一种颗粒增强金属基复合材料激光填粉焊接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种金属基复合材料激光焊接新方法，属于材料加工工程领域。
【背景技术】
[0002]随着航空航天装备升级改造的进行，对结构提出了进一步减重、提高使用性能和寿命的要求。颗粒增强金属基复合材料，相比连续纤维增强复合材料具有显著的低成本优势，制备难度低，易于实现工业批量生产等优点，是目前普遍公认的最有竞争力的金属基复合材料之一。但与传统金属材料相比，金属基复合材料的连接技术并不成熟，大大限制了金属基复合材料进一步的应用和推广。目前，针对颗粒增强金属基复合材料国内外学者研究较多的连接方法有电弧焊、激光焊、扩散焊、钎焊、搅拌摩擦焊，然而采用熔化焊接方法连接金属基复合材料存在增强相颗粒烧损、界面反应生成脆性金属间化合物、孔洞、未熔合等缺陷倾向大、增强相聚集等问题；采用固相焊接方法连接存在焊接效率低、接头强度低，焊件尺寸受限等问题。因此，为了进一步推广和应用金属基复合材料，急需开发先进的连接技术。
[0003]激光焊接被公认是“ 二十一世纪最有发展潜力的先进制造技术之一”，具有能量精确可控、焊接柔性大、自动化程度高等特点，可以精确控制热输入量，目前，激光焊接技术已经广泛应用于航空、航天、船舶、核工业等国防和军工领域。目前已有将激光焊接技术应用于金属基复合材料焊接的报道，北京航空航天大学陈永来等人研究了 SiCp/6061Al复合材料激光焊接技术，研究表明采用Ni作为合金化填充材料可以在一定程度上抑制SiC颗粒的溶解脆性相A14C3的形成。
[0004]常规激光焊接颗粒增强金属基复合材料不仅存在增强相烧损、易生成脆性金属间化合物、气孔、裂纹等倾向大、增强相分布不均匀等熔化焊共性问题，同时，材料金属基体对激光的反射较为严重，激光吸收率低等缺点。
[0005]目前，尚无针对颗粒增强金属基复合材料激光焊接的焊丝，并且，对于某些塑形较差的材料，将其加工成焊丝十分困难且成本高昂，而填充粉末不仅避免了加工焊丝的复杂工艺要求以及昂贵的成本，同时，通过粉末的合理配比，能方便的向焊缝中添加合金元素以及增强相颗粒。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是为了解决颗粒增强金属基复合材料激光焊接存在的增强相颗粒烧损、增强相分布不均匀，以及金属基复合材料焊丝制作困难等问题，而提出了一种颗粒增强金属基复合材料激光填粉焊接方法。
[0007]本发明的一种颗粒增强金属基复合材料激光填粉焊接方法，它是按照以下步骤进行的:
[0008]步骤一:将待焊工件的待焊位置加工成单边60°的V型坡口，对坡口及附近位置表面清理、打磨并用夹具将待焊工件装夹固定在工作台上；
[0009]步骤二:将填充粉末与增强相颗粒粉末用球磨机混合均匀，制得混合填充粉末；将混合填充粉末装入送粉机中；其中，混合填充粉末的体积大于待焊工件焊缝坡口位置的体积；
[0010]步骤三:安装同轴或旁轴送粉头；
[0011]步骤四:设置工艺参数:
[0012]激光功率为800?2000W，光斑直径为4mm，焊接速度为3mm/s?10mm/s，送粉速度为2g/min?15g/min，送粉载气流量为3L/min?20L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min ;激光头沿焊接方向前倾5° ;
[0013]步骤五:在送粉头向焊缝位置送入混合填充粉末的同时，控制激光器发射出激光光束，然后，控制机器人使激光工作头和送粉头共同运动完成整个焊接过程。
[0014]本发明混合填充粉末中填充粉末与增强相颗粒的比例根据待焊金属基复合材料中基体材料与增强相的比例来确定，其比例一般大于待焊金属基复合材料中基体与增强相的比例。
[0015]本发明的颗粒增强金属基复合材料激光填粉焊接方法采用同轴或旁轴送入粉末，示意图如图1或图2所示。本发明将与待焊母材相匹配的粉末与增强相粉末颗粒球磨混合均匀后直接送入激光能量聚焦位置或激光直接作用下的熔池之中，粉末依靠激光能量或激光直接作用下熔池能量来熔化填充粉末逐层进行连接，也就是采用激光熔化沉积的方式，分多层多道实现颗粒增强金属基复合材料的连接。
[0016]本发明相比于颗粒增强金属基复合材料传统焊接方法主要有以下几点优势:
[0017]—.激光能量精确可控，增强相不会发生大量熔化，可有效改善增强相烧损问题。
[0018]二.可方便的往焊缝中添加合金元素、增强相，改善焊缝性能。
[0019]三.采用多层多道，精确控制单层激光输入能量，有助于实现焊缝均匀化。
【附图说明】
[0020]图1为本发明同轴送粉方式示意图；
[0021]图2为本发明旁轴送粉方式示意图；
[0022]图3为实施例1常规激光焊接Sip/AlSi20复合材料表面成形图；
[0023]图4为实施例1常规激光焊接头微观组织电镜图；
[0024]图5为实施例2的焊接接头宏观成形图；
[0025]图6为实施例2的焊接接头微观组织电镜图。
【具体实施方式】
[0026]【具体实施方式】一:本实施方式的一种颗粒增强金属基复合材料激光填粉焊接方法，它是按照以下步骤进行的:
[0027]步骤一:将待焊工件的待焊位置加工成单边60°的V型坡口，对坡口及附近位置表面清理、打磨并用夹具将待焊工件装夹固定在工作台上；
[0028]步骤二:将填充粉末与增强相颗粒粉末用球磨机混合均匀，制得混合填充粉末；将混合填充粉末装入送粉机中；其中，混合填充粉末的体积大于待焊工件焊缝坡口位置的体积；
[0029]步骤三:安装同轴或旁轴送粉头；
[0030]步骤四:设置工艺参数:
[0031]激光功率为800?2000W，光斑直径为4mm，焊接速度为3mm/s?10mm/s，送粉速度为2g/min?15g/min，送粉载气流量为3L/min?20L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min ;激光头沿焊接方向前倾5° ;
