TWI406731B - 鋯基塊體非晶合金雷射焊接方法及焊接結構 - Google Patents
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Description
本發明涉及一種鋯基塊體非晶合金之雷射焊接方法及採用該雷射焊接方法之焊接結構。
塊體非晶合金以其高之強度、韌性、耐磨性、耐蝕性、優良之軟磁性及超導特性等特點，於電子、機械、化工等行業得到廣泛應用。鋯基塊體非晶合金係塊體非晶合金中應用較廣泛之一種。由於鋯基塊體非晶合金具有良好之玻璃成型能力及較寬之過冷液相區，故能夠利用簡易設備製備出品質很好之塊體非晶合金。由於鋯基塊體非晶合金材料具有較高之強度，目前高爾夫球桿及航太用太陽風收集器等產品已經採用由鋯基塊體非晶合材料製成之相關關鍵部件。
製造結構比較複雜之鋯基非晶合金產品時，通常需要先製造出各零部件，然後再將各零部件焊接起來。目前，鋯基塊體非晶合金一般採用電子束焊接、摩擦焊接及雷射焊接。然，採用一般雷射焊接方法時，焊接區域容易被晶化，從而喪失非晶合金獨特之性能。另，鋯基塊體非晶合金焊接件之厚度一般於2毫米至100毫米之間，其焊接部之厚度與本體之厚度相同，焊接件焊接於基材後
之推拉載荷遠小於20kg，難以滿足鋯基非晶合金產品於使用時之焊接強度要求。
鑒於上述情況，有必要提供一種使鋯基塊體非晶合金焊接後保持非晶態且焊接強度高之雷射焊接方法及採用該雷射焊接方法之焊接結構。
一種雷射焊接方法，其包括如下步驟：提供基材及焊接件，該基材及該焊接件均由鋯基塊體非晶合金製成，該基材包括焊接部，該焊接部之厚度為0.46毫米至1.66毫米；採用脈衝雷射將該焊接件之焊接部於冷卻保護氣體之條件下焊接於該基材上，其中脈衝雷射峰值功率至少為3.5千瓦，焊接速率大於2毫米/秒。
一種焊接結構，包括基材及採用脈衝雷射焊接於該基材上之焊接件，該基材及該焊接件均由鋯基塊體非晶材料製成，該焊接件包括一焊接部，該焊接部之厚度為0.46毫米至1.66毫米，該焊接部與該基材之焊接區域保持非晶態。
上述雷射焊接方法採用脈衝雷射，其每一脈衝之間留有短暫間隔時間，利於焊接區域散熱冷卻；並且採用雷射峰值功率至少為3.5千瓦，以大於2毫米/秒之焊接速率進行焊接時，焊接區域之熱影響區之緩冷階段溫度小於非晶合金玻態轉變溫度，使焊接區域仍然保持非晶態。另，焊接件之焊接部厚度為0.46毫米至1.66毫米範圍時，使焊接區域之熔深較大，從而使焊接結構之推拉載荷大於20kg，滿足焊接強度要求。
11‧‧‧本體
13‧‧‧焊接部
15‧‧‧焊接區域
20‧‧‧基材
100‧‧‧焊接結構
圖1係本發明實施方式之焊接結構之立體示意圖。
圖2為本發明之雷射焊接方法實施例五中焊接結構之焊接區域之圖片。
圖3為本發明之雷射焊接方法實施例五中焊接結構之焊接區域之X射線衍射圖片。
圖4為本發明之雷射焊接方法實施例六中焊接結構之焊接區域之圖片。
圖5為本發明之雷射焊接方法實施例六中焊接結構之焊接區域之X射線衍射圖片。
圖6為本發明之雷射焊接方法實施例七中焊接結構之焊接區域之圖片。
圖7為本發明之雷射焊接方法實施例七中焊接結構之焊接區域之X射線衍射圖片。
圖8為本發明之雷射焊接方法實施例八中焊接結構之焊接區域之圖片。
圖9為本發明之雷射焊接方法實施例八中焊接結構之焊接區域之X射線衍射圖片。
圖10為本發明之雷射焊接方法中焊接件之焊接部之厚度與推拉載荷測試關係圖。
下面將結合附圖及實施方式對本發明之鋯基塊體非晶合金之雷射
焊接方法及採用該雷射焊接方法之焊接結構作進一步之詳細說明。
請參閱圖1，本發明實施方式之焊接結構100包括焊接件10及基材20。焊接件10包括本體11及設於本體11一端之焊接部13。焊接件10之焊接部13之厚度小於本體11之厚度。具體於本實施方式中，焊接部13之厚度為0.46毫米至1.66毫米，且其焊接強度隨焊接部之厚度增大而先增大後減小。焊接部13與基材20之一端採用脈衝雷射焊接起來。焊接部13與基材20之間存於一焊接區域15。焊接區域15於焊接後仍然保持非晶態。焊接件10及基材20之材質為鋯-銅-鋁-鎳系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈦系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈮系合金、鋯-銅-鎳-鈦-鈹系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈹系合金及鋯-銅-鋁-鈦-鈹系合金等鋯基塊體非晶合金。
