[发明专利]一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法

说明书

本发明属于激光焊接技术领域，涉及一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法。将超声振动引入到异质材料的激光焊接中，具体为：超声发生器产生的超声频率交流电，通过超声振子产生振动并放大振幅，最终由焊接材料将超声振动导入焊接熔池。通过超声振动在焊接熔池内产生特殊效应，对异质材料的激光焊接过程进行随动调控。与传统异质材料的激光焊接方法相比，使用本发明设计的超声辅助异质材料激光焊接装备能够有效抑制焊缝内未熔合区及脆性相的形成，并均化焊缝内元素分布，从而提高焊接接头的力学性能及抗腐蚀性能，同时，本发明装置无需改动激光加工系统，且其应用不受焊接材料尺寸限制。

技术领域

本发明属于激光焊接技术领域，涉及一种超声振动辅助异质材料激光焊接的方法。

背景技术

相对于传统焊接方法，激光焊接具有细化焊缝晶粒、降低焊接残余应力等优点，有利于提高焊缝组织及性能，保证焊接质量，近年来广泛应用于合金焊接领域。然而，在异质材料的激光焊接中，依然存在一些问题，如未熔合区、二次相及元素不均匀分布等现象的产生。其中，未熔合区是焊接接头抗腐蚀性能最薄弱位置，二次相的形成会导致焊接接头力学性能的下降，元素的不均匀分布会降低焊缝性能的一致性，而且，通过改变焊接参数无法有效地消除此类缺陷。超声振动能场作用于焊接熔池，由于其空化效应、声流效应、热效应以及机械效应等相应机制，能够对焊接过程中的熔池流动以及凝固行为起到有效的干预，因此可用于抑制上述缺陷的形成。

相关论文及专利中已有超声振动辅助焊接装置及方法的报道。但在焊接方法上，超声振动主要用于辅助弧焊、钎焊及搅拌摩擦焊等焊接形式，针对超声振动辅助激光焊接的相关焊接方法鲜有报道。在解决的问题上，超声辅助焊接装置主要针对同质材料焊接中存在的晶粒粗大、残余应力等级高、气孔及裂纹缺陷多等问题而设计，而在异质材料焊接中未被应用。同时，在施加方式上，此前报道的超声振动施加方式主要包括焊接材料底面整体施加及固定点施加两种。其中焊接材料底面整体施加方式为通过超声振板带动焊接材料整体产生超声振动，但此方法无法应用于较大尺寸焊接材料的焊接、且有效超声作用功率较低；固定点施加方式为通过超声振头对工件固定位置处的激励使得焊接材料整体产生谐振，但其方法需要超声系统具有自寻频功能，系统成本较高，且对焊接焊工件的固有频率具有一定要求，适应性较差。

中国专利CN 102059453 A公开了一种超声波非接触式辅助激光焊接的方法，为解决在激光焊接钛合金、铝合金等金属中容易产生气孔、裂纹等技术问题，该专利设计了一种非接触式超声波辅助激光焊接装置，从而达到细化焊缝组织、提高焊接接头性能的目的。但超声振动采用非接触的施加形式，其极大降低了超声功率的利用率，浪费超声资源，使得超声有效作用效果较弱。

中国专利CN 105414763A公开了一种板式换热器超声同轴辅助激光焊接方法，其技术特征是实施板式换热板片的激光焊接时，施加高频超声振动，超声波振动与激光束采用同轴方式施加，换热板片与超声振动工具头直接接触，通过此方法可以解决不同材料换热板片装夹困难与焊接接头气体保护问题，同时超声的振动可以减小焊接残余应力、细化焊缝组织、减少气孔裂纹缺陷。但此方法采用超声波振动与激光束同轴施加的方式，对原有的激光光路系统改动较大，无法对激光焊接离焦量参数进行调整，适应性差；同时，难以对激光焊接过程进行实时观测，且对于焊后的焊缝表面具有一定的二次损伤。

中国专利CN 102744516B授权了一种超声振动辅助搅拌摩擦焊工艺及装置。为改善焊缝底部材料的塑性流动性，焊接质量低的缺点，该专利设计了专用卡具，将超声振动系统与搅拌头进行集成，不仅可以有效地保障振动系统的稳定性，还可以实现二维的调节，适合各种规格的搅拌头，具有广泛的适应性。但该专利未考虑超声振头与工件之间压紧力大小的调节，无法保证超声能量对焊接熔池的有效施加，同时该方法主要利用超声振动降低金属材料塑性变形时的屈服应力和流变应力，而非利用超声对焊接熔池对流及凝固行为的干预机制，因此其装置仅适用于搅拌摩擦焊接系统，不适用于异质材料的激光焊接系统。

发明内容