本發(fā)明涉及激光焊接技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種高強(qiáng)鋁合金-鋼板激光焊接方法。

背景技術(shù)：

鋁合金是工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的一類有色金屬結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、汽車、機(jī)械制造、船舶及化學(xué)工業(yè)中已大量應(yīng)用。工業(yè)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，對(duì)鋁合金焊接結(jié)構(gòu)件的需求日益增多，使鋁合金的焊接性研究也隨之深入。目前鋁合金是應(yīng)用最多的合金。純鋁的密度?。é?2.7g/cm3），大約是鐵的1/3，熔點(diǎn)低（660℃），鋁是面心立方結(jié)構(gòu)，故具有很高的塑性（δ:32~40%，ψ:70~90%），易于加工，可制成各種型材、板材，抗腐蝕性能好。但是純鋁的強(qiáng)度很低，退火狀態(tài)σb值約為8kgf/mm2，故不宜作結(jié)構(gòu)材料。通過(guò)長(zhǎng)期的生產(chǎn)實(shí)踐和科學(xué)實(shí)驗(yàn)，人們逐漸以加入合金元素及運(yùn)用熱處理等方法來(lái)強(qiáng)化鋁，這就得到了一系列的鋁合金。添加一定元素形成的合金在保持純鋁質(zhì)輕等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)還能具有較高的強(qiáng)度，σb值分別可達(dá)24～60kgf/mm2。這樣使得其“比強(qiáng)度”（強(qiáng)度與比重的比值σb/ρ）勝過(guò)很多合金鋼，成為理想的結(jié)構(gòu)材料，廣泛用于機(jī)械制造、運(yùn)輸機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械及航空工業(yè)等方面，飛機(jī)的機(jī)身、蒙皮、壓氣機(jī)等常以鋁合金制造，以減輕自重。采用鋁合金代替鋼板材料的焊接，結(jié)構(gòu)重量可減輕50%以上。

在空氣中或化學(xué)腐蝕介質(zhì)中能夠抵抗腐蝕的一種高合金鋼，具有美觀的表面和耐腐蝕性能好，不必經(jīng)過(guò)鍍色等表面處理，而發(fā)揮所固有的表面性能，使用于多方面的鋼鐵的一種，通常稱為不銹鋼。代表性能的有13鉻鋼，18-鉻鎳鋼等高合金鋼。從金相學(xué)角度分析，因?yàn)椴讳P鋼含有鉻而使表面形成很薄的鉻膜，這個(gè)膜隔離開(kāi)與鋼內(nèi)侵入的氧氣起耐腐蝕的作用。近年來(lái)，應(yīng)用不銹鋼作為建筑材料正日益廣泛。使用越來(lái)越廣泛有著多方面的原因，其中包括對(duì)材料更好的了解、企圖更新某些設(shè)計(jì)，設(shè)想生產(chǎn)出一種既耐久又無(wú)需維護(hù)的結(jié)構(gòu)材料等。早期，不銹鋼用于建筑方面只局限在某些場(chǎng)合，即在過(guò)去認(rèn)為沒(méi)有適當(dāng)材料的場(chǎng)合建筑師們正在尋求一種有特殊作用的新材料。實(shí)際上許多這樣的場(chǎng)合，不銹鋼已長(zhǎng)期被使用而其效果已經(jīng)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期不斷地對(duì)不銹鋼的沖刷作用，使生產(chǎn)廠家相信不銹鋼材料用于室外場(chǎng)合甚至在高腐蝕性氣體的條件下也不腐蝕。

但是鋁合金熔點(diǎn)約為660℃以上，而不銹鋼的熔點(diǎn)一般為1000多攝氏度，最高可達(dá)2000多攝氏度，相差懸殊；且二者的熱導(dǎo)率、線脹系數(shù)等熱物理性能的差異較大，焊接過(guò)程中對(duì)焊接熱輸入較為敏感，容易出現(xiàn)未融合、咬邊、焊接熱裂紋、焊縫力學(xué)性能較低等問(wèn)題，焊接難度較大。

