基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法
阅读说明：本技术 基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法 (Aluminum/steel dissimilar metal double-beam laser welding method based on high-entropy alloy intermediate layer ) 是由 谷晓鹏 周贺 徐国成 董娟 于 2021-08-05 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法,属于材料焊接技术领域。以Fe/Al基高熵合金金属片为中间层材料,精确调节两并排激光束的功率比,使主光束光斑位于钢板侧,辅助光束光斑位于铝合金板侧。通过控制温度场分布,当高功率激光束的温度达到Fe/Al基高熵合金金属片与钢板的液相线温度以上,在钢板侧,形成熔化焊缝。在铝合金板侧,由于铝熔点较低形成钎焊焊缝。两束激光束的光斑之间预留一段距离,焊接结束后,高熵合金层中间未被激光辐射部分仍为固体状态,避免了Fe,Al元素的相互扩散,减少Fe-Al金属间化合物的生成,从而改善焊件的抗拉强度。(The invention relates to a high-entropy alloy interlayer aluminum/steel dissimilar metal based double-beam laser welding method, and belongs to the technical field of material welding. The Fe/Al-based high-entropy alloy metal sheet is used as an intermediate layer material, and the power ratio of two parallel laser beams is accurately adjusted, so that a main beam spot is positioned on the side of a steel plate, and an auxiliary beam spot is positioned on the side of an aluminum alloy plate. By controlling the temperature field distribution, when the temperature of the high-power laser beam reaches above the liquidus temperature of the Fe/Al-based high-entropy alloy metal sheet and the steel plate, a fusion welding seam is formed on the side of the steel plate. On the aluminum alloy plate side, a brazing weld is formed due to the lower melting point of aluminum. A distance is reserved between light spots of the two laser beams, and after welding is finished, the part, which is not irradiated by the laser, in the middle of the high-entropy alloy layer is still in a solid state, so that mutual diffusion of Fe and Al elements is avoided, and generation of Fe-Al intermetallic compounds is reduced, thereby improving tensile strength of a welded part.)
