本发明涉及一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，属于焊接技术领域。
背景技术：
轻量化在汽车与高速列车领域己经成为现代科学家研究的重点,铝和钢的混合结构越来越多地用于白车身构造，以减轻重量和成本。焊接技术是制造铝和钢复合结构的主要选择。但是，铝和钢的热性能和物理性能之间的较大差异使得在焊接过程中不可避免地会生成金属间化合物(imc),金属间化合物的存在会增加接头的脆性，不利于焊接接头的机械性能。因此，要想获得性能良好的铝钢异种连接接头，就要对金属间化合物进行控制。激光工艺有利于控制金属间化合物，近年来广泛应用于难焊的异种焊接，使用材料(中间层、填充金属、涂层或其组合)成为接头的一部分已被证明足以抑制脆性金属间化合物的形成。为了得到性能优异的铝钢异种接头，研究者们通过使用材料(中间层、填充金属、涂层或其组合)来引入合金元素参与界面反应从而调控界面层。但无论是添加焊丝、镀层还是预置合金粉末都会增加焊接过程的复杂性，降低焊接效率。而自熔性激光熔钎焊连接铝钢异种金属搭接接头，因为未加入填充材料，降低了焊接过程复杂性，其高效性适合汽车工业生产。
铝合金不锈钢异种金属激光自熔钎焊过程中，在较低熔点的铝合金母材处形成熔合区，熔融铝合金沿不锈钢表面铺展形成钎焊界面。现有技术中，进行自熔钎焊采用的热源是固定热源，从焊接热源直接照射区域到远离焊接热源的焊缝边缘区域，界面峰值温度差异较大导致界面金属间化合物在厚度及相组成上分布不均匀。激光直接照射区域由于热输入太大产生过厚的金属间化合物层，焊趾根部区域由于所获的热输入小未产生足量的金属间化合物层，导致此处是接头的薄弱区域，这种不均匀的界面层使得接头的力学性能较差。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种提高铝合金-不锈钢异种金属激光自熔钎焊搭接接头强度的方法，沿界面方向产生均匀的金属间化合物层从而达到提升焊接接头整体性能的作用。
技术实现要素：
本发明的发明目的是提供一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，该方法通过激光束的旋转来调控界面，解决了界面层不均匀的问题，可获得性能优异，界面层均匀的熔钎焊接头。
本发明实现其发明目的所采取的技术方案是：一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，其步骤如下：
s1、对待焊接的铝合金板和不锈钢板的待焊区域及四周进行清洁预处理，去除表面氧化膜后使用丙酮去除表面油污及残留金属粉末；
s2、将完成预处理的锈钢板与铝合金板装配为铝合金板在上、不锈钢在下的搭接形式，组成待焊件；
s3、采用旋转激光束对待焊件进行焊接，焊接过程采用高纯氩气保护；所述旋转激光束照射在待焊件上的激光光斑为圆形，光斑直径为2-4mm，旋转激光束的旋转频率为10-60hz；旋转激光束焦点的旋转半径为0.5-2mm；
焊接过程中，保证旋转激光束在待焊件上的平均热量分布为：3/4激光热量照射在铝合金板上熔化铝合金，1/4激光热量照射到不锈钢板上加热但不熔化不锈钢，熔化的铝合金在未熔化的不锈钢上铺展，形成钎焊界面，完成焊接。
本发明通过调节离焦量范围来控制光斑直径，离焦量范围为±25～±35mm。
本发明的原理是：
