一种利用三光束激光进行铝/钢焊接的焊接方法
阅读说明：本技术 一种利用三光束激光进行铝/钢焊接的焊接方法 (Welding method for aluminum/steel welding by using three-beam laser ) 是由 王文权 杜明 张新戈 王岩新 毕英超 刘亮 王苏煜 林珈名 程派 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光束激光进行铝/钢焊接的焊接方法,它包括如下步骤：1)选择焊接母材和保护气体；2)用砂纸对铝合金板和钢板表面进行打磨；3)对打磨处理过的铝合金板先碱洗后酸洗,然后用酒精擦拭,再烘干；对打磨处理过的钢板用丙酮进行擦拭,再烘干；4)将铝合金板和钢板置于夹具上进行固定；5)采用激光束Ⅰ、激光束Ⅱ和激光束Ⅲ三束激光进行焊接；6)焊后检验与分析。该焊接方法中的焊接工艺简单,母材变形量小,提高了焊缝成形,缩短了焊接时间,并且提高了生产效率,有效节约了生产成本。(The invention provides a welding method for aluminum/steel welding by using three-beam laser, which comprises the following steps: 1) selecting a welding base metal and a protective gas; 2) polishing the surfaces of the aluminum alloy plate and the steel plate by using abrasive paper; 3) firstly, carrying out alkali washing and acid washing on the aluminum alloy plate after polishing treatment, then wiping the aluminum alloy plate with alcohol, and then drying the aluminum alloy plate; wiping the polished steel plate with acetone, and drying; 4) placing the aluminum alloy plate and the steel plate on a clamp for fixing; 5) welding by using three laser beams, namely a laser beam I, a laser beam II and a laser beam III; 6) and (5) inspecting and analyzing after welding. The welding method has the advantages of simple welding process, small deformation of the base metal, improvement of weld forming, shortening of welding time, improvement of production efficiency and effective saving of production cost.)
技术领域
本发明涉及的是一种利用三光束激光进行铝/钢焊接的焊接方法，属于铝/钢异种金属焊接技术领域。
背景技术
铝合金具有质量轻、导热性好和耐蚀性好等优点，而钢是制造业中主要的传统材料，它具有强度高、韧性好和适应性广等优点。铝合金和钢连接不仅可以发挥两者的优点，而且能够在保证连接性能的前提下实现产品的轻量化，使其在汽车、轨道交通和航空航天等领域具有广泛的应用前景。
铝合金和钢材虽然可以通过常规的机械方法(如铆接)进行连接，但是连接接头处存在气密性差和表面质量等问题，难以满足工业制造的需求。然而，采用焊接方法时，由于铝合金和钢两者之间的固溶度低，热物理性能差异大，导致焊接接头界面处容易产生脆性金属间化合物，进而降低焊接接头的性能。近年来，国内外许多学者提出了搅拌摩擦焊、超声波焊和磁脉冲焊等固相焊接方法，以及扩散连接焊和搅拌摩擦钎焊等液固相焊接方法实现铝/钢的连接，降低其界面处的脆性金属间化合物生成量。经研究表明，这些方法均能够实现铝/钢连接，降低脆性金属间化合物的生成厚度，但是这些焊接方法具有焊接条件苛刻，应用具有局限性，生产效率低等缺点。
在授权公告号为CN103231203B、授权公告日为2015.09.16的发明专利中公开了一种铝钢异种材料连接方法，该方法采用添加合金夹层与机械镶嵌相结合实现铝、钢异种材料的冷金属过渡焊接方法，该方法利用镍熔覆层过渡实现铝/钢连接，但是该方法中使用的冷金属过渡焊接价格较为昂贵，且镍基合金立柱的精度难以控制，从而影响铝/钢接头的连接质量和性能。