激光焊接具有能量密度高、焊接速度快、焊接熱輸入小、適應(yīng)性強(qiáng)、易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜多樣的需求，特別適用于對(duì)焊接熱輸入要求較為嚴(yán)格的材料焊接。但目前對(duì)鉭鎢合金與鋼異種金屬激光焊接的研究較少，缺乏一種控制鉭鎢合金與鋼異種金屬激光焊縫力學(xué)性能及焊接熱裂紋、氧化等缺陷的激光焊接工藝方法。現(xiàn)我國(guó)車輛用鋁合金主要以鋁-鋅-鎂系的7a52、7a05和7a09等高強(qiáng)鋁合金為主，它們具有高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度。但由于鋁合金具有高的熱膨脹系數(shù)和導(dǎo)熱率等因素，導(dǎo)致常規(guī)單一的tig焊、mig焊接方法獲得的焊接結(jié)構(gòu)變形較大、焊接效率較低等問(wèn)題。鋁合金由于具有高的激光反射率，從而影響激光的吸收率和加重設(shè)備的負(fù)擔(dān)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提出一種高強(qiáng)鋁合金-鋼板激光焊接方法，有效的降低鋁合金與鋼異種金屬焊縫熱裂紋敏感性，獲得良好的焊縫內(nèi)部質(zhì)量及外觀質(zhì)量，無(wú)裂紋，同時(shí)可以有效的降低成本。

為解決上述問(wèn)題，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種高強(qiáng)鋁合金-鋼板激光焊接方法，包括以下步驟：

（1）將待焊接鋁合金板與鋼板水平對(duì)接放置，組成待焊件；

（2）將待焊件在兩端夾緊固定，使鋁合金板與鋼板對(duì)接面的間隙小于0.1mm；

（3）分別在鋁合金板和鋼板的待焊部位涂覆表面活性劑；

（4）利用兩束激光束的光斑從鋁合金/鋼對(duì)接兩邊向中心進(jìn)行焊接。

為了提高焊接后工件的質(zhì)量，即提高焊接面的表面平整度、減少氣泡的生成，優(yōu)選的，焊接前，將待焊工件表面進(jìn)行打磨或清洗，將打磨或清洗后的待焊工件固定在焊接工裝夾具上，所述清洗的步驟為分別在乙醇和丙酮溶液中超聲清洗2~3次后真空干燥。

為了提高鋁及鋁合金激光焊的能量利用率，可以利用在材料表面涂敷活性劑的方法提高鋁及鋁合金激光焊的焊接效果?；钚詣┦侵冈诤附舆^(guò)程中有助于增加焊接熔深，改善焊接效果的物質(zhì)。優(yōu)選的，所述表面活性劑包括以下物質(zhì):金屬鹵化物、二氧化硅和有機(jī)溶劑。

更優(yōu)選的，所述表面活性劑包括以下物質(zhì)：金屬氟化物、金屬氯化物、二氧化硅、有機(jī)溶劑，其中所述金屬氟化物為氟化鉀、氟化鈉、氟化鎂或者氟化鈣中的至少一種。所述金屬氯化物為氯化鋰、氯化鈉、氯化鉀、氯化鋅、氯化鎂、氯化鋁、氯化鈣或者氯化錫中的至少一種。所述有機(jī)溶劑為丙酮、n,n-二甲基甲酰胺、n-甲基吡咯烷酮、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基乙酰胺、二氯甲烷、磷酸三乙酯、丙酮、三氯甲烷、甲苯、乙醇、醋酸、乙酸乙酯、甲酸、氯仿、四氫呋喃和二甲基亞砜中的至少一種。

優(yōu)選的，在步驟（4）中，所述保護(hù)氣為惰性氣體，例如可以為he氣、ar氣等中的至少一種，保護(hù)氣效果最佳的是采用he氣，這是因?yàn)槠淇梢蕴岣弑Ｗo(hù)氣的傳熱系數(shù)，使得激光和電弧的熱量能夠更多的傳遞給焊縫，使得熱輸入增加，降低了冷卻速度，也可以在一定程度上降低氣孔率。如條件不允許的情況下，用ar氣也可以。

保護(hù)氣的流量和壓強(qiáng)也是影響焊接件質(zhì)量的重要因素，優(yōu)選的，所述保護(hù)氣的壓強(qiáng)為0.1~0.5mpa。優(yōu)選的，所述保護(hù)氣的流量為20l/min～40l/min。

本發(fā)明中對(duì)鋁合金的種類沒(méi)有特殊的要求，可以根據(jù)實(shí)際情況的需要選擇，例如所述鋁合金為一系鋁合金、二系鋁合金、三系鋁合金、四系鋁合金、五系鋁合金、六系鋁合金、七系鋁合金、八系鋁合金中的一種。

