阅读说明：本技术 一种利用三束激光进行铝/钢异种金属焊接的焊接方法 (Welding method for welding aluminum/steel dissimilar metal by using three beams of laser ) 是由 王文权 杜明 张新戈 毕英超 王岩新 王苏煜 刘亮 曲秋怡 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明提供了一种利用三束激光进行铝/钢异种金属焊接的焊接方法,它包括如下步骤：(1)对等厚度的待焊接铝板和钢板进行打磨、清洗；(2)将待焊接铝板和钢板以及中间层金属置于焊接夹具上进行装夹固定；(3)调整主光束和辅助光束的位置,设置光束能量：将两个低功率激光器和一个高功率激光器同时作为焊接热源,高功率激光器发出的激光辐照于中间层金属和铝板一侧；两个低功率激光器发出的激光辐照于铝板一侧和钢板一侧,圆形光斑与辐照于铝板一侧的矩形光斑为分离、相切或部分重叠的状态；(4)按照设定的工艺参数进行焊接。该焊接方法可获得界面反应、焊缝成形和焊接应力控制所需的温度场分布,最终实现铝/钢异种金属高质量的焊接。(The invention provides a welding method for welding aluminum/steel dissimilar metals by using three beams of laser, which comprises the following steps: (1) polishing and cleaning the aluminum plate and the steel plate to be welded with equal thickness; (2) placing an aluminum plate to be welded, a steel plate and a middle layer metal on a welding fixture for clamping and fixing; (3) adjusting the positions of the main beam and the auxiliary beam, and setting the beam energy: two low-power lasers and one high-power laser are simultaneously used as welding heat sources, and laser emitted by the high-power laser irradiates one side of the intermediate layer metal and the aluminum plate; the laser emitted by the two low-power lasers irradiates one side of the aluminum plate and one side of the steel plate, and the circular light spots and the rectangular light spots irradiated on one side of the aluminum plate are in a separated, tangent or partially overlapped state; (4) and welding according to the set process parameters. The welding method can obtain the temperature field distribution required by interface reaction, weld joint formation and welding stress control, and finally realizes the high-quality welding of the aluminum/steel dissimilar metals.)

一种利用三束激光进行铝/钢异种金属焊接的焊接方法

技术领域

本发明涉及的是一种利用三束激光进行铝/钢异种金属焊接的焊接方法，属于异种金属焊接技术领域。

背景技术

铝合金具有质量轻、强度高、较高的耐腐蚀性能和优异的机械加工性能等优势，被广泛应用于航天、航空和汽车行业。长期以来，钢铁一直是汽车车身主要的使用材料，但随着燃料经济性标准的提高，通过轻量化实现汽车节能减排已成为重要手段，因此轻质铝合金材料受到汽车工业的欢迎，许多汽车制造商采用全铝合金来制造汽车。比如德国奥迪汽车公司早在20世纪90年代中期已经推出了全铝车身框架的汽车。全铝汽车虽然成功实现了整车重量的减轻，但是在实际制造和使用过程中仍暴露出一些问题。人们在实际使用中发现全铝框架汽车在安全性上和以往的钢制汽车相比有一定的差距，安全性能有所降低，此外制造成本和销售价格也比较高。这是由于高强铝合金的板材成型加工成本比同等的钢材高，用于铝合金焊接机加工上的费用也明显高于钢材，这就使得采用全铝制造的汽车销售价格较高。综合考虑成本、性能及轻量化效果，采用铝/钢混合材料的结构设计已经成为未来最为重要的轻量化手段。而铝合金属于轻金属，它的采用对结构件连接方法提出了新的问题。对于汽车行业而言，使用焊接方法仍是一种经济合理的方式，焊接接头具有较高的强度，可以保证汽车的安全性能；焊接接头也可以节省原材料，降低车身重量的同时使汽车更加环保。综合考虑各方面因素，汽车行业中异种金属的连接主要以焊接为主。