技术领域
本发明涉及异种材料焊接技术领域，特别涉及一种铝合金板/钢板异种金属激光焊接方法，尤指一种基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法。应用于汽车、轨道车辆制造等领域。
背景技术
铝钢复合结构既兼具了铝合金低密度、良好的耐腐蚀性以及塑性加工性能，又兼具钢强度高、耐冲击性好等优点。异种合金的焊接结构，对于车辆轻量化、降低能源消耗与减少环境污染起到重要的意义。但由于铝合金与钢，这两种合金熔点、线膨胀系数、比热容、热导率、密度等物理性质以及化学性质相差较大，二者在焊接过程中会在焊缝中形成大量的脆性Fe-Al金属间化合物，如何避免过量金属间化合物的生成，是保证接头达到实际应用力学性能要求的关键。
轻量化要求铝、镁等轻质材料广泛应用于汽车车身中。但由于传统电阻点焊使用的铜电极，易与铝镁生成金属键化合物，降低电极的使用寿命。在轻质材料连接方面，电阻点焊应用受限。激光焊接由于焊接速度快、焊接效率高、焊接缺陷少，目前激光焊接技术已成为汽车制造中主要的焊接方法之一。但单光束激光在焊接过程中，能量集中、热影响区小、温度梯度较大。
随着科技的进步，新材料的不断涌现，高熵合金由五种或五种以上元素等原子比或近等原子比组成，高熵合金具有良好的塑形和韧性，一些性能远超于传统合金。具有多主元的高熵合金具有较高的高熵效应，因此原子间不易发生扩散，不易形成金属间化合物。高熵合金具有优异的力学性能，在未来具有十分广泛的应用前景。但是，到目前为止，高熵合金在激光焊接异种材料方面研究还很少。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法，解决了现有技术存在的上述问题。本发明以高熵合金金属片为中间层，调节中间层的宽度以及焊接工艺参数，焊缝中高熵合金的高熵效应抑制了Fe-Al金属间化合物的生成，降低了接头的脆性，改善接头的力学性能。从而实现了铝合金与钢的有效焊接。
本发明以Fe/Al基高熵合金金属片为中间层，被焊工件可以是同种材料，钢、铝基合金、镍基合金、钛合金，也可以是异种材料，钢与铝合金、钛合金与铝合金、钢与镍基合金、钢与铜合金、镍合金与铝合金。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法，采用高熵合金金属片作为铝合金板2和钢板1异种金属焊接的中间层，在高熵合金金属片3与铝合金板2、钢板1界面上分别采用双光束激光焊，形成钢板1侧熔化焊缝和铝合金板2侧钎焊焊缝相结合的复合焊接接头；
所述高熵合金金属片为Al/Fe基高熵合金金属片，其宽度范围为0.3mm~2mm；焊接过程中，利用其高熵效应和缓慢扩散效应：高熵效应抑制焊缝中形成金属间化合物；缓慢扩散效应阻止母材中的元素向焊缝中大量扩散，进一步抑制金属间化合物的生成；
所述双光束激光焊，即采用两束激光光斑在钢板1与高熵合金金属片3界面处和高熵合金金属片3与铝合金板2界面处对焊缝进行选区加热；两束激光束的光斑分别采用高功率/低功率激光器：高功率激光器发射的激光束作为主光束6，其主光束光斑4置于钢板1与高熵合金金属片3界面处；低功率激光器发射的激光束作为辅助光束7，其辅助光束光斑5置于高熵合金金属片3与铝合金板2界面处，并偏向铝合金板2侧；调节主光束6与辅助光束7的功率比为5:1~1:1，主光束6与辅助光束7的光斑半径比R1/R2为3:1~1:1，使主光束6的热输入高于辅助光束7的热输入；焊接过程中，调节主光束6的热输入，同时达到高熵合金金属片3与钢板1的液相线温度以上，在主光束6辐射范围内，高熵合金金属片3与钢板1均发生熔化，形成熔化焊缝；调节激光束的辅助光束7的功率，使辅助光束7的热输入达到铝合金板2的液相线温度以上，但并未达到高熵合金金属片3的液相线温度；在辅助光束7辐射范围内，使铝合金板2发生熔化，高熵合金金属片3仍为固体状态，熔融状态的铝液对高熵合金金属片进行润湿铺展而形成钎焊焊缝。