本發(fā)明中對(duì)不銹鋼的種類沒(méi)有特殊的要求，可以根據(jù)實(shí)際情況的需要選擇，例如所述不銹鋼為奧氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼、或馬氏體不銹鋼中的一種。

激光焊接中存在一個(gè)激光能量密度閾值，低于此值，熔深很淺，一旦達(dá)到或超過(guò)此值，熔深會(huì)大幅度提高。只有當(dāng)工件上的激光功率密度超過(guò)閾值（與材料有關(guān)），等離子體才會(huì)產(chǎn)生，這標(biāo)志著穩(wěn)定深熔焊的進(jìn)行。如果激光功率低于此閾值，工件僅發(fā)生表面熔化，也即焊接以穩(wěn)定熱傳導(dǎo)型進(jìn)行。而當(dāng)激光功率密度處于小孔形成的臨界條件附近時(shí)，深熔焊和傳導(dǎo)焊交替進(jìn)行，成為不穩(wěn)定焊接過(guò)程，導(dǎo)致熔深波動(dòng)很大。激光深熔焊時(shí)，激光功率同時(shí)控制熔透深度和焊接速度。焊接的熔深直接與光束功率密度有關(guān)，且是入射光束功率和光束焦斑的函數(shù)。優(yōu)選的，所述激光的功率為2.4kw～3.0kw；和/或

激光的功率取決于激光控制電流，優(yōu)選的，所述激光控制電流為40~100a。

此外，影響焊接質(zhì)量的因素還有焊接速度和離焦距，如果焊接速度過(guò)慢，使高溫停留時(shí)間增長(zhǎng)，熱影響區(qū)寬度增加，焊接接頭的晶粒變粗，機(jī)械性能降低，同時(shí)使變形量增大，優(yōu)選的，在步驟（4）中，所述焊接速度v＝3.3m/min～6.0m/min；

離焦量是激光焦點(diǎn)離作用物質(zhì)間的距離。在焊接過(guò)程中，離焦量對(duì)焊接質(zhì)量的影響很大。激光焊接通常需要一定的離焦量，因?yàn)榧す饨裹c(diǎn)處光斑中心的功率密度過(guò)高，容易蒸發(fā)成孔。離開(kāi)激光焦點(diǎn)的各平面上，功率密度分布相對(duì)均勻，在激光熱處理過(guò)程中，離焦量對(duì)熱處理效果產(chǎn)生直接的的影響。當(dāng)離焦量過(guò)大，作用在工件上的功率密度過(guò)低達(dá)不到處理工件的目的；當(dāng)離焦量過(guò)小，作用在工件上的功率密度過(guò)高，容易熔化激光照射點(diǎn)，破壞工件表面，優(yōu)選的，所述離焦量δf＝+3mm。

優(yōu)選的，所述鋁合金板與鋼板的厚度各自獨(dú)立的為1mm~3mm。

本發(fā)明提供的高強(qiáng)鋁合金-鋼板激光焊接方法的方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，其突出的特點(diǎn)和優(yōu)異的效果在于：

本發(fā)明是將待焊接鋁合金板與鋼板水平對(duì)接放置，組成待焊件，并且兩端夾緊固定采用雙束焊接工藝進(jìn)行焊接，將鋁合金和鋼板的待焊部位涂覆上活性劑如氟化鎂活性劑（將氟化鎂溶于有機(jī)溶劑形成的活性劑），然后利用兩束激光束的光斑從鋁合金/鋼對(duì)接兩邊向中心進(jìn)行焊接。該方法可有效的降低鋁合金與鋼異種金屬焊縫熱裂紋敏感性，獲得良好的焊縫內(nèi)部質(zhì)量及外觀質(zhì)量，無(wú)裂紋，同時(shí)可以有效的降低成本。

具體實(shí)施方式

以下通過(guò)具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但不應(yīng)將此理解為本發(fā)明的范圍僅限于以下的實(shí)例。在不脫離本發(fā)明上述方法思想的情況下,根據(jù)本領(lǐng)域普通技術(shù)知識(shí)和慣用手段做出的各種替換或變更,均應(yīng)包含在本發(fā)明的范圍內(nèi)。

