CN106077862A - 一种挤压成型的激光熔钎焊方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种挤压成型的激光熔钎焊方法，包括如下步骤：(1)在下焊块的待焊接位置预先铺置一钎料粉末条；(2)将上焊块的第一端放置在下焊块上并贴近钎料粉末条位置，上焊块与下焊块之间形成一夹角为0～60度的夹角空间；(3)激光束从所述夹角空间倾斜射入，使得激光束聚焦在钎料粉末条上，形成条状钎焊熔池；(4)使上焊块的第二端下压，推动条状钎焊熔池铺展在整个上焊块与下焊块之间的焊接面，且上焊块与下焊块完全贴合；(5)钎料凝固，形成焊接接头。本发明利用激光束熔化钎料形成条状钎焊熔池，通过挤压推动液态钎料铺展在待焊面上，有利于熔池中的气泡溢出，熔钎焊接头的冶金反应充分，熔钎焊接头工艺质量好，力学性能高。
Description
技术领域
本发明属于激光焊接领域，具体涉及一种挤压成型的激光熔钎焊方法。
背景技术
为了满足现代装备轻量化、高性能化、结构功能一体和低成本制造的发展要求，将不同特性材料组成各种复合结构必将得到越来越广泛的应用。例如，现代汽车、舰船结构设计和制造希望采用铝/钢复合结构，而现代飞机结构设计和制造则希望将钛合金和铝合金组合在一起。在电力电子和空调制冷等行业中，以铝代铜正成为一种趋势，铝/铜复合结构越来越受到关注，断路器触头的触点材料有两大类，一类是银基触点材料，一类是铜基触点材料，而触桥材料多采用铜基合金。新型陶瓷材料快速发展，应用日益广泛。但是陶瓷材料的可加工性能差、延性和冲击韧性低、耐热冲击能力弱以及制造尺寸大而形状复杂的零件较为困难等，因此通常需要与金属材料组成复合结构来应用。但是，不同材料的热物理性质往往存在很大差异，而且有些材料冶金相容性差，熔焊会产生大量金属间化合物，接头性能差，或者根本无法采用熔焊方法进行连接，因此通常采用钎焊和扩散焊等方法。
但是，传统钎焊和扩散焊一般需要对连接件进行整体加热，效率低、柔性差、能源浪费大，且连接件的尺寸大小受加热设备的限制，应用上存在很多局限性。利用激光能量、光斑大小和作用位置的精确可控性和异种合金熔点的差异，激光熔钎焊工艺技术近年来得到快速发展，为难焊异种材料的高效、优质连接提供了新的机遇。激光熔钎焊是利用两种母材熔点的差异，通过激光加热使低熔点母材局部熔化，而高熔点母材基本维持固态，熔化的低熔点母材浸润高熔点母材界面并发生冶金反应从而实现材料的永久连接，亦即在低熔点母材一侧为熔化焊，而在高熔点母材一侧为钎焊。然而，目前的传统钎焊技术仍然存在以下一些缺点：1)液态钎料流动不均匀，形成的钎缝厚度不均，进而导致接头不同区域的力学、电学性质不均匀；2)钎料一般都是由多种合金组成，钎料自身电阻高、热导率低、熔点低，钎焊界面容易成了薄弱地带；3)由于钎料冶金过程不完全，钎缝易出现气泡、夹杂等缺陷。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种能够显著提高钎焊焊缝质量的挤压成型激光熔钎焊方法。
本发明是通过如下技术方案实现的：
一种挤压成型的激光熔钎焊方法，包括如下步骤：
(1)在下焊块的待焊接位置预先铺置一钎料粉末条，所述钎料粉末条呈长条状；
(2)将上焊块的第一端放置在下焊块上并贴近钎料粉末条位置，第二端与下焊块保持距离，即上焊块与下焊块之间形成一夹角为0～60度的夹角空间；
以上焊块与下焊块的交线为Y轴，以上焊块与下焊块交线的一个端点为原点，在下焊块的上表面建立XOY直角坐标系；
所述钎料粉末条沿Y轴方向的长度L与上焊块沿Y轴方向的长度L’相等，所述钎料粉末条沿X轴方向的宽度W与厚度H根据上焊块沿X轴方向的宽度W’确定，要求钎料粉末条的钎料熔化后的液态体积大于钎焊焊接接头过渡层体积，所述钎焊焊接接头过渡层体积＝上焊块待焊接面积×0.5mm～5mm；
