激光加熱摩擦焊方法技術

本發明專利技術涉及摩擦焊接領域，提出了一種激光加熱摩擦焊接方法，具體是指在進行焊接之前先用激光照射工件端面使其表層處于高溫或微熔狀態，然后再迅速進行摩擦和頂鍛過程，使液態金屬和部分熱塑性金屬被擠出，最后經擴散和再結晶形成連接。該方法綜合利用了激光能量密度高、空域和時域精確可控的獨特優勢以及摩擦焊接頭質量優、生產效率高等特征，產生的有益效果在于：以外部輸入能量作為主能量源，極大減小了摩擦焊所需的壓力和扭矩、降低了對焊接設備的要求；拓展了傳統摩擦焊的加工范圍：可焊物理化學特性差異大的異種材料，剛性小的薄壁類、小直徑工件，摩擦系數低、帶有表面層、高溫強度高的工件。

【技術實現步驟摘要】
激光加熱摩擦焊方法
本專利技術涉及摩擦焊接領域，提供了一種以激光外加能量為主熱源的新型復合摩擦焊接方法。
技術介紹
摩擦焊具有接頭質量好、焊接尺寸精度高、綠色高效、適合焊接異種材料等獨特優勢在航空航天、石油化工、電力電子、汽車工業等行業得到了廣泛應用。眾所周知，摩擦焊是利用工件間相互摩擦產生的摩擦熱來實現焊接的，為了產生足夠的摩擦熱量，焊接過程會在工件間施加很大的壓力并產生很大的摩擦扭矩，從而焊接設備復雜而笨重，而對于焊件則有較高的強度和剛度要求。對于薄壁類的管狀、盤狀和片狀等截面積小的工件，會因卡具的夾持力和摩擦壓力而導致工件被壓扁、失穩等現象，同時因截面積過小而不能產生足夠的摩擦熱，因而這類工件不太適合采用摩擦焊接。受摩擦焊機主電機功率的限制，摩擦焊工件結合面尺寸難以大幅增加，針對這種不足，就有了感應加熱摩擦焊，導電加熱摩擦焊，火焰加熱摩擦焊等輔助熱源的摩擦焊，這些輔助加熱方式雖然在一定程度上增加了接頭熱量，但缺點也很明顯：加熱區大，加熱區域不易控制，熱影響區軟化嚴重，操作不便，火焰加熱還可能使焊縫大量增碳。摩擦焊雖然在異種材料連接領域具有獨特優勢，但固有特性決定了其在進行以下材料焊接時仍存在很大困難：高溫強度高、塑形低、導熱性好的材料；物理性能差異大的異種材料，如不銹鋼-銅，硬質合金-鋼等，活性金屬(如鈦、鋯)-鋼等；表面存在氧化膜或有鍍膜、滲層等；摩擦系數太小(如鑄鐵、黃銅等)的材料。通常情況下摩擦焊都不能添加焊接材料，這對提高異種接頭質量來說是一種缺憾，因為很多異種金屬需依靠中間添加材料來緩沖組織和性能的差異。綜上，摩擦焊雖可獲得良好的接頭質量和高的焊接效率，但由于其對焊接材料和焊接結構的選擇性致使傳統摩擦焊的應用范圍僅限于一些特定的行業和產品，應用面嚴重受限。
技術實現思路
為彌補傳統摩擦焊的不足，本專利技術提供一種激光加熱摩擦焊接方法，基本原理是指利用激光加熱代替工件間的摩擦生熱，待工件表面達到一定的溫度后再接入摩擦焊的正常通道，通過摩擦壓力和摩擦扭矩使工件熱塑性層產生沿結合面的流動和機械挖掘作用，最后階段在頂鍛力作用下塑性金屬通過相互擴散和再結晶過程使兩側待焊工件牢固焊接在一起。本專利技術的具體技術方案是：一種激光加熱摩擦焊新方法，采用激光直接照射運動側工件待焊位置，使其表面快速升溫并處于熱塑性或表面微熔狀態，隨后靜止側工件對運動側工件進行擠壓和相互摩擦，高溫區塑性金屬發生塑性變形并沿結合面被擠出形成飛邊，原來結合面處的表層金屬、氧化膜和夾雜物被擠出，剩下的潔凈金屬在頂鍛力的作用下緊密接觸并經界面擴散和再結晶形成有效連接。在整個焊接過程中對高溫區域金屬輔以惰性氣體保護，防止工件的高溫氧化。與傳統摩擦焊技術相比，本專利技術的優勢是：焊接主要能量由激光提供，從而不受摩擦生熱對材料特性、工件形狀以及摩擦力大小的限制，可根據待焊工件材質和結構形狀靈活設置激光加熱位置、加熱強度及加熱時間。與火焰加熱、感應加熱以及電阻加熱相比，激光加熱功率密度高，加熱區域、強度精確可控。焊接時配合以激光功率、加熱面積、加熱時間和移動速度等加工參數，工件表面溫度和加熱厚度均高度可控。另外，還可通過將激光束整形成多光斑、異形光斑或采用振鏡掃描光束的方式實現大面積不同形狀的激光均勻加熱。從而理論上可以焊接截面很大的工件。