實(shí)施例1

一種高強(qiáng)鋁合金-鋼板激光焊接方法，包括以下步驟：

分別選取厚度為2mm的五系鋁合金和厚度為2mm的馬氏體不銹鋼；

打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區(qū)域，去除表面氧化層及污染物打磨范圍為焊縫周邊40-60mm范圍內(nèi)的區(qū)域，打磨深度不超過(guò)0.2mm，且打磨紋路平行于焊縫方向；

將打磨后的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然后放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時(shí)間為15分鐘，超聲功率為400w；

將處理后的多塊板材按順序組對(duì)正裝在焊接夾具上，調(diào)整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；

分別在鋁合金板和鋼板的待焊部位涂覆表面活性劑，所述表面活性劑制備方法如下：按質(zhì)量配比2:1:1:3取氟化鎂，氯化鋁，氯化錫，二氧化硅混合成混合物，按體積比2:1取混合物和二甲基亞砜并攪拌呈糊狀備用；

利用兩束激光束的光斑從鋁合金/鋼對(duì)接兩邊向中心進(jìn)行焊接，焊接電流80a，功率為2.6kw；焊接速度4.5m/min，離焦量δf＝+3mm；焊接時(shí)以純度高于99.99％的氬氣作為保護(hù)氣體，氣流量為27l/min，壓強(qiáng)為0.4mpa；

清洗打磨焊縫得到產(chǎn)品。

實(shí)施例2

一種高強(qiáng)鋁合金-鋼板激光焊接方法，包括以下步驟：

分別選取厚度為1mm的四系鋁合金和厚度為3mm的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼；

打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區(qū)域，去除表面氧化層及污染物打磨范圍為焊縫周邊40-60mm范圍內(nèi)的區(qū)域，打磨深度不超過(guò)0.2mm，且打磨紋路平行于焊縫方向；

將打磨后的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然后放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時(shí)間為15分鐘，超聲功率為400w；

將處理后的多塊板材按順序組對(duì)正裝在焊接夾具上，調(diào)整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；

分別在鋁合金板和鋼板的待焊部位涂覆表面活性劑，所述表面活性劑制備方法如下：按質(zhì)量配比1:1:1:2取氟化鈣，氯化鎂，氯化錫，二氧化硅混合成混合物，按體積比2:1取混合物和三氯甲烷并攪拌呈糊狀備用；

利用兩束激光束的光斑從鋁合金/鋼對(duì)接兩邊向中心進(jìn)行焊接，焊接電流50a，功率為2.8kw；焊接速度4.6m/min，離焦量δf＝+3mm；焊接時(shí)以純度高于99.99％的氦氣作為保護(hù)氣體，氣流量為30l/min，壓強(qiáng)為0.3mpa；

清洗打磨焊縫得到產(chǎn)品。

實(shí)施例3

一種高強(qiáng)鋁合金-鋼板激光焊接方法，包括以下步驟：

分別選取厚度為1mm的二系鋁合金和厚度為2mm的鐵素體不銹鋼；

打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區(qū)域，去除表面氧化層及污染物打磨范圍為焊縫周邊40-60mm范圍內(nèi)的區(qū)域，打磨深度不超過(guò)0.2mm，且打磨紋路平行于焊縫方向；

將打磨后的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然后放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時(shí)間為15分鐘，超聲功率為400w；

將處理后的多塊板材按順序組對(duì)正裝在焊接夾具上，調(diào)整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；

分別在鋁合金板和鋼板的待焊部位涂覆表面活性劑，所述表面活性劑制備方法如下：按質(zhì)量配比2:3:2:1取氟化鈉，氯化鈣，氯化錫，二氧化硅混合成混合物，按體積比2:1取混合物和氯仿并攪拌呈糊狀備用；

利用兩束激光束的光斑從鋁合金/鋼對(duì)接兩邊向中心進(jìn)行焊接，焊接電流70a，功率為3.2kw；焊接速度4.7m/min，離焦量δf＝+3mm；焊接時(shí)以純度高于99.99％的氬氣作為保護(hù)氣體，氣流量為37l/min，壓強(qiáng)為0.2mpa；

清洗打磨焊縫得到產(chǎn)品。

實(shí)施例4

一種高強(qiáng)鋁合金-鋼板激光焊接方法，包括以下步驟：

分別選取厚度為3mm的六系鋁合金和厚度為2mm的奧氏體不銹鋼；

打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區(qū)域，去除表面氧化層及污染物打磨范圍為焊縫周邊40-60mm范圍內(nèi)的區(qū)域，打磨深度不超過(guò)0.2mm，且打磨紋路平行于焊縫方向；

