一种采用飞秒激光焊接钛-铝异种金属的方法技术

本发明专利技术公开了一种采用飞秒激光焊接钛‑铝异种金属的方法，包括如下步骤：将钛、铝金属材料加工成待连接面完全相同的两个工件；对待连接工件进行预处理和精加工，使得待连接面的表面粗糙度Ra控制在0.08μm以下；采用夹具对精加工后的待连接工件进行固定并施加压力确保连接面无空隙；对透明材料进行预处理并制成盖板，然后将其环绕连接面固定在待连接工件的四周，确保连接面密闭在透明材料内；用飞秒激光对准待焊焊缝，沿焊缝对连接面进行焊接；焊接完成后，等待一段时间，直至待焊工件完全冷却至室温，再卸下盖板。本发明专利技术通过压力和飞秒激光作用可以使金属材料进行原子程度的连接，获得的焊缝强度高韧性好。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及金属材料连接领域，具体为一种用飞秒激光穿过透明材料将钛、铝金属材料焊接的方法。
技术介绍
飞秒激光瞬时功率巨大，脉冲极短，可以在较低的脉冲能量下得到非常高的峰值强度。由于照射透明材料时产生非线性效应的特点，飞秒激光依靠多光子吸收机制可以穿过透明材料进行灵活的三维加工，而长脉冲激光则无法做到这一点。而且透明材料为脆性材料，长脉冲激光加热产生的热应力会使透明材料发生破裂并且有碎片飞出。因为当激光照射到透明材料时，会发生激光损伤，而损伤阀值随脉冲宽度的下降而明显减小，所以飞秒激光具有很小的损伤阀值，飞秒激光透过透明材料不会引起透明材料的破裂。飞秒激光穿过透明材料时，能量被限制在趋肤深度的范围内，而且作用时间极短，能量还没来得及扩散，被作用的金属材料就已经被加热到极高的温度，直接以气相的形态蒸发，蒸发的同时带走大部分热量，使得热影响区很小。因此飞秒激光可以实现精密加工，它的分辨率可以达到几微米。传统的弧焊焊接方法焊接环境恶劣，在焊接过程中伴随着飞溅、弧光和有害气体，既不环保，又会对操作工的身体健康产生威胁。飞秒激光加工具有能量高度集中、热影响区小、无飞溅无熔渣、不需要特殊气体环境、无后续工艺、边缘质量好等突出优势。尤其在加工精度高的要求下，传统的弧焊是不能满足要求的。由于铝、钛都是活性金属、极易氧化，且两者之间的物理、机械性能存在较大差别，如两者的熔点相差约800℃，两者的晶格类型、晶格参数等结晶化学性能差异很大，铝的热导率和线膨胀系数分别是钛的16倍和3倍。因此铝钛异种金属的焊接性很差，接头的强度不能满足要求，铝钛异种金属的焊接既是热点也是难点，目前还没有一种成熟的工艺可以用于实际生产。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种采用飞秒激光焊接钛、铝金属材料的方法。为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：一种采用飞秒激光焊接钛、铝金属材料的方法，包括如下步骤：（1）将钛、铝金属材料加工成待连接面完全相同的两个工件；（2）对待连接工件进行预处理和精加工，使得待连接面的表面粗糙度Ra控制在0.08μm以下；（3）采用夹具对精加工后的待连接工件进行固定并施加压力确保连接面无空隙；（4）对透明材料进行预处理并制成盖板，然后将其环绕连接面固定在待连接工件的四周，确保连接面密闭在透明材料内；（5）用飞秒激光对准待焊焊缝，沿焊缝对连接面进行焊接；（6）焊接完成后，等待一段时间，直至待焊工件完全冷却至室温，再卸下盖板。进一步的，步骤（2）中，所述的预处理是指对待连接工件进行清洗、抛光。进一步的，步骤（4）中，透明材料选用玻璃板。进一步的，步骤（5）中，飞秒激光焊接参数如下：飞秒激光的脉冲宽度＜400fs，单脉冲能量设定在1～40μJ之间，焊接速度≥4mm／s。