在申请公布号为CN109158779A、申请公布日为2019.01.08的发明专利申请中公开了一种用于铝合金/高氮钢的激光点焊-真空钎焊复合焊接方法，该焊接方法采用激光点焊和真空钎焊复合焊接的方法，实现铝和钢异种材料的连接，但是该焊接方法相对于单纯激光焊接而言较为复杂。
激光焊接技术作为一种高质量、高精度、低变形、高效率和高速度的焊接方法，由于激光焊接具有其它焊接方法不能比拟的优势，因此受到越来越多人的认可，目前其在机械制造、新能源汽车制造、航空航天和电子工业等领域得到了广泛应用。
在申请公布号为CN108453374A、申请公布日为2018.08.28的发明专利申请中公开了一种铝合金的双光束激光焊接方法及装置，该方法克服了现有的铝及铝合金焊接时存在的激光反射率高和合金元素烧损严重、容易产生气孔缺陷和焊接过程不稳定等问题。但是该方法仅适用于铝合金材料的焊接，对于差异性较大的铝/钢材料而言，该方法需要进一步改进。
在申请公布号为CN110524107A、申请公布日为2019.12.03的发明专利申请中公开了一种提高铝/钢异种金属激光熔钎焊搭接接头强度的方法，该方法通过外加第二激光束直接作用在钢板表面，具有提升焊接接头性能的技术效果，但该方法仅适用于铝/钢搭接接头，且未能考虑到铝板熔化后熔池内液体的流动现象。综上所述，在焊接铝/钢异种金属材料时，双激光束相对于单激光束而言，弥补了焊缝边缘由于热输入不足而未产生适量金属间化合物的缺陷，但是未能为熔池内液体提供充足的能量，促进其流动性，减少接头处气孔的产生，使其获得组织均匀的金属间化合物。因此，现有技术还有待于改进和发展。
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，而提供一种利用三光束激光进行铝/钢焊接的焊接方法，该焊接方法中的焊接工艺简单，焊接母材变形量小，提高了焊缝成形，缩短了焊接时间，并且提高了生产效率，有效节约了生产成本。
本方案是通过如下技术措施来实现的：一种利用三光束激光进行铝/钢焊接的焊接方法，它包括如下步骤：
1)选择焊接母材和保护气体：焊接母材选用铝合金板和钢板，保护气体为纯度为99.99％的氩气；
2)用砂纸对铝合金板和钢板表面进行打磨；
3)对打磨处理过的铝合金板先碱洗后酸洗，然后用酒精擦拭，再烘干；对打磨处理过的钢板用丙酮进行擦拭，再烘干；
4)将铝合金板和钢板置于夹具上进行固定；
5)采用激光束Ⅰ、激光束Ⅱ和激光束Ⅲ三束激光进行焊接，其中，所述激光束Ⅰ为高功率半导体激光器发出的激光束，所述激光束Ⅰ作用于铝合金板上，且激光束Ⅰ相对于铝合金板的倾角为锐角；所述激光束Ⅱ为单模光纤激光器发出的激光束，所述激光束Ⅱ垂直作用于铝合金板和钢板之间的缝隙上；所述激光束Ⅲ为脉冲激光器发出的激光束，所述激光束Ⅲ作用于钢板上，且激光束Ⅲ相对于铝合金板的倾角为钝角；
6)焊后检验与分析。
优选的，所述激光束Ⅰ作用于铝合金板上距离其与钢板之间缝隙0.3～0.4mm处，所述激光束Ⅰ相对于铝合金板的倾角为45°。
优选的，所述激光束Ⅲ作用于钢板上距离其与铝合金板之间缝隙0.1～0.2mm处，所述激光束Ⅲ相对于铝合金板的倾角为135°。
优选的，所述激光束Ⅰ的保护气体Ⅰ相对于铝合金板呈45°的倾角，所述激光束Ⅱ的保护气体Ⅱ相对于铝合金板呈90°的倾角，所述激光束Ⅲ的保护气体Ⅲ相对于铝合金板呈135°的倾角。
优选的，所述高功率半导体激光器的光斑直径为0.8～1.2mm，所述单模光纤激光器的光斑直径为0.5～1.0mm，所述脉冲激光器的光斑直径为0.1～1.0mm。
优选的，所述高功率半导体激光器的波长为690～980nm；所述单模光纤激光器的波长为1060～1070nm；所述脉冲激光器的波长为1.064um，脉冲宽度为0.1～20ms，脉冲电流为50～600A。
优选的，所述铝合金板和钢板之间的缝隙宽度小于0.05mm。
优选的，所述保护气体的流量为16～20L/min，所述高功率半导体激光器的功率为3KW，所述单模光纤激光器和脉冲激光器的功率均为2KW，所述激光束Ⅰ、激光束Ⅱ和激光束Ⅲ的焊接速度均为50～200mm/s。
优选的，所述铝合金板和钢板的厚度为0.8～3mm。
本发明的有益效果可根据对上述方案的叙述得知，该利用三光束激光进行铝/钢焊接的焊接方法中，采用不同模式、不同波长及不同的光斑直径的激光同时作用于同一熔池，通过调整三束激光的能量分布，进而改变熔池的流动方式，从而使铝合金板和钢板的焊接工艺简单，母材变形量小，提高了焊缝成形，缩短了焊接时间，并且提高了生产效率，有效节约了生产成本。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为本发明具体实施方式的焊接主视示意图。
