[发明专利]实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种激光焊接方法，尤其是一种金属薄板的激光焊接方法，具体地说是一种利用反射垫板将激光全熔透穿透金属薄板瞬间的激光反射回焊接区、从而对焊接区进行二次加热、进而实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法。

背景技术

激光焊接具有成形质量好、热影响区小、工件变形量小、后续加工量少、灵活性高等优点，非常适用于金属薄板的焊接成形。激光焊接根据焊接的热传导机理的不同大致可分为激光热导焊和激光深熔焊两种。当激光热输入超过一定阈值后，焊接模式由热导焊向具有“小孔效应”的深熔焊转变，从而实现金属薄板的全熔透焊接。在金属薄板激光深熔焊全熔透条件下，当激光热输入较低时，薄板焊接成形形貌呈钉头形（V形），即激光直接作用的薄板正面焊缝较宽而背面焊缝较窄；当激光热输入足够大时，则出现具有单面焊接双面成形的沙漏形（X形）焊缝，即薄板正面和背面的焊缝宽度大致相当。显然，沙漏形（X形）焊缝要较钉头形（V形）焊缝具有更好的力学性能。然而，在金属薄板激光深熔焊全熔透条件下，要获得沙漏形（X形）焊缝则需要较大的热输入。但是，对于金属薄板焊接，较大的热输入将会引起金属薄板热变形增大和热影响区变宽等不利影响，极大地影响到金属薄板焊接成形品质。

在金属薄板激光深熔焊焊接成形过程中，基于控制薄板焊接变形及减小热影响区等的考虑，当热输入量达到能实现金属薄板全穿透时即薄板焊接成形形貌呈钉头形（V形），即可认为此时激光焊接工艺参数较优，因其焊接热变形和热影响区小，故通常将此种状态定义为低热输入。事实上，当激光实现全穿透金属薄板的瞬间，激光束会进入金属薄板下部的气体（激光焊接过程中若有保护气体则为保护气体，若无则为空气）介质中。众所周知，激光属于高能束流且在焊接过程中作用在一点的时间极短。换言之，激光实现全穿透金属薄板瞬间内进入气体介质中的能量占激光器整体输出能量的比重较大，若此部分激光能量能够被有效利用，则可望在低热输入状态下获得具有更好力学性能的沙漏形（X形）焊缝，进而兼顾焊缝的力学性能和控制薄板的热变形及热影响区。

据申请人所知，到目前为止，尚未有一种在低热输入条件下实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法可供使用，即在低热输入下使薄板激光深熔焊全熔透成形形貌为几何对称度好的沙漏形（X形），在一定程度上限制了激光深熔焊技术在金属薄板焊接领域的应用。

发明内容

本发明的目的是针对“目前尚未有一种在低热输入条件下实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法可供使用，而基于控制金属薄板焊接变形及减小热影响区等的考虑，造成金属薄板低热输入激光深熔焊焊接成形形貌为成形不够理想的钉头形（V形），制约了激光深熔焊技术在金属薄板焊接领域应用”的问题，发明一种实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法。

本发明的技术方案是：

一种实现金属薄板单面焊接双面成形的高效激光深熔焊方法，其特征是：在激光施焊金属薄板的背面增设反射垫板，以利用反射垫板将激光全熔透穿透金属薄板瞬间的激光反射回焊接区，从而对焊接区进行二次加热进而实现单面焊接获得双面成形的沙漏形（X形）焊缝，如图1所示。

其主要步骤为：

步骤1：清洁待焊接表面。该过程包括：首先，用碱性溶液除去金属薄板待焊接表面的油污，烘干后用砂纸打磨待焊接表面以去除表面氧化层；然后，用酸性溶液对打磨后的金属薄板进行酸洗；最后，再用无水乙醇对其进行超声波清洗，清洗后的金属薄板烘干待用。

步骤2：固定反射垫板。该过程包括：首先，选择对激光具有反射作用的金属板，将其切割成形状及尺寸能够包容整个焊接区的反射垫板；然后，在激光施焊金属薄板的背面固定反射垫板，固定后的反射垫板需能够包容整个焊接区，且固定后的反射垫板与金属薄板之间的间隙为0.05~0.25mm。

步骤3：激光焊接金属薄板。该过程包括：首先，将已固定好反射垫板的激光施焊金属薄板正面朝上固定在激光焊接平台上；然后，根据金属薄板材质和厚度选择合适的激光焊接工艺参数进行激光单面焊接即可。

所述碱性溶液为5%~10%NaOH+余量酒精（或丙酮）溶液，酸性溶液以每升计，由30-40ml氢氟酸、300ml硝酸和余量的去离子水混合而成。

所述反射垫板最好为铝合金板，且使用前需清洁表面油污等污染物。

所述激光焊接，可以是填材激光焊接或无填材激光焊接，其中填材激光焊接中填充材料时可以采用预置粉末法也可以采用同步送粉或同步送丝法。

所述预置粉末法可以采用粘结预置法也可以采用压片预置法。