所述的双光束激光焊，可以为双光束同时激光焊或双光束分时激光焊；所述双光束同时激光焊，即主光束6和辅助光束7同时在钢板1与高熵合金金属片3界面及高熵合金金属片3与铝合金板2界面处进行焊接，此时主光束6和辅助光束7的两光斑之间需要预留一段距离d1，调节两圆形光斑之间的距离d1为0mm~0.8mm，使高熵合金金属片3中间未被激光辐射的部分仍为固体状态，避免Fe，Al原子间的相互扩散而形成脆性Fe-Al金属间化合物；采用中间层的高熵合金金属片3的宽度范围为1mm~2mm；所述双光束分时激光焊，即先采用辅助光束7在高熵合金金属片3与铝合金板2界面处进行焊接，主光束6随后在钢板1与高熵合金金属片3界面处进行焊接，此时主光束6和辅助光束7的光斑之间不需要有预留距离d1，采用中间层高熵合金金属片的宽度范围为0.3mm~1mm。
所述的铝合金板2与钢板1可以等厚或不等厚；当铝合金板2与钢板1等厚时，中间层为Fe/Al基高熵合金金属片，其厚度与母材（铝合金板2与钢板1）等厚，宽度d2为1mm~2mm；当铝合金板2与钢板1不等厚时，中间层Fe/Al基高熵合金金属片与钢板1等厚，宽度d2为0.3mm~1mm。
所述的高功率激光器与低功率激光器均采用连续型光纤激光器；其中高功率激光器辐射的光束为主光束6，主光束6功率范围为800W~2000W，主光束光斑半径R1为0.5mm~1.5mm，低功率激光器辐射的光束为辅助光束7，辅助光束7功率范围为400W~1000W，辅助光束光斑半径R2为0mm~1.0mm。
所述的辅助光束7在铝合金板2侧的偏移距离为辅助光束光斑半径R2的0%~50%，其偏移量为0mm~0.5mm，确保在铝合金板2侧形成钎焊焊缝。
本发明的基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法，按以下工艺步骤进行：
步骤一、铝合金板2与钢板1之间采用I形坡口对接形式，用压板将铝合金板2与钢板1分别固定在夹具上，Fe/Al基高熵合金片置于母材中间，调节夹具平台上的固定螺旋，所施加的预紧力为10N~20N，确保铝合金板2-高熵合金金属片(3)-钢板1之间各界面接触良好；
步骤二、调节两激光器的功率比，设置两光斑的位置：主光束光斑4半径为R1，将主光束光斑4置于钢板1与高熵合金金属片3的界面处；辅助光束光斑5半径为R2，将辅助光束光斑5置于铝合金板2与高熵合金金属片3的界面处，并偏向铝合金板2侧；同时调节主光束6与辅助光束7的功率比为5:1~1:1；调节两光斑半径R1、R2，使得R1/R2为3:1~1:1，并将两光斑之间预留一段距离d1；
步骤三、设置焊接工艺参数：激光焊接速度为2mm/min~10mm/min；离焦量为-5mm~+5mm；焊接保护气为99.99%的高纯氩气，施加在焊缝的上下表面，上表面保护气体的气流量范围为5L/min~15L/min，下表面保护气体的气流量范围为5L/min~20L/min；且焊接过程中下表面的气流量大于上表面的气流量；
步骤四、完成焊接。
本发明的有益效果在于：
1、采用双光束激光焊接，在钢板侧，形成熔化焊缝，在铝合金板侧，形成钎焊焊缝。控制主光束与辅助光束光斑间存在一段距离，焊接后仍处于固态的高熵合金阻止了Fe，Al元素间相互扩散，抑制焊缝中金属间化合物的生成。
2、以Fe/Al基高熵合金金属片为中间层，防止母材中的元素向焊缝中大量扩散，抑制了Fe-Al金属间化合物的生成。在焊接过程中由于母材中部分元素扩散到焊缝中，使焊缝中元素发生高熵化，进一步抑制金属间化合物的生成。由于焊缝中高熵合金高熵效应以及缓慢扩散效应，有助于提高焊件的力学性能。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的利用并排双光束激光进行焊接的过程示意图；
图2为双光束同时激光焊时，具体施焊三维立体图；
图3为辅助光束偏移量为0.25mm时，双光束同时激光焊，铝合金板/钢板施焊俯视图；
图4为本发明的辅助光束偏移量为0.25mm时，双光束分时激光焊时，铝合金板/钢板施焊俯视图。
图中：1、钢板；2、铝合金板；3、高熵合金金属片；4、主光束光斑；5、辅助光束光斑；6、主光束；7、辅助光束。
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的详细内容及其具体实施方式。