图3为本发明具体实施方式的焊接俯视示意图。
图中，1-钢板，2-焊缝，3-保护气体Ⅱ，4-激光束Ⅱ，5-激光束Ⅰ，6-铝合金板，7-保护气体Ⅰ，8-保护气体Ⅲ，9-激光束Ⅲ，10-缝隙。
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。
一种利用三光束激光进行铝/钢焊接的焊接方法，它包括如下步骤。
1)选择焊接母材和保护气体：焊接母材选用铝合金板6和钢板1，优选铝合金板6为5083铝合金板，优选钢板1为TWIP钢板，所述铝合金板和钢板的厚度为0.8～3mm。保护气体为纯度为99.99％的氩气，所述保护气体的流量为16～20L/min。
2)用砂纸对铝合金板6和钢板1表面进行打磨，具体来说，依次用800目、1500目和2000目的砂纸将铝合金板6和钢板1的表面分别进行打磨。
3)对打磨处理过的铝合金板6先碱洗后酸洗，然后用酒精擦拭，再烘干，以去除铝合金板6表面的氧化膜和油污；对打磨处理过的钢板1用丙酮进行擦拭，再烘干，以去除钢板1表面的油污。
4)将铝合金板6和钢板1置于夹具上进行固定，铝合金板6和钢板1在夹具上固定完成后，所述铝合金板6和钢板1之间的缝隙10的宽度小于0.05mm。
5)采用激光束Ⅰ5、激光束Ⅱ4和激光束Ⅲ9三束激光进行焊接，所述激光束Ⅰ5、激光束Ⅱ4和激光束Ⅲ9的焊接速度均为50～200mm/s。
其中，所述激光束Ⅰ5为高功率半导体激光器发出的激光束，所述高功率半导体激光器的功率为3KW，所述高功率半导体激光器的光斑直径为0.8～1.2mm，所述高功率半导体激光器的波长为690～980nm，所述激光束Ⅰ5作用于铝合金板6上，且激光束Ⅰ5相对于铝合金板6的倾角为锐角，具体来说，所述激光束Ⅰ5作用于铝合金板6上距离其与钢板1之间缝隙10的0.3～0.4mm处，所述激光束Ⅰ5相对于铝合金板6的倾角为45°，所述激光束Ⅰ5的保护气体Ⅰ7相对于铝合金板6呈45°的倾角。
所述激光束Ⅱ4为单模光纤激光器发出的激光束，所述单模光纤激光器的功率为2KW，所述单模光纤激光器的光斑直径为0.5～1.0mm，所述单模光纤激光器的波长为1060～1070nm，所述激光束Ⅱ4垂直作用于铝合金板6和钢板1之间的缝隙10上(即激光束Ⅱ4相对于铝合金板6的倾角为90°)，所述激光束Ⅱ4的保护气体Ⅱ3相对于铝合金板6呈90°的倾角。
所述激光束Ⅲ9为脉冲激光器发出的激光束，所述脉冲激光器的功率为2KW，所述脉冲激光器的光斑直径为0.1～1.0mm，所述脉冲激光器的波长为1.064um，脉冲宽度为0.1～20ms，脉冲电流为50～600A，所述激光束Ⅲ9作用于钢板1上，且激光束Ⅲ9相对于铝合金板6的倾角为钝角，具体来说，所述激光束Ⅲ9作用于钢板1上距离其与铝合金板6之间缝隙10的0.1～0.2mm处，所述激光束Ⅲ9相对于铝合金板6的倾角为135°，所述激光束Ⅲ9的保护气体Ⅲ8相对于铝合金板6呈135°的倾角。
所述激光束Ⅰ5及其保护气体Ⅰ7相对于铝合金板6呈45°的倾角，可通过该角度最大化激光束Ⅰ5的加热直径，扩展铝合金板6的熔化面积，获得良好的缝隙填充能力。激光束Ⅲ9及其保护气体Ⅲ8相对于铝合金板6呈135°的倾角，可通过该角度最大化激光束Ⅲ9的加热直径，扩展钢板1的预热范围，进而降低其变形量。所述激光束Ⅱ4和保护气体Ⅱ3相对于铝合金板6呈90°的倾角，该角度有助于促进熔池内液体的流动性，排除熔池内气体，减少焊缝2处气孔的产生。若激光束Ⅰ5及其保护气体Ⅰ7相对于铝合金板6的倾角大于45°或小于45°，激光束Ⅱ4和保护气体Ⅱ3相对于铝合金板6的倾角大小90°或小于90°，激光束Ⅲ9及其保护气体Ⅲ8相对于铝合金板6的倾角大于135°或小于135°，均会降低焊缝2的强度和成形性。
采用单光束激光和双光束激光焊接时，匙孔建立较为困难，且不易保持稳定。本发明通过外加两束不同模式、不同波长及不同光斑直径的激光束Ⅱ4和激光束Ⅲ9分别直接作用于铝合金板6和钢板1上，可以增大匙孔尺寸，使得匙孔不易闭合，且有利于气体排出，同时降低冷却速率，减少气孔和焊接裂纹的产生。同时，由于焊接过程更加稳定，飞溅量减小，所以三光束焊接铝/钢异种金属获得的焊缝2表面成形也明显优于单光束和双光束。
6)焊后检验与分析，焊后对焊缝2成形进行检验，包括：表面焊缝2的连续性，是否有匙孔及焊穿等缺陷，对焊缝2进行硬度及拉伸性能检测。
本发明采用三束激光同时焊接的方法，严格控激光角度，防止由于激光入射角度的影响导致焊接过程中焊接缺陷的产生。在此焊接方法下进行焊接，无咬边、焊穿和未焊上等缺陷，且晶粒大小和金属间化合物符合要求，根据硬度检测和拉伸性能检测可知焊接件力学性能符合要求。
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。