本發明實施方式之鋯基塊體非晶合金之雷射焊接方法包括如下步驟：提供一焊接件10及一基材20，焊接件10及基材20均由鋯基塊體非晶合金製成，焊接件10包括一焊接部13，焊接部13之厚度為0.46毫米至1.66毫米；採用脈衝雷射將焊接件10之焊接部13於冷卻保護氣體之條件下焊接於基材20上，其中脈衝雷射峰值功率至少為3.5千瓦，焊接速率為2毫米/秒以上。冷卻保護氣體為焊接工藝中常用之氬氣、氦氣及氮氣等冷卻氣體。
下面係本發明之鋯基塊體非晶合金之雷射焊接方法之具體實施例。
焊接件10及基材20之材質均為鋯-銅-鎳-鈮-鋁系合金，其中焊接件10之焊接部13之厚度為0.46毫米；採用雷射峰值功率為3.5千瓦之雷射，以3.5毫米/秒之焊接速率，將焊接件10之焊接部13焊接於基材20之一端。焊接後，焊接區域15仍然保持非晶態，焊接強度較高。對焊接結構100進行推拉實驗測試，其最大推拉載荷為25.15千克。
焊接件10及基材20之材質均為鋯-銅-鎳-鈮-鋁系合金，其中焊接件10之焊接部13之厚度為0.86毫米；採用雷射峰值功率為3.5千瓦之雷射，以3.5毫米/秒之焊接速率，將焊接件10之焊接部13焊接於基材20之一端。焊接後，焊接區域15仍然保持非晶態，焊接強度較高。對焊接結構100進行推拉實驗測試，其最大推拉載荷為31.53千克。
焊接件10及基材20之材質均為鋯-銅-鎳-鈮-鋁系合金，其中焊接
件10之焊接部13之厚度為1.26毫米；採用雷射峰值功率為3.5千瓦之雷射，以3.5毫米/秒之焊接速率，將焊接件10之焊接部13焊接於基材20之一端。焊接後，焊接區域15仍然保持非晶態，焊接強度較高。對焊接結構100進行推拉實驗測試，其最大推拉載荷為75.22千克。
焊接件10及基材20之材質均為鋯-銅-鎳-鈮-鋁系合金，其中焊接
件10之焊接部13之厚度為1.66毫米；採用雷射峰值功率為3.5千瓦之雷射，以3.5毫米/秒之焊接速率，將焊接件10之焊接部13焊接於基材20之一端。焊接後，焊接區域15仍然保持非晶態，焊接強度較高。對焊接結構100進行推拉實驗測試，其最大推拉載荷為20.77千克。
焊接件10及基材20之材質均為鋯-銅-鎳-鈮-鋁系合金，其中焊接件10之焊接部13之厚度為0.86毫米；採用雷射峰值功率為3千瓦之雷射，以2毫米/秒之焊接速率，將焊接件10之焊接部13焊接於基材20之一端。請參閱圖2，焊接區域15均勻性不好，且表面局部有氧化跡象。請參閱圖3，對焊接區域15進行X射線衍射測試，圖中橫軸為衍射角度，縱軸為衍射波之強度。從圖3可知：焊接區域15之衍射圖樣存在二衍射峰，故說明焊接區域15部分被晶化。
焊接件10及基材20之材質均為鋯-銅-鎳-鈮-鋁系合金，其中焊接件10之焊接部13之厚度為0.86毫米；採用雷射峰值功率為3.5千瓦之雷射，以3.5毫米/秒之焊接速率，將焊接件10之焊接部13焊接於基材20之一端。請參閱圖4，焊接區域15均勻性較好，表面無氧化跡象。請參閱圖5，對焊接區域15進行X射線衍射測試，圖中橫軸為衍射角度，縱軸為衍射波之強度。從圖5可知：焊接區域15之衍射圖樣無明顯衍射峰，全部為漫散峰，故說明焊接區域
15沒有被晶化。
焊接件10及基材20之材質均為鋯-銅-鎳-鈮-鋁系合金，其中焊接件10之焊接部13之厚度為0.86毫米；採用雷射峰值功率為3.9千瓦之雷射，以6毫米/秒之焊接速率，將焊接件10之焊接部13焊接於基材20之一端。請參閱圖6，焊接區域15均勻性較好、層次清晰，表面無氧化跡象。請參閱圖7，對焊接區域15進行X射線衍射測試，圖中橫軸為衍射角度，縱軸為衍射波之強度。從圖7可知：焊接區域15之衍射圖樣無明顯衍射峰，全部為漫散峰，故說明焊接區域15部分沒有被晶化。