铝合金和钢的材料热物理性能差异大、固溶度低，在焊接加热过程中形成金属间化合物影响焊接接头性能。因此铝/钢异种金属焊接是焊接领域中的难点问题之一。目前，一些研究人员采用固相焊和钎焊的方法，实现了铝/钢接头的连接，但是其应用范围有一定的限制，对于形状复杂的零部件难以焊接。在工业上一般采用钎焊、扩散焊等方法进行连接，但是受到工艺局限性的限制，这些方法焊接效率较低，加工柔性差，制造大尺寸零件和复杂结构件比较困难。也有一些研究学者采用搅拌摩擦焊和电弧焊的方法对铝/钢异种金属进行焊接，研究结果表明，这两种方法虽然可以实现铝/钢异种金属的连接，但是接头强度较低，且柔性差，主要是由于这两种方法无法实现对热输入量的精确控制，抑制铝/钢接头中金属间化合物层的生长，所以接头强度较低。随着激光焊的兴起，激光熔钎焊在异种金属的连接方面显示了较大的优势，这要表现为激光焊接能量密度高、热输入量小和焊接效率高，在铝/钢异种金属焊接领域具有一定的应用前景。铝/钢异种金属熔钎焊接过程中，通过焊接工艺和热输入的调整，使铝母材一侧熔化，钢母材一侧不熔化，熔化后的铝母材与固态钢母材发生钎焊，实现铝/钢异种金属焊接。根据目前公开的文献报道和研究报道，采用激光熔-钎焊接可以获得较高强度和较好焊接质量的铝/钢异种金属焊接接头。但是，激光焊接过程中，加热范围小，温度梯度大，对于界面反应、焊缝成形和焊接应力控制需要的精确温度场调控存在一定的限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题，就是针对现有技术所存在的不足，而提供一种利用三束激光进行铝/钢异种金属焊接的焊接方法，该焊接方法可获得界面反应、焊缝成形和焊接应力控制所需的温度场分布，最终实现铝/钢异种金属高质量的焊接，解决了现有技术中铝/钢异种金属激光熔-钎焊接过程中焊接热输入、温度场分布及界面反应难以精确控制的问题。

本方案是通过如下技术措施来实现的：一种利用三束激光进行铝/钢异种金属焊接的焊接方法，它包括如下步骤：

(1)对等厚度的待焊接铝板和钢板进行打磨、清洗；

(2)将待焊接铝板和钢板以及中间层金属置于焊接夹具上进行装夹固定；

(3)调整主光束和辅助光束的位置，设置光束能量：将两个低功率激光器和一个高功率激光器同时作为焊接热源，其中，将高功率激光器发出的激光聚焦为圆形光斑作为主光束辐照于中间层金属和铝板一侧，使中间层金属和铝板发生熔化；将两个低功率激光器发出的激光整形为矩形光斑作为辅助光束分别辐照于铝板一侧和钢板一侧，辐照在铝板一侧的矩形光斑激光束使铝板发生熔化，辐照在钢板一侧的矩形光斑激光束对钢板和铺展在钢板边缘的熔融态金属液体进行加热，使熔化的中间层金属和铝板形成金属化合物层；三束激光束并列式排列且垂直于待焊接铝板、钢板和中间层金属辐照，其中，主光束的圆形光斑与辐照在铝板一侧的辅助光束的矩形光斑为分离、相切或部分重叠的状态；

(4)按照设定的工艺参数进行焊接。

优选的，所述矩形光斑的长边分别与铝板和钢板与中间层金属的对接边缘平行，当主光束的圆形光斑与辐照于铝板一侧的辅助光束的矩形光斑部分重叠时，光斑重叠部分的宽度d2小于或等于圆形光斑直径的30％；当主光束的圆形光斑与辐照于铝板一侧的辅助光束的矩形光斑分离时，圆形光斑与矩形光斑之间的分离距离d3小于或等于圆形光斑直径的20％。

优选的，辐照于钢板一侧的辅助光束的矩形光斑距中间层金属与钢板对接边缘有偏移距离，该偏移距离为圆形光斑直径的0～10％。

优选的，所述高功率激光器采用功率为1.0～2.8KW的连续型光纤激光器，其圆形光斑的直径为0.6～1.6mm。

优选的，所述低功率激光器采用功率为200～800W的连续型光纤激光器，其矩形光斑的宽度为0.5mm、长度为1.5mm。

优选的，所述中间层金属为AlSi₁₂，所述中间层金属的直径为d1，d1的大小为铝板和钢板厚度的20％～40％，所述铝板和钢板的厚度为0.8～3.0mm。

优选的，所述高功率激光器和低功率激光器的焊接速度为0.1～1m/min。

优选的，焊接时采用气体保护罩的方式对焊接部位进行惰性气体保护，所述保护气体为纯度为99.99％的氩气，所述保护气体的气体流量为15～20L/min，所述气体保护罩是在两个低功率激光器和一个高功率激光器的焊头上均设有一个球形气体保护罩，所述两个低功率激光器和一个高功率激光器的焊头均位于球形气体保护罩的下端部，所述球形气体保护罩上端部设有进气管、中部设有多层铜丝网结构，所述多层铜丝网结构将所述球形气体保护罩分为上部进气室和下部气体保护室，所述球形气体保护罩的直径＝焊接速度v×熔池冷却到室温的时间t。