由于施加在工件上的摩擦壓力和頂鍛力較傳統摩擦焊大大減小，因而對于常規摩擦焊難以施焊的薄壁件，超小直徑管材、絲材；摩擦系數低、散熱速度快的材料；特殊材質如高熔點、高淬透性的合金硬質合金、粉末冶金、陶瓷、玻璃等性能差異很大的異種材料；表面有鍍層、滲層的材料；截面和形狀相差懸殊的管-板、棒-板、棒-棒、管-棒、絲-板等結構和材料都可實現有效焊接。工件在激光加熱過程中可能有局部熔化現象，但在摩擦和頂鍛過程中液相很快被擠出，真正實現連接的是后續處于熱塑性狀態的金屬，所以最終的連接實質上依然保持摩擦焊的固相連接本質，焊接接頭質量高，不會產生與材料熔化和凝固相關的焊接缺陷。該焊接方法由于激光加熱區體量小，焊接過程材料擠出量少，結合適當的坡口形狀可實現焊后小余量甚至無余量加工。與傳統摩擦焊不能添加焊接材料相比，本專利技術提出的摩擦焊方法可在激光加熱階段往焊縫中加入多種形式的焊材(如粉末、絲材、箔、鍍滲層等)，為調控焊縫組織和性能提供了一條行之有效的通道?？傊搶＠夹g提出的激光加熱摩擦焊接方法集成了激光加熱和摩擦焊的優點而避免了各自的局限，該焊接方法具有焊接設備簡單、接頭質量好，生產效率高和綠色環保等明顯優勢，該方法豐富和擴展了摩擦焊的內容和種類，擴大了摩擦焊的應用范圍，是一種應用前景廣闊的新型固相焊接技術。附圖說明圖1為本專利技術所述典型激光加熱摩擦焊接方法及裝置示意圖。圖2為本專利技術所述典型單側(旋轉側)激光加熱摩擦焊原理示意圖。圖3為本專利技術所述帶保護氣裝置和端面激光加熱位置示意圖。圖4為本專利技術所述四種不同的激光整形光斑圖。圖5為本專利技術所述單激光雙側加熱反向旋轉摩擦焊原理示意圖。圖6為本專利技術所述雙激光雙側加熱反向旋轉摩擦焊原理示意圖。圖7為本專利技術所述利用工件自身坡口反射加熱摩擦焊示意圖。圖8為本專利技術所述帶封底(鈍邊)的單側激光加熱摩擦焊示意圖。圖9為本專利技術所述帶添加粉末材料的激光加熱摩擦焊示意圖。圖10為本專利技術所述雙激光加熱摩擦焊示意圖。圖11為本專利技術所述帶中間體的雙側激光加熱摩擦焊示意圖。圖12為本專利技術所述振鏡掃描光束加熱線性摩擦焊示意圖。圖13為本專利技術所述激光加熱摩擦焊效果圖。具體實施方式具體實施方式一：本實施方式是按如下方式進行的：1、對待焊管件的端面進行去氧化膜、污物處理直到工件表面露出金屬本色為止。2、如圖1，將待焊工件件穩固裝卡在卡盤上，工件1和工件2待焊端面預留1mm間隙，打開電源使工件1旋轉，旋轉速度為500r/min，檢查工件同軸度、圓跳度。3、如圖2，光束偏轉角(激光束與工件端面夾角)設置為20°，光斑大小為0.5mm2～40mm2之間，激光功率為1000W。如圖3，調整激光作用位置在圓環切線附近，在焊接區域設置氬氣保護，氣體流量為30L/min，氣體保護范圍為角向150°。4、開啟激光加熱工件1～3s鐘，然后工件2以5m/min的速度對工件1進行擠壓并相互摩擦，摩擦壓力大小為1MPa，經0.5s后停止旋轉同時施加5MPa的頂鍛力并保持3s。5、待工件冷卻后剔除飛邊完成焊接。具體實施方式二：本實施方式與具體實施方式一不同的是：激光光斑形狀除圓形以外，還可以是多光斑、矩形光斑、弧形光斑等，如圖4，其它步驟和參數與具體實施方式一相同。具體實施方式三：本實施方式與具體實施方式一不同的是：一束激光同時加熱兩個旋轉方向相反的工件1和工件2，如圖5，其它步驟和參數與具體實施方式一相同。具體實施方式四：本實施方式與具體實施方式三不同的是：激光束1加熱工件區，激光束2加熱工件2，如圖6，其它步驟和參數與具體實施方式三相同。具體實施方式五：本實施方式與具體實施方式三不同的是：工件1和工件2均開斜坡口，坡口角度互補，角度大小在0°～60°之間，如圖7，其它步驟和參數與具體實施方式三相同。具體實施方式六：本實施方式與具體實施方式一不同的是：工件1和工件2旋轉方向相反，工件1開帶封底(鈍邊)坡口，鈍邊厚度在0.5～2之間，用在背面少飛邊本文檔來自技高網...

