一种异种金属激光熔覆焊接装置及方法与流程

1.本发明涉及一种焊接装置及方法，尤其涉及一种异种金属激光熔覆焊接装置及方法。


背景技术：

2.随着经济发展和技术革新的进一步需求，新材料，新结构，新工艺不断推陈出新。异种金属结构件能够满足不同部位的性能要求，尤其是对腐蚀，磨损，强度等性能有特殊需求的位置。除此之外，异种金属焊接时也能够采用廉价金属替代部分贵重或稀有金属，节约生产成本。然而，异种金属焊接后，其性能及组织具有较大差异。对于容易形成金属间化合物的异种金属，如铝合金/钢，钛合金/钢，焊后易形成大量种类繁多脆性相，影响接头力学性能；而对于不反应难固溶的异种金属，如镁合金/钢，镁合金/钛合金，焊后难以实现冶金连接，无连接介质。目前常用的方法是添加合金元素，对于易形成金属间化合物的异种金属，部分合金元素的加入能够抑制脆性金属间化合物的形成或提高金属间化合物的塑韧性，而对于不反应难固溶的异种金属，部分合金元素的加入能够促进界面反应，实现冶金连接。


技术实现要素：

3.发明目的：本发明的目的是提供一种能提高界面层塑韧性的异种金属激光熔覆焊接装置；
4.本发明的第二个目的是提供一种利用上述异种金属激光熔覆焊接装置进行焊接的方法。
5.技术方案：本发明的异种金属激光熔覆焊接装置，包括：
6.对粉末粒径进行筛选的筛粉装置；
7.向工件表面输送粉末的送粉装置；用于向送粉装置内提供保护气氛的气源；
8.向工件表面提供热量使得合金粉末与工件表面发生反应的熔覆装置；
9.其中，所述送粉装置的输送通道与熔覆装置的相对位置固定；
10.控制系统；分别与筛粉装置、送粉装置、熔覆装置连接。
11.其中，所述熔覆装置与工件表面的夹角为60～90
°
。
12.其中，所述熔覆装置提供的热源为激光或激光与电弧的复合热源。
13.其中，所述送粉装置的两侧设有通气孔。
14.其中，所述送粉装置与熔覆装置同轴。当热源为激光时，所述熔覆装置包括激光器、将激光器的激光头与送粉装置固定住的机械手臂，所述激光头与送粉装置同轴。
15.其中，所述送粉装置与激光头垂直间距可调，便于调整激光功率和离焦量。
16.其中，所述筛粉装置与送粉装置连接的管路上设有固体流量计；所述送粉装置设有进粉口；进粉口的数量优选为四个。
17.所述气源包括气瓶，气瓶与送粉装置连接的管路上设有气体流量计；所述气体流
量计、固体流量计以及粉末粒径范围选取通过控制系统调控；具体的，可在控制系统内通过输入参数来调控。
18.一种利用上述异种金属激光熔覆焊接装置进行焊接的方法，包括以下步骤：
19.(a)对异种金属板材预处理，将异种金属板材以搭接的方式放置；
20.(b)将金属粉末粒径放入筛粉装置内筛选粒径；
21.(c)控制送粉装置将筛选后的金属粉末输送至上部的金属板材表面，同时，熔覆装置向上部的金属板材表面提供热量，进行焊接。
22.其中，所述异种金属为钛合金/钢、铝合金/钢或镁合金/钢；
23.当所述异种金属为铝合金/钢或钛合金/钢，搭接焊时钢在上部，铝合金、钛合金在下部，焊接热源直接作用于上部金属；
24.当所述异种金属为镁合金/钢，搭接焊时镁合金在上部，钢在下部。
25.其中，步骤(a)中，以搭接的方式放置时，异种金属之间重叠的宽度范围为10～20mm；步骤(c)中，熔覆装置向异种金属板材上板与下板重叠宽度范围内提供热量。
26.其中，步骤(c)中，送粉速率为0～50g/min，不包括0；焊接速度为7～15mm/s。
27.通过控制上部金属熔池中的金属粉末加入量，并调节焊接热输入，能够调控异种金属界面连接处相的种类、厚度及数量，降低铝合金/钢和钛合金/钢中异种金属的脆性相形成趋势，促进合金元素与金属粉末反应。
28.所述金属粉末为纯金属粉末、二元合金或多元合金；其中，多元合金包括等原子比的中熵合金或高熵合金、不等原子比的多元合金；金属粉末经送粉装置直喷上部金属板材表面，在激光作用下，熔化的粉末与上部熔化的金属搅拌混合，与此同时，下部的金属也开始熔化，并进入到熔化的粉末与上部熔化的金属组成的熔池当中，形成上部金属、下部金属与金属粉末的合金元素混合区；
29.当金属粉末为中熵合金粉末时，其成分为cocrni，其原子百分比分别为，co：25％～45％，cr：25％～45％，ni：25％～45％。中熵合金元素优先与试板合金元素反应，减少脆性相形成，并且中熵合金元素进入界面层，促使界面层化合物性能提升。
30.其中，步骤(1)中，采用砂纸对待焊接的金属板材表面进行打磨，然后采用5％的硫酸水溶液对金属板材表面进行酸洗，去除氧化皮，获得表面齐整、干净的金属板材。
31.其中，步骤(2)中，选取粒径范围在45～105μm的金属粉末。
32.其中，当热源为激光时，激光功率设置为1500～3000w，焊接速度为7～15mm/s，激光离焦量为 2～10mm。
33.其中，步骤(3)中，熔覆焊接时，向送粉装置内提供保护气体，保护表面焊接质量，保护气体速率可调；保护气体通过送粉装置直喷金属试板表面，起到保护焊缝表面质量的效果，采用的保护气体优选为纯氩气，气体流量为10～30l/min。