本发明将不锈钢板与铝合金板装配为搭接形式，铝合金板在上，采用旋转激光精准控制热量在铝合金和不锈钢的分布，激光能量作用于铝板上时，铝母材熔化，熔化的铝母材铺展在钢母材表面，随后，激光作用位置沿搭接接头界面随激光光斑的匀速圆周运动而变化，对界面上铺展在不锈钢板表面的铝液进行加热，使铝液与不锈钢板形成金属间化合物，由于旋转激光束作用，界面方向不同位置所受激光能量相同，因此界面不同位置形成的金属间化合物厚度及成分相似，最终获得界面层均匀的熔钎焊接头。采用旋转激光束调控界面，不仅使得热量更加均匀，而且旋转激光束对熔池产生明显搅拌作用，提高接头润湿性，减少焊接气孔，从而获得接头性能优异，界面层均匀的熔钎焊接头。
基于本发明的原理，本发明技术方案主要适用于厚度为1-4mm铝合金板与不锈钢板的焊接。过薄的铝合金板在激光自熔焊过程中熔化的总量很小，难以形成有效的搭接接头。过厚的铝合金板采用单激光时，需要的激光功率很大，这就会使得热输入过大，导致不锈钢板过热，在铝钢界面生成过量的金属间化合物，产生大量裂纹；而且在焊接时，太厚的铝合金熔化后，距离不锈钢板上表面的高度差较大，由于熔化的铝合金具有一定的粘度，在完成铺展之前就已经凝固，无法形成有效接头。过薄的不锈钢板使用本发明技术方案焊接容易产生严重的变形，过大的变形会导致焊缝直接崩裂；不锈钢板过厚会导致激光的热量快速被母材导走，不锈钢被加热的区域温度梯度过大，只有中心温度高，靠近中心的区域随着距离的增加温度快速降低，会导致熔化的铝合金与不锈钢接触后快速凝固，很难在不锈钢表面铺展开来。
相比于现有技术，发明的有益效果是：
一、相比于现有技术激光填丝焊接，本发明不需要加装送丝装置，焊接过程只存在激光与稳定约束的母材之间的作用，简化了激光焊接装置，极大提高了焊接可达性，没有焊丝与激光对中的苛刻要求，相较于激光填丝焊接拥有更高的稳定性及可操作性。
二、相比于现有技术激光深熔焊接，本发明可以更加方便调节激光在铝合金与不锈钢板上的能量分布，使得铝合金熔化而不锈钢不熔化，熔化的铝合金在未熔化的不锈钢上铺展，形成稳定均匀的钎焊界面，阻碍生成过厚的脆性金属间化合物，避免了金属间化合物的厚度过大造成的微裂纹，保证了焊接接头质量。
三、相比于现有的激光自熔钎焊，本发明采用旋转激光束调控界面，解决界面层不均匀的问题，焊接过程中未加入填充材料，降低了焊接过程的复杂性，实现更加高效的焊接，并通过采用旋转激光对焊接温度场分布进行了优化，使得从焊接热源直接照射区域到远离焊接热源的焊缝边缘区域，界面温度分布更加均匀，从而获得均匀界面层。通过观察焊接接头不同区域的界面显微组织形貌图，对比旋转激光与固定激光的界面微观结构发现，使用旋转激光进行焊接，由于激光直接照射区域较使用固定激光时热输入更小，较小的热输入使激光直接照射区域硬而脆的金属间化合物厚度减小，焊趾根部区域较使固定激光时热输入更大，较大的热输入使该区域产生足量的金属间化合物层。使用旋转激光焊接的接头界面层厚度更加均匀，且在界面不同区域都出现了层状金属间化合物与针状金属间化合物。整个界面的金属间化合物在相成分及厚度上更加均匀是由于使用旋转激光焊接，界面处温度分布更均匀。通过对焊接接头的力学性能进行分析，采用本发明旋转激光束焊接得到的焊接接头的平均强度高达314.4n/mm，远高于现有固定激光的激光自熔钎焊方法。
进一步，本发明所述步骤s3采用旋转激光束对待焊件进行焊接中旋转激光束的入射角为80°。
旋转激光束的入射角即焊接过程中激光束在旋转的同时，始终保持的激光束入射角。激光束入射角为激光束的中心轴与待焊件平面之间的夹角，设置80°的入射角，使得激光束从接头侧面入射，减少焊接母材对激光的反射作用，保证足量铝合金熔化铺展形成搭接接头。
