一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法

1.本发明涉及异种金属激光焊接技术领域，尤其涉及一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法。


背景技术：

2.及铝合金具有比重小、比强度高、耐腐蚀性能强、易于回收再生等优点，在汽车工业领域应用广泛，近年来，随着铝合金技术的发展及汽车轻量化的需要，铝合金在汽车工业的使用量迅速增加。传统钢材料由于强度大的特点主要应用于汽车结构件和安全件，是汽车制造中的主要材料。其具备价格低廉，塑性、韧性高并且性能可靠等优点，但同等体积下钢材的重量是铝合金的3倍。而铝/钢一体化结构件同时兼顾质量轻、强度高、耐腐蚀的特点，对于汽车减重与性能提升具有重要意义。因此，实现铝/钢异质材料优质高效的连接，用铝/钢一体化结构件代替单一的钢材料结构件是目前汽车工业亟待解决的问题，具有广阔的发展前景。
3.激光焊接具有能量密度高、热源可控性好、焊接变形小、可获得较大深宽比焊缝，焊缝美观等优点，但是由于铝钢的热导率和线膨胀系数等物理性能差异较大，导致焊后易生成脆性fe-al金属间化合物，恶化接头力学性能。此外，铝钢激光焊接存在的另一问题是铝合金对激光的反射较强，导致焊接时激光利用率较低。因此需要发明一种辅助焊接工艺来解决这两大问题。
4.查阅现有的相关技术文献可知，在铝钢之间添加适当的合金元素可在一定程度上阻碍了铝与钢的直接接触，调控界面fe-al金属间化合物相的生成，从而改善接头的力学性能。但并不是所有的合金元素都具备这种作用，有研究发现，在铝钢之间添加cu箔（杨旭东, 石岩, 刘佳.铜箔中间层对铝/钢异种金属激光对接焊接头质量的影响）可以抑制al向钢侧焊缝的扩散，减少焊缝中第二相粒子的析出，减少fe元素在焊缝中的过度聚集，但同时也会生成脆性相，使得接头的力学性能降低；而添加多种合金元素组成的合金粉末如fe-b-si粉（王晓虹, 谷晓燕, 孙大千.钢/铝异种金属激光焊接头界面特性的研究）、alsicu粉（dong h g, hu w j, duan y p, et al. dissimilar metal joining of aluminum alloy to galvanized steel with al-si, al-cu, al-si-cu and zn-al filler wires）等可以使铝/钢界面趋于平整，imc的厚度显著减小。
5.申请号为cn114918542a、cn115138936a的中国专利介绍了在异种材料激光焊接的中间层添加含有纳米陶瓷颗粒粉末的方法，该方法可以增大激光吸收率，增加焊缝深度，提高焊接效率，并使焊缝晶粒得到细化，抑制接头中热裂纹的形成。但是该方法存在的问题是：在铝钢焊接中，由于纳米陶瓷与基体材料的物理化学性质不匹配，焊缝凝固时纳米增强相与强化基体之间存在适配性问题，容易使结合界面成为裂纹源。
6.针对以上问题，本发明提出了一种在铝钢搭接面上添加由alsicu粉和纳米mo粉混合制备得到的复合粉末作为中间层进行激光焊接的方法，其中alsicu粉能够使焊缝界面趋于平整，减小imc厚度，而相比于纳米陶瓷颗粒，纳米mo粉与基体材料具有更高的相容性，不
仅增大了激光吸收率，使焊缝熔深熔宽增大；还能提高熔敷金属的塑性和韧性，减少脆性断裂，改善焊接接头的力学性能。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，解决焊缝成形相关问题，提高铝合金/钢焊接接头的力学性能。
8.为了实现本发明的目的,本发明采用的技术方案为：本发明公开了一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，包括如下步，（1）制备中间层复合粉末；（2）对两块待焊接基材进行预处理；（3）将制备得到的中间层复合粉末均匀涂覆在对应的待焊接基材的搭接面；（4）采用激光焊接的方式对两块所述待焊接基材进行焊接处理。
9.所述步骤（1）中复合粉末的制备方法为：按照设定的质量比在alsicu粉中添加纳米mo粉，将两种粉末用丙酮混合。
10.所述复合粉末中alsicu粉的质量比为85%-99.9%，纳米mo粉质量比为0.1%-15%。
11.所述复合粉末中alsicu粉的质量比为95%-99%，纳米mo粉质量比为1%-5%。
12.所述alsicu合金粉末的组成为al-12%si-2%cu，纳米mo粉纯度为大于99.99%。
13.所述步骤（2）中的焊接基材分别为低碳钢和铝合金。