(3)激光束从所述夹角空间倾斜射入，使得激光束聚焦在钎料粉末条上，若钎料粉末条的长度L大于激光束聚焦光斑直径，则沿Y轴方向快速扫描钎料粉末条，使得钎料粉末条全部发生熔化，形成条状钎焊熔池；
(4)使上焊块的第二端下压，即绕第一端旋转，使上焊块与下焊块之间夹角减小，上焊块挤压条状钎焊熔池，推动液态钎料均匀向前铺展在下焊块表面，同时控制激光束沿着X轴方向前进，即让激光束始终照射在向前铺展运动的条状钎焊熔池前端位置；随着上焊块的第二端下压操作与激光束的扫描移动操作同时进行，最终将推动条状钎焊熔池铺展在整个上焊块与下焊块之间的焊接面，且上焊块与下焊块完全贴合；
(5)关闭激光，并对上焊块施加垂直于焊接面的压力，失去聚焦激光束照射的位置迅速降温，发生钎料凝固，形成焊接接头。
优选的，上焊块的第一端还设置有一用于防止上焊块的第一端位置发生变化的止推块。
优选的，步骤(3)中还可以调节激光束的功率，使得激光束聚焦光斑照射下的下焊块的表面也发生薄层熔化。
优选的，若钎料粉末条的长度大于激光束聚焦光斑直径，步骤(4)中在控制激光束沿着X轴方向前进的同时，还要控制激光束沿Y轴方向快速扫描，使得激光束聚焦光斑辐照覆盖条状钎焊熔池的整个前端位置。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明利用激光束熔化钎料形成条状钎焊熔池，通过挤压推动液态钎料铺展在待焊面上，这种钎焊过程的精细操作使得液态钎料铺展均匀，有利于熔池中的气泡溢出，解决熔钎焊容易产生的气孔缺陷。
2、本发明利用激光束熔化钎料，钎焊熔池温度高，并使得激光照射待焊件表面发生薄层熔化，液态钎焊熔池进行了强制推动，熔池搅拌作用强，使得熔钎焊接头的冶金反应充分，熔钎焊接头工艺质量好，力学性能高。
3、本发明的激光束聚焦光斑小、加热升温极为快速，能量分布精密可控，使得其特别适合于异种材料的精密熔钎焊，焊接速度快，容易实现自动化。
4、本发明利用激光作为热源加热钎料，无须电阻钎焊等传统方法必须定制的电极头，对材料本身也没有限制，金属导体、半导体、绝缘体等均可以适用，即工艺和材料的适用性更广，生产成本低，柔性化程度高。
附图说明
图1为钎料粉末条的铺置示意图；
图2为上焊块的位置示意图；
图3为上焊块与下焊块的俯视图；
图4为激光束照射示意图；
图5为焊接接头示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供了一种挤压成型的激光熔钎焊方法，包括如下步骤：
(1)如图1所示，在下焊块1(母材)的待焊接位置预先铺置一钎料粉末条2，所述钎料粉末条2呈长条状；
(2)如图2所示，将上焊块3的第一端放置在下焊块1上并贴近钎料粉末条2位置，第二端与下焊块1保持距离，即上焊块3与下焊块1之间形成一夹角为0～60度的夹角空间；
如图3所示，以上焊块3与下焊块1的交线为Y轴，以上焊块3与下焊块1交线的一个端点为原点，在下焊块1的上表面建立XOY直角坐标系；
所述钎料粉末条2沿Y轴方向的长度L与上焊块3沿Y轴方向的长度L’相等，所述钎料粉末条2沿X轴方向的宽度W与厚度H根据上焊块3沿X轴方向的宽度W’确定，要求钎料粉末条2的钎料熔化后的液态体积大于钎焊焊接接头过渡层体积，所述钎焊焊接接头过渡层体积＝上焊块待焊接面积×0.5mm～5mm。
优选的，还可以在上焊块3的第一端设置一止推块，防止上焊块3的第一端位置发生变化。
(3)如图4所示，激光束4从所述夹角空间倾斜射入，使得激光束4聚焦在钎料粉末条2上，若钎料粉末条2的长度L大于激光束聚焦光斑直径，则沿Y轴方向快速扫描钎料粉末条2，使得钎料粉末条2全部发生熔化，形成条状钎焊熔池；
优选的，可以调节激光束4的功率，使得激光束聚焦光斑照射下的下焊块1的表面也发生薄层熔化；