参见图1至图4所示，本发明的基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法，以Fe/Al基高熵合金金属片为中间层材料，精确调节两并排激光束的功率比，使圆形主光束光斑位于钢板侧，圆形辅助光束光斑位于铝合金板侧。通过控制温度场分布，当高功率激光束的温度达到Fe/Al基高熵合金金属片与钢板的液相线温度以上，在钢板侧，形成熔化焊缝。在铝合金板侧，由于铝熔点较低形成钎焊焊缝。两光斑之间预留一段距离，焊接结束后，高熵合金层中间未被激光辐射部分仍为固体状态，避免了Fe，Al元素的相互扩散，减少Fe-Al金属间化合物的生成，从而改善焊件的抗拉强度。具体工艺步骤如下：
1)、焊接前，将等厚的铝合金板与钢板分别用500目、800目、1000目、1500目、2000目的砂纸进行打磨，去掉金属板表面的氧化膜，再用丙酮清洗除去金属板表面的油污，再进行烘干处理；
2)、铝合金板与钢板之间采用I形坡口对接形式，将两种金属板分别置于夹具上个，两者中间放置高熵合金金属片。焊接前需施加一定的预紧力以保证铝合金板-高熵合金片-钢板之间的界面接触良好；
3)、调节两激光器的功率比，设置两光斑的位置：高功率激光器与低功率激光器均采用连续型光纤激光器。将高功率和低功率激光器同时作为热源，将高功率激光器发射的激光作为主光束，半径为R1，其主光束光斑置于钢板与高熵合金金属片的界面处，在主光束辐射范围内，高熵合金片与钢板均发生熔化，形成熔化焊缝。将低功率激光器发射的激光作为辅助光束，半径为R2，其辅助光束光斑置于铝合金板与高熵合金金属片的界面处，并偏向铝合金板侧。在辅助光束辐射范围内，使铝合金板发生熔化，高熵合金金属片仍为固体状态，熔融状态的铝液对高熵合金金属片进行润湿铺展而形成钎焊焊缝。调节两光斑半径R1、R2 ，并将两光斑之间预留一段距离d1；
4)、设置焊接工艺参数，完成焊接。
进一步，铝合金板与钢板母材厚度为1mm~4mm，当钢板与铝合金板等厚时，中间层Fe/Al基高熵合金金属片，其厚度与母材等厚，宽度d2为1mm~2mm。采用双光束同时激光焊，将两光斑分别置于钢板/高熵合金金属片界面处和高熵合金金属片/铝合金板界面处同时对焊缝进行加热。当钢板与铝合金板不等厚时，中间层Fe/Al基高熵合金金属片，其厚度与钢板等厚，宽度d2为0.3mm~1mm。采用双光束分时激光焊，先将辅助光束光斑置于高熵合金金属片/铝合金板界面处，完成焊接后，再将主光束光斑置于钢板/高熵合金金属片界面处。
进一步，焊接前用压板将铝合金板与钢板分别固定在夹具上，高熵合金金属片置于母材中间，调节夹具平台上的固定螺旋，所施加的预紧力为10N~20N，确保各界面接触良好。
进一步，高功率激光器与低功率激光器均采用连续型光纤激光器。其中主光束功率为800W~2000W,半径R1为0.5mm~1.5mm，辅助光束功率为400W~1000W,半径R2为0.5mm~1.0mm。
进一步，调节辅助光束的偏移量，偏向铝合金板侧，增加辅助激光束的热输入，调节激光束偏移距离为辅助光束光斑半径R2的0%~50%，其偏移量为0mm~0.5mm，确保在铝合金板侧，形成钎焊焊缝。
进一步，调节主光束与辅助光束的功率比为5:1~1:1，调节激光焊接速度为2mm/min~10mm/min，主光束光斑与辅助光束光斑半径比R1/R2为3:1~1:1。精确控制激光的热输入，使激光束热输入同时达到高熵合金金属片与钢板的液相线温度以上，在主光束辐射范围内，高熵合金金属片与钢板均发生熔化，形成熔化焊缝。调节激光束的辅助光束的功率，使辅助光束的热输入达到铝合金板的液相线温度以上，但并未达到高熵合金金属片的液相线温度。在辅助光束辐射范围内，使铝合金板发生熔化，高熵合金金属片仍为固体状态，熔融状态的铝液对高熵合金金属片进行润湿铺展而形成钎焊焊缝。焊接结束后，在铝合金板侧，由于铝原子扩散到焊缝里，增加高熵合金的高熵效应和晶格畸变效应，进而影响焊缝的抗拉强度。在钢板侧，形成熔化焊缝。
进一步，调节激光束的离焦量为-5mm~+5mm，避免出现接头未焊透或烧穿的现象。
进一步，调节两圆形光斑之间的距离d1为0mm~0.8mm，保证高熵合金金属片中间部分未被激光辐射，使高熵合金金属片中间仍为固体状态，避免Fe，Al原子间的相互扩散而形成脆性Fe-Al金属间化合物。
进一步，接时使用气体为高纯氩气，在焊缝的上下表面均通纯度为99.99%的氩气进行保护。调节上表面保护气体的气流量为5L/min~15L/min，调节下表面保护气体的气流量为5L/min~20L/min。上表面气流量不易过大，以免影响激光束的热输入。下表面的气流量可稍大一些，确保气体可以顺利由夹具下表面的气孔溢出即可。