进一步，本发明所述步骤s3中采用旋转激光束对待焊件进行焊接所采用的激光功率为2450-3150w，焊接速度为3.5-7.5mm/s。
试验验证，采用上述激光功率、焊接速度获得的焊接接头成型良好，综合力学性能优异。
更进一步，本发明所述步骤s3中采用旋转激光束对待焊件进行焊接所采用的激光功率为2800w，焊接速度为5.5mm/s。
大量试验验证，上述激光功率、焊接速度为获得成型良好，综合力学性能优异的焊接接头的最优选择。
进一步，本发明所述步骤s3中旋转激光束照射在待焊件上的激光光斑直径为3mm，旋转激光束的旋转频率为50hz；旋转激光束焦点的旋转半径为1mm。
大量试验验证，上述激光光斑直径、旋转激光束的旋转频率和旋转半径为获得成型良好，综合力学性能优异的焊接接头的最优选择。
进一步，本发明所述步骤s3中焊接过程采用高纯氩气保护所使用的氩气流量为25l/min。
试验证明，在本发明焊接过程中，过大的保护气气流快速冷却焊缝产生裂纹，过小的气流无法防止氧化，25l/min可获得最优的焊接效果。
进一步，本发明所述保证旋转激光束在待焊件上的平均热量分布为3/4激光热量照射在铝合金板上，1/4激光热量照射到不锈钢板上的具体方式是：焊接开始前，调整激光束位置，使得初始激光光斑3/4作用在铝合金板上，1/4作用在不锈钢板上，此时激光束的中心轴即为旋转激光束的旋转中心轴，产生旋转激光束的激光焊接设备通过记录旋转中心轴位置、旋转激光束焦点的旋转频率和旋转激光束的旋转半径，生成旋转激光束的旋转路径；在焊接过程中，激光焊接设备通过控制激光头控制旋转激光束以相同的旋转路径旋转。
附图说明
图1为本发明铝合金与不锈钢的旋转激光自熔钎焊整体示意图。
图2为本发明铝合金与不锈钢的旋转激光自熔钎焊的激光束位置示意图。
图3为本发明旋转激光自熔钎焊的激光束旋转及焊接路径示意图。
图4为本发明实施例一与对比例得到的焊接接头不同区域的界面显微组织对比形貌图。
图中，1-激光头，2-激光束的中心轴，3-激光束，4-铝合金板，5-保护气喷嘴，6-焊缝，7-旋转激光作用路径，8-不锈钢板。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，其步骤如下：
s1、对待焊接的铝合金板和不锈钢板的待焊区域及四周进行清洁预处理，去除表面氧化膜后使用丙酮去除表面油污及残留金属粉末；
s2、将完成预处理的不锈钢板与铝合金板装配为铝合金板在上、不锈钢在下的搭接形式，组成待焊件；
s3、采用旋转激光束对待焊件进行焊接，焊接过程采用高纯氩气保护；所述旋转激光束照射在待焊件上的激光光斑为圆形，光斑直径为2-4mm，旋转激光束的旋转频率为10-60hz；旋转激光束焦点的旋转半径为0.5-2mm；
焊接过程中，保证旋转激光束在待焊件上的平均热量分布为：3/4激光热量照射在铝合金板上熔化铝合金，1/4激光热量照射到不锈钢板上加热但不熔化不锈钢，熔化的铝合金在未熔化的不锈钢上铺展，形成钎焊界面，完成焊接。
优选的，所述步骤s3采用旋转激光束对待焊件进行焊接中旋转激光束的入射角为80°。
优选的，所述步骤s3中采用旋转激光束对待焊件进行焊接所采用的激光功率为2450-3150w，焊接速度为3.5-7.5mm/s，更为优选的，激光功率为2800w，焊接速度为5.5mm/s，旋转激光束照射在待焊件上的激光光斑直径为3mm，旋转激光束的旋转频率为50hz；旋转激光束焦点的旋转半径为1mm。
优选的，所述步骤s3中焊接过程采用高纯氩气保护所使用的氩气流量为25l/min。