【技術保護點】
激光加熱摩擦焊接方法，其特征在于，具體步驟為：兩個待焊工件焊前預留間隙，激光通過間隙加熱旋轉側工件端面；或者一對摩擦副中兩個工件同時反向運動或旋轉，激光同時對兩個工件端面進行加熱；待工件端面被加熱至熱塑性態或微熔態時，兩側工件相互靠近并進行擠壓和摩擦使處于液態或熱塑性態的金屬被擠出，然后停止激光加熱和工件運動并對施加頂鍛力，最終通過兩側金屬的機械咬合、擴散和再結晶過程形成連接。

【技術特征摘要】
1.激光加熱摩擦焊接方法，其特征在于，具體步驟為：兩個待焊工件焊前預留間隙，激光通過間隙加熱旋轉側工件端面；或者一對摩擦副中兩個工件同時反向運動或旋轉，激光同時對兩個工件端面進行加熱；待工件端面被加熱至熱塑性態或微熔態時，兩側工件相互靠近并進行擠壓和摩擦使處于液態或熱塑性態的金屬被擠出，然后停止激光加熱和工件運動并對施加頂鍛力，最終通過兩側金屬的機械咬合、擴散和再結晶過程形成連接。2.根據權利要求1所述的激光加熱摩擦焊接方法，其特征在于：適用的摩擦焊種類包括連續驅動旋轉摩擦焊、慣性摩擦焊、線性摩擦焊或軌道摩擦焊。3.根據權利要求1所述的激光加熱摩擦焊接方法，其特征在于：在焊接過程中同時對高溫區金屬進行惰性氣體保護。4.根據權利要求1所述的激光加熱摩擦焊接方法，其特征在于：激光入射角度為0°～60°度之間，工件預留縫隙為0.3～20mm；氣體流量在5L/min-80L/min...

【專利技術屬性】
技術研發人員：楊武雄，呂俊霞，鄒江林，徐潔潔，
申請(專利權)人：北京工業大學，
類型：發明
國別省市：北京,11