14.所述步骤（2）中预处理采用机械清理与化学清理的方式去除铝合金表面氧化膜与杂质，焊前先用细砂纸打磨待焊部位，然后用质量分数为5%的naoh溶液浸泡2min，再用质量分数为30%的hno3溶液浸泡1min，最后用流水清洗30s，吹干待用。低碳钢板采用机械清理方式处理，先采用400#和800#砂纸打磨待焊部位，再用丙酮浸泡去除表面油污，流水冲洗，吹干待用。
15.所述低碳钢搭接于铝合金的上方形成搭接面，焊接处位于两者搭接面的正中间。
16.所述步骤（4）中激光焊接的参数包括激光功率为700-1000w，焊接速度为0.04-0.09m/s，离焦量为(-1)-(+4)mm，保护气体为氩气，采取侧吹的方式, 气流量为20l/min；激光头沿垂直激光行进方向偏离2-10
°
。
17.本发明的有益效果在于：本发明添加复合粉末后焊接过程稳定，焊缝成形美观，无飞溅、裂纹等缺陷产生，焊接效率明显提高。接头的力学性能改善显著；同时使焊缝区组织得到细化，由柱状晶转变为细小等轴晶，界面imc排列整齐，形状平缓，厚度减小，显著提高了焊缝区的显微硬度及接头的抗拉剪力。
18.本发明复合粉末的制备工艺简单，不需要昂贵的设备及繁琐的工序。
附图说明
19.图1是本发明第二实施例提供的焊缝正面外观图；图2是本发明第二实施例提供的搭接接头金相组织图；图3是本发明第二实施例提供的界面sem图。
具体实施方式
20.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明：参见图1-图3。
21.本发明公开了一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，包括如下步，（1）制备中间层复合粉末；（2）对两块待焊接基材进行预处理；（3）将制备得到的中间层复合粉末均匀涂覆在对应的待焊接基材的搭接面；（4）采用激光焊接的方式对两块所述待焊接基材进行焊接处理。
22.进一步的，步骤（1）中复合粉末的制备方法为：按照设定的质量比在alsicu粉中添加纳米mo粉，将两种粉末用丙酮混合。
23.进一步的，复合粉末中alsicu粉的质量比为95%-99%，纳米mo粉质量比为1%-5%。
24.进一步的，alsicu合金粉末的组成为al-12%si-2%cu，纳米mo粉纯度为大于99.99%，尺寸为100nm。
25.进一步的，步骤（2）中的焊接基材分别为dc06低碳钢和al-mg-si系列6016铝合金。
26.进一步的，步骤（2）中预处理采用机械清理与化学清理的方式去除铝合金表面氧化膜与杂质，焊前先用细砂纸打磨待焊部位，然后用质量分数为5%的naoh溶液浸泡2min，再用质量分数为30%的hno3溶液浸泡1min，最后用流水清洗30s，吹干待用。低碳钢板采用机械清理方式处理，先采用400#和800#砂纸打磨待焊部位，再用丙酮浸泡去除表面油污，流水冲洗，吹干待用；将复合粉末均匀铺满铝合金上的搭接面，低碳钢搭接于铝合金的上方形成搭接面，采用“钢上铝下”的搭接形式，搭接长度为16mm，焊接位置在搭接面的正中间焊接处位于两者搭接面的正中间。包括激光功率为700-1000w，焊接速度为0.04-0.09m/s，离焦量为(-1)-(+4)mm，保护气体为氩气，采取侧吹的方式, 气流量为20l/min；激光头沿垂直激光行进方向偏离2-10
°
。
27.本发明将通过以下实例进一步说明
28.实施例1母材为105mm
×
45mm
×
0.8mm的dc06低碳钢和105mm
×
45mm
×
0.8mm的al-mg-si系列6016铝合金，中间层为alsicu粉末和纳米mo粉制成的质量比为99％alsicu 1％mo复合粉末，将母材用砂纸打磨后用丙酮洗干净吹干，再将其采用“钢上铝下”的搭接形式固定，搭接长度16mm。激光激光工艺参数为激光功率为900w，焊接速度为0 .07m/s，离焦量为+2mm，保护气体为99 .99％的氩气，采取侧吹的方式，激光头沿垂直激光行进方向偏离5
°
。采用万能拉伸机测试其抗拉剪力为78.4n/mm。
29.实施例2母材为105mm
×
45mm
×
0.8mm的dc06低碳钢和105mm
×
45mm
×
0.8mm的al-mg-si系列6016铝合金，中间层为alsicu粉末和纳米mo粉制成的质量比为97％alsicu 3％mo复合粉末，将母材用砂纸打磨后用丙酮洗干净吹干，再将其采用“钢上铝下”的搭接形式固定，搭接长度16mm。激光激光工艺参数为激光功率为900w，焊接速度为0 .07m/s，离焦量为+2mm，保护气体为99 .99％的氩气，采取侧吹的方式，激光头沿垂直激光行进方向偏离5
°
。采用万能拉伸机测试其抗拉剪力为82.3n/mm。
30.实施例3
母材为105mm
×
45mm
×
0.8mm的dc06低碳钢和105mm
×
45mm
×