优选的，所述高功率激光器的功率为2KW，圆形光斑的直径为1mm，所述低功率激光器的功率为600W；所述高功率激光器和低功率激光器的焊接速度为0.6m/min；所述光斑重叠部分的宽度d2为0.2mm，所述圆形光斑与矩形光斑之间的分离距离d3为0.15mm。

优选的，所述步骤(1)中，铝板为为5083铝合金，所述钢板为TWIP钢，且铝板和钢板的宽度均为200mm、长度均为100mm、厚度为2mm，焊前采用800目、1500目和2000目的砂纸对铝板和钢板的表面进行打磨，对打磨完成后的铝板先碱洗后酸洗，并用酒精擦拭，再烘干；对打磨完成后的钢板用丙酮进行擦拭，再烘干。

本发明的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，该利用三束激光进行铝/钢异种金属焊接的焊接方法中，通过两个低功率矩形光斑激光束作为辅助光束分别辐照于铝板一侧和钢板一侧，中间的主光束提供了足够的热量熔化部分铝板和中间层金属；三束激光束均沿着焊接方向以相同速度移动，通过调整焊接工艺参数，控制焊接热输入，改善了铝/钢异种金属焊接时温度场的分布(即高温急冷以及温度梯度较大的现象)；改善了焊接界面反应和焊缝成形，减小了焊接应力，使之获得性能较好的焊接接头。由此可见，本发明与现有技术相比，具有突出的实质性特点和显著的进步，其实施的有益效果也是显而易见的。

附图说明

图1为本发明

具体实施方式

的焊接立体示意图。

图2为当主光束的圆形光斑与辐照于铝板一侧的辅助光束的矩形光斑部分重叠时，本发明具体实施方式的焊接俯视示意图。

图3为当主光束的圆形光斑与辐照于铝板一侧的辅助光束的矩形光斑分离时，本发明具体实施方式的焊接俯视示意图。

图中，1-铝板，2-钢板，3-辐照在铝板一侧的矩形光斑，4-辐照在钢板一侧的矩形光斑，5-圆形光斑，6-三束激光束的中心线，7-焊缝，8-中间层金属，9-焊接方向，d1-中间层金属的直径，d2-主光束的圆形光斑与辐照于铝板一侧的辅助光束的矩形光斑重叠部分的宽度，d3-圆形光斑与矩形光斑之间的分离距离。

具体实施方式

为能清楚说明本方案的技术特点，下面通过具体实施方式，并结合其附图，对本方案进行阐述。

一种利用三束激光进行铝/钢异种金属焊接的焊接方法，它包括如下步骤。

(1)焊接前对等厚度的待焊接铝板1和钢板2进行打磨、清洗。

所述铝板1为5083铝合金，所述钢板2为TWIP钢，所述铝板1和钢板2的厚度为0.8～3.0mm，优选铝板1和钢板2的宽度均为200mm、长度均为100mm、厚度为2mm，焊前采用800目、1500目和2000目的砂纸对铝板1和钢板2的表面进行打磨，对打磨完成后的铝板1先碱洗后酸洗，并用酒精擦拭，再烘干；对打磨完成后的钢板2用丙酮进行擦拭，再烘干。

(2)将待焊接铝板1和钢板2以及中间层金属8置于焊接夹具上进行装夹固定，所述中间层金属8为AlSi₁₂，所述中间层金属8的直径为d1，d1的大小为铝板1和钢板2厚度的20％～40％，优选所述中间层金属8的直径为0.8mm，焊接接头形式为对接接头。

(3)调整主光束和辅助光束的位置，设置光束能量。

将两个低功率激光器和一个高功率激光器同时作为焊接热源，所述高功率激光器采用功率为1.0～2.8KW的连续型光纤激光器，其圆形光斑5的直径为0.6～1.6mm，优选所述高功率激光器的功率为2KW，其圆形光斑5的直径为1mm。所述低功率激光器采用功率为200～800W的连续型光纤激光器，优选低功率激光器的功率为600W，其矩形光斑(辐照在铝板一侧矩形光斑3和辐照在钢板一侧矩形光斑4)的宽度为0.5mm、长度为1.5mm。所述高功率激光器和低功率激光器的焊接速度为0.1～1m/min，优选所述高功率激光器和低功率激光器的焊接速度为0.6m/min。