[0032]步骤五:在送粉头向焊缝位置送入混合填充粉末的同时，控制激光器发射出激光光束，然后，控制机器人使激光工作头和送粉头共同运动完成整个焊接过程。
[0033]本实施方式混合填充粉末中填充粉末与增强相颗粒的比例根据待焊金属基复合材料中基体材料与增强相的比例来确定，其比例一般大于待焊金属基复合材料中基体与增强相的比例。
[0034]【具体实施方式】二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:发射激光的激光器为半导体激光器、C02气体激光器、YAG固体激光器或光纤激光器。其它与【具体实施方式】一相同。
[0035]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:激光功率为1000?2000W，光斑直径为4mm，焊接速度为5mm/s?10mm/s，送粉速度为5g/min?15g/min，送粉载气流量为5L/min?20L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min ;激光头沿焊接方向前倾5°。其它与【具体实施方式】一相同。
[0036]【具体实施方式】四:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:激光功率为1200?2000W，光斑直径为4mm，焊接速度为7mm/s?10mm/s，送粉速度为8g/min?15g/min，送粉载气流量为8L/min?20L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min ;激光头沿焊接方向前倾5°。其它与【具体实施方式】一相同。
[0037]【具体实施方式】五:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:激光功率为1500?2000W，光斑直径为4mm，焊接速度为8mm/s?10mm/s，送粉速度为10g/min?15g/min，送粉载气流量为10L/min?20L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min ;激光头沿焊接方向前倾5°。其它与【具体实施方式】一相同。
[0038]【具体实施方式】六:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:激光功率为1700?2000W，光斑直径为4mm，焊接速度为8mm/s?10mm/s，送粉速度为12g/min?15g/min，送粉载气流量为15L/min?20L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min ;激光头沿焊接方向前倾5°。其它与【具体实施方式】一相同。
[0039]【具体实施方式】七:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:激光功率为1800W，光斑直径为4mm，焊接速度为9mm/s，送粉速度为12g/min，送粉载气流量为15L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min ;激光头沿焊接方向前倾5°。其它与【具体实施方式】一相同。
[0040]【具体实施方式】八:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:激光功率为1600W，光斑直径为4mm，焊接速度为7mm/s，送粉速度为10g/min，送粉载气流量为18L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min ;激光头沿焊接方向前倾5°。其它与【具体实施方式】一相同。
[0041]【具体实施方式】九:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:激光功率为1100W，光斑直径为4mm，焊接速度为8mm/s，送粉速度为13g/min，送粉载气流量为18L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min ;激光头沿焊接方向前倾5°。其它与【具体实施方式】一相同。
[0042]【具体实施方式】十:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:激光功率为1000W，光斑直径为4mm，焊接速度为10mm/s，送粉速度为10g/min，送粉载气流量为15L/min，保护气以及束流气流量均为5L/min ;激光头沿焊接方向前倾5°。其它与【具体实施方式】一相同。
[0043]【具体实施方式】^^一:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:步骤二中所述的混合填充粉末中填充粉末与增强相颗粒的比例根据待焊工件中基体材料与增强相的比例来确定，即混合填充粉末的体积大于待焊金属基复合材料中基体与增强相的体积。其它与【具体实施方式】一相同。
[0044]【具体实施方式】十二:本实施方式与【具体实施方式】一不同的是:所述的待焊工件为颗粒增强金属基复合材料，如SiCp/Al、A1203/Al、SiCp/Mg、TiC/Ti或WC/Ni颗粒增强金属基复合材料。其它与【具体实施方式】一相同。
[0045]本
【发明内容】
不仅限于上述各实施方式的内容，其中一个或几个【具体实施方式】的组合同样也可以实现发明的目的。
[0046]通过以下实施例验证本发明的有益效果:
[0047]分别采用常规激光焊和本方法对1mm厚体积分数为55 %的Sip/AlSi20复合材料板材进行焊接，具体试验方法如下:
[0048]实施例1
[0049]常规激光焊过程如下:
[0050]将待焊Sip/AlSi20复合材料1mm厚板材加工成80 X 40mm2规格，将待焊位置附近表面进行清理、打磨，不留间隙对