將打磨后的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然后放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時(shí)間為15分鐘，超聲功率為400w；

將處理后的多塊板材按順序組對(duì)正裝在焊接夾具上，調(diào)整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；

分別在鋁合金板和鋼板的待焊部位涂覆表面活性劑，所述表面活性劑制備方法如下：按質(zhì)量配比2:3:1:2取氟化鎂，氯化鋅，氯化鋰，二氧化硅混合成混合物，按體積比2:1取混合物和n,n-二甲基乙酰胺并攪拌呈糊狀備用；

利用兩束激光束的光斑從鋁合金/鋼對(duì)接兩邊向中心進(jìn)行焊接，焊接電流90a，功率為2.5kw；焊接速度4.8m/min，離焦量δf＝+3mm；焊接時(shí)以純度高于99.99％的氦氣作為保護(hù)氣體，氣流量為29l/min，壓強(qiáng)為0.1mpa；

清洗打磨焊縫得到產(chǎn)品。

實(shí)施例5

一種高強(qiáng)鋁合金-鋼板激光焊接方法，包括以下步驟：

分別選取厚度為1mm的三系鋁合金和厚度為3mm的馬氏體不銹鋼；

打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區(qū)域，去除表面氧化層及污染物打磨范圍為焊縫周邊40-60mm范圍內(nèi)的區(qū)域，打磨深度不超過(guò)0.2mm，且打磨紋路平行于焊縫方向；

將打磨后的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然后放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時(shí)間為15分鐘，超聲功率為400w；

將處理后的多塊板材按順序組對(duì)正裝在焊接夾具上，調(diào)整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；

分別在鋁合金板和鋼板的待焊部位涂覆表面活性劑，所述表面活性劑制備方法如下：按質(zhì)量配比1:3:2:3取氟化鉀，氯化鋁，氯化鈉，二氧化硅混合成混合物，按體積比2:1取混合物和乙酸乙酯并攪拌呈糊狀備用；

利用兩束激光束的光斑從鋁合金/鋼對(duì)接兩邊向中心進(jìn)行焊接，焊接電流55a，功率為2.4kw；焊接速度5.5m/min，離焦量δf＝+3mm；焊接時(shí)以純度高于99.99％的氦氣作為保護(hù)氣體，氣流量為28l/min，壓強(qiáng)為0.5mpa；

清洗打磨焊縫得到產(chǎn)品。

對(duì)比例1

一種高強(qiáng)鋁合金-鋼板激光焊接方法，包括以下步驟：

分別選取厚度為2mm的五系鋁合金和厚度為2mm的馬氏體不銹鋼；

打磨所選鋁合金板與鋼板的周邊區(qū)域，去除表面氧化層及污染物打磨范圍為焊縫周邊40-60mm范圍內(nèi)的區(qū)域，打磨深度不超過(guò)0.2mm，且打磨紋路平行于焊縫方向；

將打磨后的鋁合金板與鋼板放入乙醇中超聲15分鐘，超聲功率為300w，然后放入丙酮中超聲清洗2次，超聲時(shí)間為15分鐘，超聲功率為400w；

將處理后的多塊板材按順序組對(duì)正裝在焊接夾具上，調(diào)整板材位置，使各板材之間的焊接縫隙為0.1mm；

利用兩束激光束的光斑從鋁合金/鋼對(duì)接兩邊向中心進(jìn)行焊接，焊接電流80a，焊接速度4.5m/min，離焦量δf＝+3mm；焊接時(shí)以純度高于99.99％的氬氣作為保護(hù)氣體，氣流量為27l/min，壓強(qiáng)為0.4mpa；

清洗打磨焊縫得到產(chǎn)品。

實(shí)施例1～5所得產(chǎn)品焊縫質(zhì)量及尺寸要求完全滿足使用要求，產(chǎn)品合格率大幅提高，同時(shí)焊接工時(shí)得到降低，生產(chǎn)效率較還能提升一倍。通過(guò)實(shí)施例1和對(duì)比例1的結(jié)果可以得出，在相同焊接工藝條件下，在有限的焊接時(shí)間內(nèi)，有活性劑的焊透了，沒(méi)涂活性劑的沒(méi)焊透。