实施例：
一种基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法，具体步骤如下：
（1）尺寸为50×70×2毫米的6082-T6铝合金板与尺寸为50×70×2毫米的301L不锈钢板进行激光焊接。焊接前，将等厚的铝合金板与钢板分别用500目、800目、1000目、1500目、2000目的砂纸进行打磨，去掉金属板表面的氧化膜，再用丙酮清洗除去金属板表面的油污，再用真空干燥箱进行烘干处理。
（2）铝合金板和不锈钢板之间采用I形坡口对接形式，焊接前使用压板将两种金属板固定在夹具的平台上，在两者中间放置高熵合金金属片，宽d2为1mm时，采用双光束同时激光焊或宽d2为0.3mm采用双光束分时激光焊。调节固定螺旋，焊接前需施加一定的预紧力10N~20N，以保证铝合金板-高熵合金金属片-钢板之间的界面接触良好。
（3）调节两激光器的功率比，设置两光斑的位置：高功率激光器与低功率激光器均采用连续型光纤激光器。将高功率和低功率激光器同时作为热源，其中主光束功率为800W~2000W，半径R1为0.5mm~1.5mm，优选地，主光束功率设置为1500W，半径R1为1.0mm。主光束光斑置于钢板与高熵合金金属片的界面处，精确控制激光的热输入，使激光主光束的热输入，达到高熵合金金属片与钢板的液相线温度以上。在主光束辐射范围内，高熵合金金属片与钢板均发生熔化，形成熔化焊缝。将低功率激光器发射的激光作为辅助光束，辅助光束功率为400W~1000W，半径R2为0.5mm~1.0mm。优选地，辅助光束功率设置为1000W，半径R2为0.5mm。辅助光束光斑置于铝合金板与高熵合金金属片的界面处，并偏向铝合金板侧。调节激光束偏移距离为辅助光束光斑半径R2的50%，其偏移量为0.25mm。精确控制激光的热输入，使激光辅助光束的热输入达到铝合金板的液相线温度以上，但并未达到高熵合金金属片的液相线温度。在辅助光束辐射范围内，使铝合金板发生熔化，高熵合金金属片仍为固体状态，熔融状态的铝液对高熵合金金属片进行润湿铺展而形成钎焊焊缝。主光束与辅助光束的功率比为3：2。同时调节两光斑半径比R1/R2为2：1，当高熵合金金属片的宽度d2为1mm，采用双光束同时激光焊，将两光斑之间预留一段距离d1，d1为0.25mm。当高熵合金金属片的宽度d2为0.3mm时，采用双光束分时激光焊，两光斑之间可以不用预留一段距离d1，d1为0mm，但要确保圆形主光束光斑与铝合金板/高熵合金金属片的界面处于相离状态。
（4）设置焊接工艺参数：调节激光束的离焦量为-5mm~+5mm，优选地，将激光束的离焦量设置在-3mm。尽量避免接头出现未焊透或烧穿的现象。调节焊接速度2mm/min~10mm/min，优选地，将焊接速度设定在10mm/min。焊接时使用气体为高纯氩气，在焊缝的上下表面均通纯度为99.99%的氩气进行保护。调节氩气的气流量，调节上表面保护气体的气流量为5L/min ~15L/min，优选地，将上表面氩气的气流量设定在10L/min。上表面气流量不易过大，以免影响激光束的热输入。调节下表面保护气体的气流量为5L/min ~20L/min。优选地，将下表面氩气的气流量设定在15L/min。下表面的气流量可稍大一些，确保气体可以顺利由夹具上的气孔溢出即可。
本发明采用双光束激光焊接方法，有效控制温度场分布；以Fe/Al基高熵合金金属片为中间层，可以抑制Fe-Al金属间化合物的形成：焊接时，由于焊缝中的元素相互扩散，增加了焊缝的高熵效应。高熵效应可以有效抑制大量脆性的Fe-Al金属间化合物的生成。以Fe-Al基高熵合金金属片为中间层，又避免母材中元素向焊缝中大量扩散，进一步控制了金属间化合物的生成。同时，高熵合金具有缓慢扩散效应，进一步抑制母材中的元素的扩散，降低金属间化合物的生成量，进而影响焊件的力学性能。
以上所述仅为本发明的优选实例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
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