。

实施例2

一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法

步骤一、选用3mm壁厚的Q235钢管及3mm壁厚的6061铝合金作为母材，钢板一侧开45°坡口，按上述方法进行板材的清洗；

步骤二、采用高频脉冲激光对钢板进行表面微织构的制备，其中焊接功率为60W，焊接速度为500mm/s，脉冲频率为30kHZ，在坡口上部采用垂直于焊缝方向的直线，间距为0.5mm，扫描次数为10；在坡口下部采用网格的织构形式，间距为0.5mm，扫描次数为10次；

步骤三、将处理后的钢管与待焊铝管以对接的接头形式夹持在焊接变位器上，采用IPG-6kW光纤激光器对其进行熔钎焊，单道成形需用的激光功率为3kW，旋转速度 0.5m/min，激光离焦量为+25mm，采用锌基焊丝，送丝速度为3m/min，坡口间隙为1.2mm。

采用上述的焊接参数得到的铝钢管道对接接头成型良好，无明显的咬边及气孔缺陷。对界面进行观察，发现铝/钢界面沿厚度方向脆性相厚度较为均匀，呈弯曲断续状分布，对接头进行拉伸测试，接头强度为220MPa。

对比例1

与实施例1相比，母材的清洗流程与熔钎焊方法及参数一致，区别在于，坡口表面的织构未经形貌的设计，均为垂直焊缝方向的直线，间距为0.5mm，扫描次数为10次。观察发现铝/钢界面处生成的脆性相在沿厚度方向处存在5μm左右的厚度差，并在焊缝上部存在微裂纹，对接头进行拉伸测试，接头强度为172MPa。

对比例2

与实施例1相比，母材的清洗流程与熔钎焊方法及参数一致，区别在于，坡口表面未经织构的制备，为光滑平面。观察发现铝/钢界面处生成的脆性相在沿厚度方向处存在7.5μm左右的厚度差，对界面进行观察，观察结果如图5所示，界面金属间化合物粗大并伴随大量微裂纹，对接头进行拉伸测试，接头强度为167MPa。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，其特征在于，具体方法为：

步骤一、选用钢管道及铝合金管道作为母材，钢管道一侧开45°坡口，并进行待焊母材的清洗；

步骤二、采用高频脉冲激光对钢管道进行表面微织构的制备，其中焊接功率为60W，焊接速度为500mm/s，脉冲频率为30kHZ，在坡口上部采用垂直于焊缝方向的直线，间距为0.5mm，扫描次数为10；在坡口下部采用网格的织构形式，间距为0.5mm，扫描次数为10次：

步骤三、焊接过程：将处理后的钢管道与待焊铝合金管道以对接的接头形式夹持在焊接变位器上，采用IPG-6kW光纤激光器对其进行熔钎焊，以单道成形需用的激光功率为3kW、激光离焦量为+25mm、旋转速度0.5m/min、采用锌基焊丝，送丝速度为3m/min、坡口间隙为1.2mm，对钢管道与铝合金管道进行激光熔钎焊接，单次填充后缓冷，待试样冷却至室温后进行下一道的填充；激光始终保持平焊方向，焊接变位机（4）随着焊接过程的进行不断转动待焊母材直到焊接完成；

所述钢管道（1）的壁厚为3~15mm，适用的铝合金管道（2）的壁厚为3~15mm。

2.根据权利要求1所述的一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述步骤一中，对待焊钢管道（1）坡口表面进行焊前清理具体为：先用丙酮擦洗母材表面以去除油污，然后在室温下采用5％～10％ HCL溶液酸洗2min～4min，采用流动清水冲洗后风干或低温干燥。

3.根据权利要求1所述的一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述步骤二中，采用的高频脉冲激光器为纳秒激光器、飞秒激光器或皮秒激光器中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述步骤二中，表面微织构深度为10~150μm。

5.根据权利要求4所述的一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述步骤三中，光丝间距为2~5mm。

6.根据权利要求5所述的一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述步骤三中，送丝角度为前方45°送进。

7.根据权利要求6所述的一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述步骤三中，填充道数为1~20道。

8.根据权利要求7所述的一种铝/钢中厚壁管道对接激光熔钎焊接方法，其特征在于，所述步骤三中，焊接过程中，在激光束后方对焊缝进行侧吹保护，保护气（7）为纯Ar气，保护气流量为15 L/min。

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