与现有技术相比，本专利技术的优点及有益效果有：1.可以以极高的精度对金属材料焊接。2.本专利技术所述方法焊接金属材料便捷高效，应用前景广泛。3.本专利技术所述方法可以使金属材料一次成型，工艺简单，只要设置好参数即可连接成型。4.本专利技术中通过压力和飞秒激光作用可以使金属材料进行原子程度的连接，获得的焊缝强度高韧性好。5.本专利技术中飞秒激光作用后，由于玻璃板的封闭，蒸发的金属蒸气快速沉淀，保护了焊缝的同时，并不影响施焊，加强了连接区域的强度，蒸气带走大部分热量使热影响区很小。6.本专利技术飞秒激光焊接过程中在密闭环境下进行，避免了接头被氧化，提高了焊缝质量。7.本专利技术中飞秒激光加热速度快，可以使金属瞬间气化，解决了传统焊接方法对于钛、铝金属材料熔点相差大，难以焊接的难题。附图说明图1为本专利技术一实施例的飞秒激光连接方法所使用装置的三维示意图。其中，1表示一块钛金属板，2表示金属板夹具，3表示飞秒激光焊枪，4表示透明材料盖板，5表示另一块铝金属板，6表示透明材料盖板夹具，7表示施加水平向连接区域压力的丝杠柄。具体实施方式如附图1所示，将钛板1、铝板5均加工成3mm厚150mm×150mm的尺寸，然后用无水乙醇将表面清洗干净并且抛光。对钛板1、铝板5的待连接面的表面进行精加工，使得表面粗糙度Ra为0.05μm。然后将钛板1、铝板5待连接面对齐用第一夹具2固定。然后旋转丝杠柄7，向连接面施加压力，确保连接面无空隙。将玻璃板4加工成盖板，并进行预处理，并对其表面进行精加工，表面粗糙度Ra为0.04μm。然后将其环绕连接面采用第二夹具6固定在钛板1、铝板5连接面的四周，确保连接面密闭在玻璃板4内。将激光焊枪3的焦点校准到钛板1、铝板5的连接面，飞秒激光的重复频率为4MHz，激光脉冲宽度为160fs，焊接速度为5mm／s，然后沿待焊焊缝对钛板1、铝板5进行焊接，冷却后，获得良好焊缝。经过抗拉强度测试，钛-铝板焊缝的抗拉强度可以达到180Mpa，可以达到基板铝板的抗拉强度的50%，比传统焊接方法得到的焊缝强度要稍好。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用飞秒激光焊接钛‑铝异种金属的方法，其特征在于，包括如下步骤：将钛、铝金属材料加工成待连接面完全相同的两个工件；对待连接工件进行预处理和精加工，使得待连接面的表面粗糙度Ra控制在0.08μm以下；采用夹具对精加工后的待连接工件进行固定并施加压力确保连接面无空隙；对透明材料进行预处理并制成盖板，然后将其环绕连接面固定在待连接工件的四周，确保连接面密闭在透明材料内；用飞秒激光对准待焊焊缝，沿焊缝对连接面进行焊接；焊接完成后，等待一段时间，直至待焊工件完全冷却至室温，再卸下盖板。

【技术特征摘要】
1.一种采用飞秒激光焊接钛-铝异种金属的方法，其特征在于，包括如下步骤：将钛、铝金属材料加工成待连接面完全相同的两个工件；对待连接工件进行预处理和精加工，使得待连接面的表面粗糙度Ra控制在0.08μm以下；采用夹具对精加工后的待连接工件进行固定并施加压力确保连接面无空隙；对透明材料进行预处理并制成盖板，然后将其环绕连接面固定在待连接工件的四周，确保连接面密闭在透明材料内；用飞秒激光对准待焊焊缝，沿焊缝对连接面进行焊接；焊接完成后，等待一段时间，直至待焊工件...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭勇，郭一蒙，王克鸿，周琦，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32