优选的，所述保证旋转激光束在待焊件上的平均热量分布为3/4激光热量照射在铝合金板上，1/4激光热量照射到不锈钢板上的具体方式是：焊接开始前，调整激光束位置，使得初始激光光斑3/4作用在铝合金板上，1/4作用在不锈钢板上，此时激光束的中心轴即为旋转激光束的旋转中心轴，产生旋转激光束的激光焊接设备通过记录旋转中心轴位置、旋转激光束焦点的旋转频率和旋转激光束的旋转半径，生成旋转激光束的旋转路径；在焊接过程中，激光焊接设备通过控制激光头控制旋转激光束以相同的旋转路径旋转。
图1为本发明铝合金与不锈钢的旋转激光自熔钎焊整体示意图。图2为本发明铝合金与不锈钢的旋转激光自熔钎焊的激光束位置示意图，用以表现激光束的入射角。图中，1为激光头，2为激光束的中心轴，3为激光束，4为铝合金板，5为焊接过程中向焊接部位输送高纯氩气的保护气喷嘴，6为不锈钢板与铝合金板焊接形成的搭接接头焊缝，7为旋转激光束的焊接路径，8为不锈钢板。焊接过程中，激光焊接设备采用机械手控制激光头1，使激光束2在焊接行进的同时在待焊件表面按设定的半径和频率做匀速圆周运动，形成旋转激光束，焊接路径如图中7所示。图3为本发明旋转激光自熔钎焊的激光束旋转及焊接路径示意图，进一步说明本发明旋转激光束的旋转方式及焊接路径。图3中，(a)为旋转激光束焦点的旋转示意图，r为旋转激光束焦点的旋转半径；(b)为激光束的焊接路径示意图，随着焊接的进行，激光头或待焊件平移，旋转激光束做的匀速圆周运动在待焊件上形成螺旋式的焊接路径。
实施例一
一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，所述待焊接的铝合金板为厚度为2mm的6061铝合金板，待焊接的不锈钢板为厚度为2mm的301l不锈钢板，其步骤如下：
s1、对待焊接的铝合金板和不锈钢板的待焊区域及四周进行清洁预处理，去除表面氧化膜后使用丙酮去除表面油污及残留金属粉末；
s2、将完成预处理的锈钢板与铝合金板装配为铝合金板在上、不锈钢在下的搭接形式，组成待焊件，搭接距离设置为10mm；
s3、采用旋转激光束对待焊件进行焊接，焊接过程采用流量为25l/min的高纯氩气保护；所述旋转激光束照射在待焊件上的激光光斑为圆形，光斑直径为3mm，旋转激光束的旋转频率为50hz，旋转激光束焦点的旋转半径为1mm；激光功率为2800w，焊接速度为5.5mm/s，离焦量为 30mm，旋转激光束的入射角为80°；
焊接过程中，保证旋转激光束在待焊件上的平均热量分布为：3/4激光热量照射在铝合金板上熔化铝合金，1/4激光热量照射到不锈钢板上加热但不熔化不锈钢，熔化的铝合金在未熔化的不锈钢上铺展，形成钎焊界面，完成焊接；
所述保证旋转激光束在待焊件上的平均热量分布为3/4激光热量照射在铝合金板上，1/4激光热量照射到不锈钢板上的具体方式是：焊接开始前，调整激光束位置，使得初始激光光斑3/4作用在铝合金板上，1/4作用在不锈钢板上，此时激光束的中心轴即为旋转激光束的旋转中心轴，产生旋转激光束的激光焊接设备通过记录旋转中心轴位置、旋转激光束焦点的旋转频率和旋转激光束的旋转半径，生成旋转激光束的旋转路径；在焊接过程中，激光焊接设备在控制激光头沿焊接方向行进的同时，通过激光头控制旋转激光束以相同的旋转路径旋转。
对比例
一种铝合金与不锈钢的激光自熔钎焊方法，所述待焊接的铝合金板为厚度为2mm的6061铝合金板，待焊接的不锈钢板为厚度为2mm的301l不锈钢板，其步骤如下：
s1、对待焊接的铝合金板和不锈钢板的待焊区域及四周进行清洁预处理，去除表面氧化膜后使用丙酮去除表面油污及残留金属粉末；