34.工作原理：本发明异种金属焊接时采用搭接焊的方式，金属粉末直接落入上部工件的表面，在热源的作用下，熔化的金属粉末进入上部工件，在热源的搅拌作用下，金属元素与下部工件的合金元素发生反应，形成连接界面；焊接过程中，通过控制下部金属的熔化量以及金属粉末熔入量，实现异种金属成形及性能的调控。
35.本发明采用搭接焊的方式，对于易反应的异种金属，对接焊时产生大量金属间化合物，合金粉末作用不明显，焊后接头成形差，易开裂，因此通过采用搭接焊的方法，控制合
金粉末进入熔池中的含量以及控制下部金属的熔化量，实现界面层塑韧性提高的目的。
36.有益效果：本发明与现有技术相比，取得如下显著效果：1、采用热源熔化金属粉末，使熔化的金属粉末进入搭接焊上部金属试板，通过控制上部金属熔池中金属粉末加入量，调节焊接热输入，替代或减少铝合金/钢和钛合金/钢中异种金属的反应，促进镁合金/钢中合金元素与金属粉末反应，有利于焊缝力学性能的提升；2、调控异种金属界面连接处相的种类、厚度及数量，进一步拓展了异种金属连接结构；3、焊接方法简单，便于批量生产。
附图说明
37.图1为本发明装置结构示意图；
38.图2为本发明的焊接后试样的扫描图。
具体实施方式
39.下面结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。
40.如图1所示，本发明提供的异种金属激光熔覆焊接装置，包括：储粉装置1；筛粉装置2，用于对金属粉末粒径进行筛选，储粉装置1的出口与筛粉装置2的进口连接；送粉装置5，用于向试板表面输送金属粉末，筛粉装置2的出口与送粉装置5的进口连接，送粉装置5进口的数量优选为四个；筛粉装置2与送粉装置5连接的管路上设有固体流量计3；送粉装置5的两侧设有通气孔。
41.还包括用于向送粉装置5内提供保护气氛的气源；本实施例的气源包括气瓶9，气瓶9通过送粉装置上的进气口4与送粉装置连接，气瓶9与送粉装置5连接的管路上设有气体流量计8；气体流量计8、固体流量计3以及粉末粒径范围选取通过控制系统10调控；具体的，可在控制系统10内通过输入参数来调控。
42.还包括向工件表面提供热量使得金属粉末与工件表面发生反应的熔覆装置；熔覆装置与工件表面的夹角为60～90
°
。
43.熔覆装置提供的热源为激光或激光与电弧的复合热源。送粉装置5的输送通道与熔覆装置的相对位置固定，送粉装置5与熔覆装置同轴。本实施例的熔覆装置包括激光器11、将激光器11的激光头与送粉装置5固定住的机器人13，激光头与送粉装置5同轴。激光器11通过光纤12与控制器连接。本实施例的送粉装置5通过固定装置固定于激光器11上。为更好的表示机器人、激光器、送粉装置的连接结构，图1中虚线框内表示的为送粉装置与试板组合示意图。
44.本发明的送粉装置5与激光头垂直间距可调，便于调整激光功率和离焦量。
45.还包括控制系统10；分别与筛粉装置2、送粉装置5、熔覆装置连接。控制系统与电脑14连接，在电脑上14上可以设置焊接的各项参数，如送粉参数和激光焊参数。
46.利用上述异种金属激光熔覆焊接装置对钛合金/钢进行焊接的方法，包括以下步骤：
47.第一步、首先选择应用比较广泛的tc4钛合金薄板和汽车用dp800高强钢薄板作为异质金属连接试板，其厚度均为1.0mm；采用砂纸对两个试板表面进行打磨，然后采用5％的硫酸水溶液对试板表面进行酸洗，去除氧化皮，获得表面齐整、干净的试板7；
48.第二步、对钛合金/钢搭接焊：钢试板在上部，钛合金试板在下部，通过专用夹具固
定，钢和钛合金重叠宽度范围为15mm，该重叠范围可以为10～20mm；
49.第三步、使用筛粉装置2筛选合适粒径的中熵合金粉末，选取粒径范围约为60～90μm的中熵合金粉末，该粉末粒径可以为45～105μm，粉末送粉速率为30g/min，该速率可以为0～50g/min，送粉装置5处在激光头正下方，并与激光头同轴；
50.第四步、设置激光参数：激光功率为2000w，该功率可以为1500～3000w；焊接速度为8mm/s，该速度可以为7～15mm/s，激光离焦量为 5mm，该离焦量可以为 2～10mm，激光熔敷焊接保护气体为纯氩，气体流量为15l/min，该流量可以为10～30l/min；焊接过程中，激光垂直于钢试板上表面，激光作用于上部板材，作用位置为上部板材与下部板材重叠宽度范围内；
51.第五步、在送粉参数和激光焊参数设置好后，通过控制系统10进行钛合金/钢激光熔覆智能送中熵合金粉末搭接焊。
52.本发明利用中熵合金高强度、易与异种金属反应减少脆性相形成的特点，采用激光热源熔化中熵合金粉末，使熔化的粉末进入搭接焊上部金属，通过智能送粉装置5控制上部金属熔池中中熵合金加入量，调节焊接热输入，调控异种金属界面连接处相的种类、厚度及数量，替代或减少铝合金/钢和钛合金/钢中异种金属的反应，促进镁合金/钢中合金元素与中熵合金反应，有利于焊缝力学性能的提升，进一步拓展了异种金属连接结构。
53.图2为采用发明装置及方法获得的钛合金/钢搭接焊试样，可以看出，本发明获得了较好的接头，其接头剪切强度为160n/mm。