0.8mm的al-mg-si系列6016铝合金，中间层为alsicu粉末和纳米mo粉制成的质量比为95％alsicu 5％mo复合粉末，将母材用砂纸打磨后用丙酮洗干净吹干，再将其采用“钢上铝下”的搭接形式固定，搭接长度16mm。激光激光工艺参数为激光功率为900w，焊接速度为0 .07m/s，离焦量为+2mm，保护气体为99 .99％的氩气，采取侧吹的方式，激光头沿垂直激光行进方向偏离5
°
。采用万能拉伸机测试其抗拉剪力为77 .6n/mm。
31.综合以上实施例的数据来看，采用0.8mm厚的低碳钢和铝合金，以“钢上铝下”的搭接形式，加入al-12%si-2%cu粉和纯度大于99.99%的纳米mo粉，按照不同质量比均匀混合制成的复合粉末作中间层进行激光焊接。si、cu元素溶入feal2和fe2al等金属间化合物中，一定程度上阻碍了fe、al原子的扩散通道，从而抑制fe-al金属间化合物的形成，mo能改善fe-al金属间化合物的脆性，同时使界面针状imc尺寸减小，排列更加整齐，提高焊缝区的显微硬度和抗拉剪力。
32.以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，其特征在于：包括如下步，（1）制备中间层复合粉末；（2）对两块待焊接基材进行预处理；（3）将制备得到的中间层复合粉末均匀涂覆在对应的待焊接基材的搭接面；（4）采用激光焊接的方式对两块所述待焊接基材进行焊接处理。2.根据权利要求1所述的一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤（1）中复合粉末的制备方法为：按照设定的质量比在alsicu粉中添加纳米mo粉，将两种粉末用丙酮混合。3.根据权利要求2所述的一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，其特征在于：所述复合粉末中alsicu粉的质量比为85%-99.9%，纳米mo粉质量比为0.1%-15%。4.根据权利要求3所述的一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，其特征在于：所述复合粉末中alsicu粉的质量比为95%-99%，纳米mo粉质量比为1%-5%。5.根据权利要求4所述的一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，其特征在于：所述alsicu合金粉末的组成为al-12%si-2%cu，纳米mo粉纯度为大于99.99%。6.根据权利要求1所述的一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤（2）中的焊接基材分别为低碳钢和铝合金。7.根据权利要求6所述的一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤（2）中预处理采用机械清理与化学清理的方式去除铝合金表面氧化膜与杂质，焊前先用细砂纸打磨待焊部位，然后用质量分数为5%的naoh溶液浸泡2min，再用质量分数为30%的hno3溶液浸泡1min，最后用流水清洗30s，吹干待用。低碳钢板采用机械清理方式处理，先采用400#和800#砂纸打磨待焊部位，再用丙酮浸泡去除表面油污，流水冲洗，吹干待用。8.根据权利要求7所述的一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，其特征在于：所述低碳钢搭接于铝合金的上方形成搭接面，焊接处位于两者搭接面的正中间。9.根据权利要求8所述的一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，其特征在于：所述步骤（4）中激光焊接的参数包括激光功率为700-1000w，焊接速度为0.04-0.09m/s，离焦量为(-1)-(+4)mm，保护气体为氩气，采取侧吹的方式, 气流量为20l/min；激光头沿垂直激光行进方向偏离2-10
°
。

技术总结
本发明涉及异种金属激光焊接技术领域，尤其涉及一种以复合粉末为中间层填料的激光焊接方法，包括如下步，制备中间层复合粉末；对两块待焊接基材进行预处理；将制备得到的中间层复合粉末均匀涂覆在对应的待焊接基材的搭接面；采用激光焊接的方式对两块所述待焊接基材进行焊接处理。本发明添加复合粉末后焊接过程稳定，焊缝成形美观，无飞溅、裂纹等缺陷产生，焊接效率明显提高，接头的力学性能改善显著；粉末的制备工艺简单，不需要昂贵的设备及繁琐的工序。的工序。的工序。


技术研发人员：雷敏 郑庆泽 周奎 李玉龙 张华 罗兵兵
受保护的技术使用者：南昌大学
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/7/21