s2、将完成预处理的锈钢板与铝合金板装配为铝合金板在上、不锈钢在下的搭接形式，组成待焊件，搭接距离设置为10mm；
s3、采用固定的圆形光斑激光束对待焊件进行焊接，焊接过程采用流量为25l/min的高纯氩气保护；激光功率为2800w，焊接速度为5.5mm/s，光斑尺寸为3mm，离焦量为 30mm，激光束的入射角为80°；
焊接过程中，保证激光束在待焊件上的热量分布为：3/4激光热量照射在铝合金板上熔化铝合金(3/4激光光斑照射在铝合金板上)，1/4激光热量照射到不锈钢板上加热但不熔化不锈钢(1/4激光光斑照射在铝合金板上)，熔化的铝合金在未熔化的不锈钢上铺展，形成钎焊界面，完成焊接。
即本对比例与实施例一的唯一的区别在于步骤s3对待焊件进行焊接的激光束不是旋转激光束，而是采用固定的圆形光斑激光束对待焊件进行焊接，激光功率、焊接速度、光斑尺寸等激光参数均与实施例一相同。
图4为本发明实施例一与对比例得到的焊接接头不同区域的界面显微组织对比形貌图。为了更清楚地分析对比旋转激光束与固定激光束得到的焊接接头界面微观组织变化，将焊接接头被覆盖界面分为三个区域：激光直接照射区域、中部区域、焊趾根部区域，分别对比三个区域的界面显微组织。在激光直接照射区域中的a位置处进行扫描电子显微镜观察微观组织，在中部区域的b位置处进行扫描电子显微镜观察，在焊趾根部区域的c位置进行扫描电子显微镜观察。图4中形貌图是通过切取焊接接头金相样，砂纸打磨并进行镜面抛光后，采用fei扫描电子显微镜下采集二次电子成像得到的。通过对比旋转激光束与固定激光束得到的焊接接头不同区域界面微观结构发现，通过固定激光束焊焊接得到的接头在激光直接照射区域观察到两种金属间化合物(imc)，层状imc和针状imc，层状imc厚度大约为15um，且在层状imc位置观察到了裂纹，中部区域imc种类与直接照射区相同，均出现了层状imc与针状imc，但是中部区域层状imc厚度减小，在焊趾根部区域只出现了层状imc，未观察到针状imc，且imc厚度进一步减小。采用旋转激光束进行焊接得到的接头在激光直接照射区域、中部区域与焊趾根部区域均观察到两种金属间化合物(imc)，层状imc和针状imc，三区域imc厚度相似均小于固定激光束焊接直接照射区域imc厚度，且在三区域层状imc位置均未出现裂纹。两接头界面组织出现差异是由于采用旋转激光后激光直接照射区域较固定激光束焊接热输入更小，较小的热输入使激光直接照射区域硬而脆的金属间化合物厚度减小，焊趾根部区域较固定激光束焊接热输入更大，较大的热输入使该区域产生足量的金属间化合物层。采用旋转激光束进行焊接的焊接接头界面层厚度更加均匀，且在界面不同区域都出现了层状金属间化合物与针状金属间化合物。整个界面的金属间化合物在相成分及厚度上更加均匀是由于使用旋转激光焊接界面处温度分布更均匀。通过实施例一和对比例得到的两个焊接接头的力学性能进行分析，实施例一得到的焊接接头的平均强度为314.4n/mm，对比例得到的焊接接头的平均强度为188.9n/mm，即采用旋转激光焊接得到的焊接接头力学强度远高于固定激光焊接得到焊接接头强度。
实施例二
本实施例与实施例一基本相同，唯一不同之处在于本实施例的所采用的旋转激光束的光斑直径2mm，旋转激光束的旋转频率为60hz，旋转激光束焦点的旋转半径为2mm，激光功率为2450w，焊接速度为3.5mm/s。
实施例三
本实施例与实施例一基本相同，唯一不同之处在于本实施例的所采用的旋转激光束的光斑直径4mm，旋转激光束的旋转频率为10hz，旋转激光束焦点的旋转半径为0.5mm，激光功率为3150w，焊接速度为7.5mm/s。
