基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法技术

本发明专利技术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

【技术实现步骤摘要】
基于高熵合金中间层铝/钢异种金属双光束激光焊接方法


[0001]本专利技术涉及异种材料焊接
，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。

技术介绍

[0002]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
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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。
[0003]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。
[0004]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。

技术实现思路

[0005]本专利技术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。本专利技术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
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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。
[0006]本专利技术以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。
[0007]本专利技术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。
[0008]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
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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。
[0009]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。
[0010]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。
[0011]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。
[0012]本专利技术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
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高熵合金金属片(3)
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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
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5mm~+5mm；焊接保护气为99.99%的高纯氩气，施加在焊本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一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，其特征在于：采用高熵合金金属片（3）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（3）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，即采用两束激光束的光斑在钢板（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。2.根据权利要求1所述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，其特征在于：所述的双光束激光焊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）的两光斑之间预留距离d1，调节两光斑之间的距离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
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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...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷晓鹏，周贺，徐国成，董娟，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：