焊接件10及基材20之材質均為鋯-銅-鎳-鈮-鋁系合金，其中焊接件10之焊接部13之厚度為0.86毫米；採用雷射峰值功率為4.3千瓦之雷射，以9.5毫米/秒之焊接速率，將焊接件10之焊接部13焊接於基材20之一端。請參閱圖8，焊接區域15均勻性較好、層次清晰，表面無氧化跡象。請參閱圖9，對焊接區域15進行X射線衍射測試，圖中橫軸為衍射角度，縱軸為衍射波之強度。從圖9可知：焊接區域15之衍射圖樣無明顯衍射峰，全部為漫散峰，故說明焊接區域15部分沒有被晶化。
請參閱圖10，對不同厚度之焊接部13之焊接強度進行推拉載荷測試，圖中橫軸為焊接部厚度，單位為毫米，縱軸為推拉載荷，單位為千克，例如上述實施例五、六、七及八，其部分實驗結果如
表1。大量實驗資料表明：焊接部13之厚度於0.46毫米至1.66毫米範圍內逐漸增大時，焊接結構100之焊接強度隨焊接部13之厚度增大而先增大後減小。
作為上述鋯基塊體非晶合金之雷射焊接方法進一步改進，可參照焊接結構100之實際焊接強度需要，而根據焊接部13之厚度與焊接強度之間之變化關係選擇焊接件10之焊接部13之厚度，從而提高焊接結構100之焊接精度。
本發明之鋯基塊體非晶合金之雷射焊接方法採用脈衝雷射，其每一脈衝之間留有短暫間隔時間，利於焊接區域15散熱冷卻；並採用雷射峰值功率至少為3.5千瓦，以大於2毫米/秒之焊接速率進行焊接時，焊接區域15之熱影響區之緩冷階段溫度小於非晶合金玻態轉變溫度，使焊接結構100之焊接區域15仍然保持非晶態。
另，焊接件10之焊接部13厚度小於本體11之厚度，其為0.46毫米至1.66毫米範圍時，使焊接區域15之熔深較大，從而使焊接結構100之推拉載荷大於20kg，滿足使用時之焊接強度要求。
可理解，焊接件10之焊接部13之厚度也可大於或等於焊接件10本體11之厚度。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施方式，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡熟悉本案技藝之人士爰依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
11‧‧‧本體
13‧‧‧焊接部
15‧‧‧焊接區域
20‧‧‧基材
100‧‧‧焊接結構
Claims (10)
- 一種鋯基塊體非晶合金之雷射焊接方法，其包括如下步驟：提供基材及焊接件，該基材及該焊接件均由鋯基塊體非晶合金製成，該焊接件包括焊接部，該焊接部之厚度為0.46毫米至1.66毫米；採用脈衝雷射將該焊接件之焊接部於冷卻保護氣體之條件下焊接於該基材上，其中脈衝雷射峰值功率至少為3.5千瓦，焊接速率大於2毫米/秒。
- 如申請專利範圍第1項所述之雷射焊接方法，其中該鋯基塊體非晶合金選自鋯-銅-鋁-鎳系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈦系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈮系合金、鋯-銅-鎳-鈦-鈹系合金、鋯-銅-鋁-鎳-鈹系合金及鋯-銅-鋁-鈦-鈹系合金中之一種。
- 如申請專利範圍第1項所述之雷射焊接方法，其中該焊接速率為3.5毫米/秒至9.5毫米/秒。
- 如申請專利範圍第1項所述之雷射焊接方法，其中該焊接部之厚度為0.86毫米至1.26毫米。
- 如申請專利範圍第1項所述之雷射焊接方法，其中該脈衝雷射峰值功率為3.5千瓦至4.3千瓦。
- 如申請專利範圍第1項所述之雷射焊接方法，其中該冷卻保護氣體為氦氣、氬氣及氮氣中之一種。
- 如申請專利範圍第1項所述之雷射焊接方法，其中該焊接部之厚度於0.46毫米至1.66毫米範圍內逐漸增大時，該焊接部之焊接強 度先增大後減小，可根據焊接部之厚度與焊接強度之間之變化關係選擇該焊接部之厚度。
- 一種焊接結構，包括基材及採用脈衝雷射焊接於項所述之基材上之焊接件，該基材及該焊接件均由鋯基塊體非晶材料製成，其中：該焊接件包括一焊接部，該焊接部之厚度為0.46毫米至1.66毫米，該焊接部與該基材之焊接區域保持非晶態。
- 如申請專利範圍第8項所述之焊接結構，其中該焊接部之厚度為0.86毫米至1.26毫米。
- 如申請專利範圍第8項所述之焊接結構，其中該焊接結構之推拉載荷為20.77千克至83.51千克。
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