实施例四
本实施例与实施例一基本相同，唯一不同之处在于本实施例的所采用的旋转激光束的光斑直径4mm，旋转激光束的旋转频率为60hz，旋转激光束焦点的旋转半径为0.5mm，激光功率为3150w，焊接速度为7.5mm/s。
实施例五
本实施例与实施例一基本相同，唯一不同之处在于本实施例的所采用的旋转激光束的光斑直径2mm，旋转激光束的旋转频率为10hz，旋转激光束焦点的旋转半径为2mm，激光功率为2450w，焊接速度为3.5mm/s。
1.一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，其步骤如下：
s1、对待焊接的铝合金板和不锈钢板的待焊区域及四周进行清洁预处理，去除表面氧化膜后使用丙酮去除表面油污及残留金属粉末；
s2、将完成预处理的不锈钢板与铝合金板装配为铝合金板在上、不锈钢在下的搭接形式，组成待焊件；
s3、采用旋转激光束对待焊件进行焊接，焊接过程采用高纯氩气保护；所述旋转激光束照射在待焊件上的激光光斑为圆形，光斑直径为2-4mm，旋转激光束的旋转频率为10-60hz；旋转激光束焦点的旋转半径为0.5-2mm；
焊接过程中，保证旋转激光束在待焊件上的平均热量分布为：3/4激光热量照射在铝合金板上熔化铝合金，1/4激光热量照射到不锈钢板上加热但不熔化不锈钢，熔化的铝合金在未熔化的不锈钢上铺展，形成钎焊界面，完成焊接。
2.根据权利要求1所述的一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，其特征在于：所述步骤s3采用旋转激光束对待焊件进行焊接中旋转激光束的入射角为80°。
3.根据权利要求1所述的一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，其特征在于：所述步骤s3中采用旋转激光束对待焊件进行焊接所采用的激光功率为2450-3150w，焊接速度为3.5-7.5mm/s。
4.根据权利要求3所述的一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，其特征在于：所述步骤s3中采用旋转激光束对待焊件进行焊接所采用的激光功率为2800w，焊接速度为5.5mm/s。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，其特征在于：所述步骤s3中旋转激光束照射在待焊件上的激光光斑直径为3mm，旋转激光束的旋转频率为50hz；旋转激光束焦点的旋转半径为1mm。
6.根据权利要求1所述的一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，其特征在于：所述步骤s3中焊接过程采用高纯氩气保护所使用的氩气流量为25l/min。
7.根据权利要求1所述的一种提高铝/钢搭接接头强度的旋转激光自熔钎焊方法，其特征在于：所述保证旋转激光束在待焊件上的平均热量分布为3/4激光热量照射在铝合金板上，1/4激光热量照射到不锈钢板上的具体方式是：焊接开始前，调整激光束位置，使得初始激光光斑3/4作用在铝合金板上，1/4作用在不锈钢板上，此时激光束的中心轴即为旋转激光束的旋转中心轴，产生旋转激光束的激光焊接设备通过记录旋转中心轴位置、旋转激光束焦点的旋转频率和旋转激光束的旋转半径，生成旋转激光束的旋转路径；在焊接过程中，激光焊接设备通过控制激光头控制旋转激光束以相同的旋转路径旋转。
技术总结