三束激光束并列式排列且垂直于待焊接铝板1、钢板2和中间层金属8辐照，将高功率激光器发出的激光聚焦为圆形光斑5作为主光束辐照于中间层金属8和铝板1一侧，使中间层金属8和铝板1发生熔化；将两个低功率激光器发出的激光整形为矩形光斑作为辅助光束分别辐照于铝板1一侧和钢板2一侧，所述矩形光斑(辐照在铝板一侧的矩形光斑3和辐照在钢板一侧的矩形光斑4)的长边分别与铝板1和钢板2与中间层金属8的对接边缘平行，辐照在铝板1一侧的矩形光斑激光束使铝板1发生熔化，辐照在钢板2一侧的矩形光斑激光束对钢板2和铺展在钢板2边缘的熔融态金属液体进行加热，使熔化的中间层金属8和铝板1形成金属化合物层。

铝板1一侧的辅助光束与主光束之间的间距影响焊接过程的稳定性，若两光束之间的间距过小，类似于单光束焊接过程不易稳定；若两光束之间的间距过大，会影响焊接熔深和焊缝质量。当主光束的圆形光斑5与辐照在铝板1一侧的辅助光束的矩形光斑为分离、相切或部分重叠的状态时，焊接过程较为稳定，形成的匙孔开口较大，有利于焊接过程中镁元素的蒸发及逸出。当主光束的圆形光斑5与辐照于铝板一侧的辅助光束的矩形光斑部分重叠时，光斑重叠部分的宽度d2小于或等于圆形光斑5直径的30％，优选所述光斑重叠部分的宽度d2为0.2mm。当主光束的圆形光斑5与辐照于铝板1一侧的辅助光束的矩形光斑分离时，主光束的圆形光斑5与辐照于铝板1一侧的辅助光束的矩形光斑之间的分离距离d3小于或等于圆形光斑5直径的20％，优选所述圆形光斑5与辐照于铝板1一侧的辅助光束的矩形光斑之间的分离距离d3为0.15mm。当圆形光斑5与辐照于铝板1一侧的辅助光束的矩形光斑在以上所述的距离范围内时，焊接过程较为稳定。辐照于钢板2一侧的辅助光束的矩形光斑距中间层金属8与钢板2对接边缘有偏移距离，该偏移距离为圆形光斑5直径的0～10％。

三束激光采用三个激光器分别产生，三束激光的功率均可以调节，所述主光束的能量根据中间层金属8的厚度、铝板1厚度及焊接速度决定，保证铝板1和中间层金属8发生熔化。通过控制三束激光的功率及辐照位置来调控接头处的热输入及温度场分布，在焊接过程中保证中间层金属8和铝板1一侧发生熔化，钢板2一侧不熔化，最终获得高质量的铝/钢熔钎焊接头。在保证钢板2不熔化的情况下，辐照在钢板2上的矩形光斑激光束的热输入应适中，热输入量过大会使得界面处新形成的金属间化合物尺寸较大，导致焊接接头脆性增大，降低性能；若热输入量过小，容易产生较大的焊接应力，在界面处产生开裂，焊接性能难以保证。

(4)按照设定的工艺参数进行焊接，焊接时采用气体保护罩的方式对焊接部位进行惰性气体保护，所述保护气体为纯度为99.99％的氩气，所述保护气体的气体流量为15～20L/min，所述气体保护罩是在两个低功率激光器和一个高功率激光器的焊头上均设有一个球形气体保护罩，所述两个低功率激光器和一个高功率激光器的焊头均位于球形气体保护罩的下端部，所述球形气体保护罩上端部设有进气管、中部设有多层铜丝网结构，所述多层铜丝网结构将所述球形气体保护罩分为上部进气室和下部气体保护室，所述球形气体保护罩的直径＝焊接速度v×熔池冷却到室温的时间t，采用这种结构形式后，气体保护罩的保护范围能有效覆盖三束激光的焊接熔池。

该利用三束激光进行铝/钢异种金属焊接的焊接方法中，通过两个低功率矩形光斑激光束作为辅助光束分别辐照于铝板1一侧和钢板2一侧，中间的主光束提供了足够的热量熔化部分铝板1和中间层金属8；三束激光束均沿着焊接方向9以相同速度移动，通过调整焊接工艺参数，控制焊接热输入，改善了铝/钢异种金属焊接时温度场的分布(即高温急冷以及温度梯度较大的现象)；改善了焊接界面反应和焊缝成形，减小了焊接应力，使之获得性能较好的焊接接头。

本发明中未经描述的技术特征可以通过现有技术实现，在此不再赘述。本发明并不仅限于上述具体实施方式，本领域普通技术人员在本发明的实质范围内做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。