颗粒增强金属基复合材料激光填丝－熔注焊接方法技术

颗粒增强金属基复合材料激光填丝－熔注焊接方法，涉及一种激光焊接方法。它解决了现有的焊接金属基复合材料的方法存在增加颗粒烧损的问题。其方法：将与母材成分匹配的焊丝以自动填丝方式填入待焊工件的焊缝中，采用激光辐照方式将焊丝熔化，形成熔池；在填丝焊接的同时，在溶池的后部注入陶瓷颗粒。本发明专利技术适用于金属基复合材料的焊接。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种激光焊接方法，具体涉及金属基复合材料薄板结构件焊接的焊接 方法。
技术介绍
颗粒增强金属基复合材料具有高比强度、良好的尺寸稳定性以及高耐磨性等优 点，成为当今复合材料领域研究和发展的主流，是航天、航空、汽车、微电子等高科技领域极 具发展前途的先进材料。复合材料的结构特点决定了其焊接性能比金属困难得多，尤其是颗粒增强金属基 复合材料，焊缝熔池中存在着增强相颗粒，使得液态金属的流动性很差，造成较多的焊接缺 陷，影响焊缝成形。此外，增强相的大量熔化，不但失去颗粒增强的作用，同时会与金属基体 发生化学反应形成大量脆性金属间化合物，而严重影响接头的强度。虽然国内外进行了大 量相关研究，尝试了各种连接方法和工艺，但仍未能实现颗粒增强金属基复合材料的成熟 连接工艺，能够真正用于实际产品的焊接生产中。大量的试验结果与理论分析表明，金属基复合材料焊接过程中，避免增强颗粒熔 化、精确控制金属基体与增强相之间的界面反应的是获得高性能接头的首要条件。激光焊 接由于具有加热冷却速度快、焊接时间短、焊缝熔区及热影响区小等优点，被认为是焊接金 属基复合材料理想的方法之一。激光焊接在控制金属基体与增强相之间界面反应方面取得 了一定进展。但是，增强颗粒烧损一直是激光焊接金属基复合材料中难以解决的问题，这一 问题的存在，严重阻碍了金属基复合材料在实际生产中的应用进程。
技术实现思路
本专利技术是为了解决现有的焊接金属基复合材料的方法存在增加颗粒烧损的问题， 从而提供一种颗粒增强金属基复合材料激光填丝_熔注焊接方法。颗粒增强金属基复合材料激光填丝_熔注焊接方法，将与母材成分匹配的焊丝以 自动填丝方式填入待焊工件的焊缝中，采用激光辐照方式将焊丝熔化，形成熔池；在填丝焊 接的同时，在溶池的后部注入陶瓷颗粒。该方法包括以下步骤步骤一、对待焊工件的焊缝加工成所需精度，并对待焊工件进行预处理；步骤二、将待焊工件固定在工作台上；步骤三、采用送丝嘴向待焊工件的焊缝中自动填加焊丝，采用激光发生装置发射 激光光束，并采用激光辐照方式将焊丝熔化，形成熔池；步骤四、在填丝焊接的同时，采用送粉喷嘴在溶池的后部注入陶瓷颗粒；步骤三的工艺参数范围是激光功率为2_4kW，光斑直径为3mm，焊接速度为 0. 3-l.Om/min，送丝速度为1.0-2.0m/min，送丝角度为30° -40°，送丝采用后送丝方式送 入；步骤四的工艺参数范围是送粉速度为60-150mg/s，载气流量和保护气流量均为 5L/min，注入角度为40° -60°。送粉注入熔池位置避免激光束直接加热，且位于激光加热 所形成熔池的后部。步骤三中激光光束类型为C02气体激光光束、NdiYAG固体激光光束、半导体激光 光束或光纤激光光束。步骤四中陶瓷颗粒的注入方向与激光束扫描方向相同。送丝嘴与送粉喷嘴分别固定在激光头的两侧，且送丝嘴与待焊工件之间的角度为 30° -40°，送粉喷嘴与待焊工件之间的角度为40° -60° ；送粉喷嘴与溶池之间的距离为 8-10mmo本专利技术焊接熔池由熔化的填充金属形成，避免了对金属基复合材料增强相的烧 损，可抑制脆性金属间化合物的形成，实现金属基复合材料的高效、高质连接。附图说明图1是本专利技术的颗粒增强金属基复合材料激光填丝-熔注焊接过程示意图；图2 是本专利技术的陶瓷颗粒注入过程示意图；图3是本专利技术具体实施方式一中激光熔注获得的焊 缝截面示意图。具体实施例方式具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，颗粒增强金属基复合材料 激光填丝-熔注焊接方法，将与母材成分匹配的焊丝以自动填丝方式填入待焊工件的焊缝 中，采用激光辐照方式将焊丝熔化，形成熔池；在填丝焊接的同时，在溶池的后部注入陶瓷 颗粒。该方法包括以下步骤步骤一、对待焊工件的焊缝加工成所需精度，并对待焊工件进行预处理；步骤二、将待焊工件固定在工作台上；步骤三、采用送丝嘴向待焊工件的焊缝中自动填加焊丝，采用激光发生装置发射 激光光束，并采用激光辐照方式将焊丝熔化，形成熔池；步骤四、在填丝焊接的同时，采用送粉喷嘴在溶池的后部注入陶瓷颗粒；步骤三的工艺参数范围是激光功率为2_4kW，光斑直径为3mm，焊接速度为 0. 3-l.Om/min，送丝速度为1.0-2.0m/min，送丝角度为30° -40°，送丝采用后送丝方式送 入；步骤四的工艺参数范围是送粉速度为60-150mg/s，载气流量和保护气流量均为 5L/min，注入角度为40° -60°。步骤三中激光光束类型为C02气体激光光束、NdiYAG固体激光光束、半导体激光 光束或光纤激光光束。步骤四中陶瓷颗粒的注入方向与激光束扫描方向相同。送丝嘴与送粉喷嘴分别固定在激光头的两侧，且送丝嘴与待焊工件之间的角度为 30° -40°，送粉喷嘴与待焊工件之间的角度为40° -60° ；送粉喷嘴与溶池之间的距离为 8-10mmo4本专利技术的将激光焊接技术和激光表面处理技术有效的结合起来，其独特优势和潜 力为(1)填充焊丝和注入陶瓷颗粒与所焊接复合材料的金属基体及增强颗粒相对应， 所获得接头的成分及微观结构与母材一致。(2)焊接熔池由熔化的填充金属形成，避免了对金属基复合材料增强相的烧损，可 抑制脆性金属间化合物的形成。(3)陶瓷颗粒由熔池后部“拖尾”注入，避免了激光束对陶瓷颗粒的直接辐照作用， 减少了增强颗粒的熔化。此外，由于熔池后部温度低、停留时间短，可以有效控制金属基体 与增强颗粒在高温反应时间。(4)通过送粉速率和载气流量的调节，可以实现对接头中增强颗粒体积分数和分 布的有效控制，进而获得与母材成分、微观结构一致的接头。(5)通过对接头脆性金属间化合物数量的控制，降低了接头脆性，可获得高性能的 接头。本专利技术的本专利技术的颗粒增强金属基复合材料激光填丝-熔注焊接过程如图1所 示，其中标记1为激光头、标记2为激光束、标记3为送粉喷嘴、标记4为粉末流、标记5为 焊缝、标记6为焊丝、标记7为送丝嘴、标记8为待焊工件；本专利技术的陶瓷颗粒注入过程图2 所示意，其中标记9为熔池。本专利技术以激光为热源，光束为负离焦，焊接模式为热导焊，接头形式为V型破口对 接。本专利技术是激光填丝焊接和激光熔注两种激光加工工艺的复合技术，工艺实现过程可以 分为激光填丝焊接和颗粒注入两个过程。本实施方式中，激光引导光(He-Ne激光)以及送粉喷嘴特有的中空结构可以实现 粉末流的精确定位。此外，送粉喷嘴的特殊结构可以实现同轴氩气保护，这不但可以保护熔 池防止氧化，同时可以约束粉末流，增粉末流的挺度。本实施方式通过向焊丝熔化形成的熔池中注入陶瓷颗粒来实现金属基复合材料 的连接，由于陶瓷颗粒直接注入到熔池中避开了激光束的辐照，陶瓷颗粒不会发生大量熔 化。此外，由于激光快速加热快速冷却、熔池停留时间短的特点，注入的陶瓷颗粒来不及熔 化就被“冻结”起来。因此，所得到的接头是与所焊母材成分、结构完全一致的颗粒增强金属基复合材料。在宏观尺度，本专利技术可以通过调节增强颗粒的注入量来获得不同体积分数的接 头。同时可以通过优化增强颗粒的注入角度以及注入速度，实现增强颗粒在接头内部均勻 分布，避免出现金属基复合材料焊接过程中增强颗粒聚集、沉底现象。在微观尺度，本专利技术通过对增强颗粒熔化量、增强颗粒与金属基体之间反应的严 格控制，本文档来自技高网...