(4)使上焊块3的第二端下压，即绕第一端旋转，使上焊块3与下焊块1之间夹角减小，上焊块3挤压条状钎焊熔池，推动液态钎料均匀向前铺展在下焊块1表面，同时控制激光束4沿着焊缝方向(X轴方向)前进，即让激光束始终照射在向前铺展运动的条状钎焊熔池前端位置(若钎料粉末条2的长度大于激光束聚焦光斑直径，则同时沿L方向(Y轴方向)快速扫描，使得激光束聚焦光斑辐照覆盖条状钎焊熔池的整个前端位置)；随着上焊块3的第二端下压操作与激光束的扫描移动操作同时进行，最终将推动条状钎焊熔池铺展在整个上焊块3与下焊块1之间的焊接面，且上焊块3与下焊块1完全贴合(夹角为0)；
(5)关闭激光，并对上焊块3施加垂直于焊接面的压力，失去聚焦激光束照射的位置迅速降温，发生钎料凝固，形成焊接接头，如图5所示。
本发明可改变为多种方式对本领域的技术人员是显而易见的，这样的改变不认为脱离本发明的范围。所有这样的对所述领域的技术人员显而易见的修改，将包括在本权利要求的范围之内。
Claims (4)
1.一种挤压成型的激光熔钎焊方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)在下焊块(1)的待焊接位置预先铺置一钎料粉末条(2)，所述钎料粉末条(2)呈长条状；
(2)将上焊块(3)的第一端放置在下焊块(1)上并贴近钎料粉末条(2)位置，第二端与下焊块(1)保持距离，即上焊块(3)与下焊块(1)之间形成一夹角为0～60度的夹角空间；
以上焊块(3)与下焊块(1)的交线为Y轴，以上焊块(3)与下焊块(1)交线的一个端点为原点，在下焊块(1)的上表面建立XOY直角坐标系；
所述钎料粉末条(2)沿Y轴方向的长度L与上焊块(3)沿Y轴方向的长度L’相等，所述钎料粉末条(2)沿X轴方向的宽度W与厚度H根据上焊块(3)沿X轴方向的宽度W’确定，要求钎料粉末条(2)的钎料熔化后的液态体积大于钎焊焊接接头过渡层体积，所述钎焊焊接接头过渡层体积＝上焊块待焊接面积×0.5mm～5mm；
(3)激光束(4)从所述夹角空间倾斜射入，使得激光束(4)聚焦在钎料粉末条(2)上，若钎料粉末条(2)的长度L大于激光束聚焦光斑直径，则沿Y轴方向快速扫描钎料粉末条(2)，使得钎料粉末条(2)全部发生熔化，形成条状钎焊熔池；
(4)使上焊块(3)的第二端下压，即绕第一端旋转，使上焊块(3)与下焊块(1)之间夹角减小，上焊块(3)挤压条状钎焊熔池，推动液态钎料均匀向前铺展在下焊块(1)表面，同时控制激光束(4)沿着X轴方向前进，即让激光束始终照射在向前铺展运动的条状钎焊熔池前端位置；随着上焊块(3)的第二端下压操作与激光束的扫描移动操作同时进行，最终将推动条状钎焊熔池铺展在整个上焊块(3)与下焊块(1)之间的焊接面，且上焊块(3)与下焊块(1)完全贴合；
(5)关闭激光，并对上焊块(3)施加垂直于焊接面的压力，失去聚焦激光束照射的位置迅速降温，发生钎料凝固，形成焊接接头。
2.根据权利要求1所述的挤压成型的激光熔钎焊方法，其特征在于，上焊块(3)的第一端还设置有一用于防止上焊块(3)的第一端位置发生变化的止推块。
3.根据权利要求1所述的挤压成型的激光熔钎焊方法，其特征在于，步骤(3)中还可以调节激光束(4)的功率，使得激光束聚焦光斑照射下的下焊块(1)的表面也发生薄层熔化。
4.根据权利要求1所述的挤压成型的激光熔钎焊方法，其特征在于，若钎料粉末条(2)的长度大于激光束聚焦光斑直径，步骤(4)中在控制激光束(4)沿着X轴方向前进的同时，还要控制激光束(4)沿Y轴方向快速扫描，使得激光束聚焦光斑辐照覆盖条状钎焊熔池的整个前端位置。
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