【技术保护点】
颗粒增强金属基复合材料激光填丝－熔注焊接方法，其特征是：将与母材成分匹配的焊丝以自动填丝方式填入待焊工件的焊缝中，采用激光辐照方式将焊丝熔化，形成熔池；在填丝焊接的同时，在溶池的后部注入陶瓷颗粒。

【技术特征摘要】
颗粒增强金属基复合材料激光填丝 熔注焊接方法，其特征是将与母材成分匹配的焊丝以自动填丝方式填入待焊工件的焊缝中，采用激光辐照方式将焊丝熔化，形成熔池；在填丝焊接的同时，在溶池的后部注入陶瓷颗粒。2.根据权利要求1所述的颗粒增强金属基复合材料激光填丝_熔注焊接方法，其特征 在于该方法包括以下步骤步骤一、对待焊工件的焊缝加工成所需精度，并对待焊工件进行预处理；步骤二、将待焊工件固定在工作台上；步骤三、采用送丝嘴向待焊工件的焊缝中自动填加焊丝，采用激光发生装置发射激光 光束，并采用激光辐照方式将焊丝熔化，形成熔池；步骤四、在填丝焊接的同时，采用送粉喷嘴在溶池的后部注入陶瓷颗粒；步骤三的工艺参数范围是激光功率为2-4kW，光斑直径为3mm，焊接速度为0. 3-1. Om/ min，送丝速度为1. 0-2. Om/min，送丝角度为30° -40°，送丝采用后送丝方式送入；步骤四的工艺参数范围是送粉速度为60-150mg/s，载气流量和保护气流量均为5L/ min，注入角度为40° -60°。3.根据权利要求2所述的颗粒增强金属基复合材料激光填丝_熔注焊接方法，其特征 在于步骤三中所述的激光光束类型为C02气体激光光束、NdiYAG固体激光光束、半导体激 光光束或光纤激光光束。4.根据权利要求2所述的颗粒增强金属基复合材料激光填丝_熔注焊接方法，其特征 在于步骤四中陶瓷颗粒的注入方向与激光束扫描方向相同。5.根据权利要求2所述的颗粒增强金属基复合材料激光填丝_熔注焊接方法，其特 征在于送丝嘴与送粉喷嘴分别固定在激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：李俐群，陈彦宾，陶汪，李福泉，雷正龙，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，
类型：发明
国别省市：93[中国|哈尔滨]