一种金属焊接头的超快激光差异微纳米织构方法

摘要

本发明属于激光微细加工技术领域，具体涉及一种金属焊接头的超快激光差异微纳米织构方法，为基于超快激光精确选区、形貌可控的差异性功能化微纳米织构技术，以超快激光为能量源，针对金属焊接接头不同区域(焊缝区、热影响区和母材区)差异性的物相成分和微观组织结构进行针对性的功能化微纳米织构，进而实现对接头表面及端面区域的表面改型和改性，进而提高金属焊接头表面及端部区域的耐腐蚀和抗磨损性能。

权利要求

1.一种金属焊接头的超快激光差异微纳米织构方法，其特征在于，步骤包括：(1)根据测量的经预处理的金属焊接头的物相成分和微观组织结构，确定金属焊接头的焊缝区、热影响区和母材区，及各区域在物相成分和微观组织结构上的差异；(2)根据焊缝区、热影响区和母材区各区域的物相成分和微观组织结构，差异化选取超快激光跨尺度微纳米织构，对焊缝区、热影响区和母材区各区域内的表面和/或端面进行超快激光织构，以使焊缝区、热影响区和母材区各区域内的表面和/或端面的组织形貌统一化，和/或晶型及晶粒大小均一化，和/或晶粒细化，和/或形成均匀化的混晶，和/或改善畸变，和/或改变物相及物相成分，以实现焊缝区、热影响区和母材区各区域内的表面和/或端面组织的均匀化、连续化及互溶化。

2.根据权利要求1所述的超快激光差异微纳米织构方法，其特征在于，所述超快激光跨尺度微纳米织构包括单周期纳米波纹织构、双周期纳米波纹织构、微纳米颗粒织构或者复合微纳织构。

3.根据权利要求2所述的超快激光差异微纳米织构方法，其特征在于，所述复合微纳织构由相互间隔呈横向、纵向、横向和纵向垂直或者横向和纵向多角度相互交叉排列的、尺寸可调的多个单位织构组成。

4.根据权利要求3所述的超快激光差异微纳米织构方法，其特征在于，所述单位织构的形状有圆形、椭圆形、波纹槽状、直线槽状或者方形。

5.根据权利要求2所述的超快激光差异微纳米织构方法，其特征在于，所述复合微纳织构的形状包括密缝形、方格形、孔洞形、圆形凹坑形、正交方柱形或者平行光栅形。

6.根据权利要求1所述的超快激光差异微纳米织构方法，其特征在于，所述超快激光的参数包括：脉冲宽度小于12ps，波长355～1064nm，功率0～2W，重复频率1～100KHz。

7.根据权利要求1所述的超快激光差异微纳米织构方法，其特征在于，所述金属焊接头的物相成分和微观组织结构的测量方法包括：使用金相显微镜和/或扫描电子显微镜观测金属焊接头的表面形貌；利用扫描电镜自带的EDX能谱仪分析金属焊接头的化学成分；使用透射电子显微镜和/或X射线衍射仪对金属焊接头的相结构和晶格参数的进行分析测试。

8.根据权利要求7所述的超快激光差异微纳米织构方法，其特征在于，所述表面形貌包括晶粒类型、和/或晶粒大小、和/或晶粒分布，所述金属焊接头的化学成分分析包括晶界和/或晶内的差异性元素含量。

9.根据权利要求1所述的超快激光差异微纳米织构方法，其特征在于，所述焊缝区、热影响区和母材区各区域内的表面和/或端面的形状为平面或者曲面。

10.根据权利要求1所述的超快激光差异微纳米织构方法，其特征在于，所述金属焊接头的预处理方法包括依次进行的打磨和清洁，打磨去金属焊接头表面和端部区域的杂质、氧化物和油污，之后用丙酮清洗。

说明书

一种金属焊接头的超快激光差异微纳米织构方法

技术领域

[0001] 本发明属于激光微细加工技术领域，具体涉及一种金属焊接头的超快激光差异微纳米织构方法。

背景技术

[0002] 金属材料的焊接是以加热、高温或者高压的方式接合同种或异种金属并实现永久性连接的一种制造工艺及技术，在航空航天、汽车制造、轮船制造等多个领域均有广泛的应用。金属焊接的方法主要包括熔焊、钎焊和搅拌摩擦焊等。其中，熔焊是通过加热使结合件的局部熔化形成熔池，熔池冷却凝固后使得结合件相互连接，在熔焊中，根据需要还可能在加热焊接件的同时填充其它焊接材料辅助焊接。钎焊的主要特点是采用比焊接件熔点低的金属材料作为钎料，通过加热使钎料熔化润湿不熔化的母材，同时，熔化后的钎料将填充在接头区域并与母材相互扩散实现焊接。搅拌摩擦焊是通过一个柱形带特殊轴肩和针凸的搅拌头高速旋转并缓慢插入工件，在搅拌头和被焊接材料产生的摩擦热作用下搅拌头邻近区域的材料开始塑化，当搅拌头旋转着向前移动时，热塑化的金属材料从搅拌头的前沿向后沿转移，并且在搅拌头轴肩与工件表层摩擦生热和锻压共同作用下，形成固相连接接头。

[0003] 对于金属材料的焊接，不论采用何种方式，焊接后均存在接头区，且根据接头不同区域的物相成分和微观组织结构，焊接接头被分为焊缝区、热影响区(搅拌摩擦焊焊接接头还存在热机械影响区)和母材区。其中，焊缝区材料的变化表现为从固态变成液态再凝固结晶成固态，结晶过程中，由于焊接热作用的影响，焊缝区的晶粒普遍较母材区更加的细小，焊缝中心普遍为细小的等轴晶，焊缝区边缘晶粒成长方向沿热流的反方向成为柱状晶，更进一步，由于热作用的影响还可能导致焊缝区的晶格畸变，同时，晶粒特别是晶界处普遍有新的析出相，使得焊缝区的化学成分发生变化。热影响区虽然始终为固态但由于热作用的影响使得晶粒变大，在晶粒内部及晶界处也可能有新的析出相。最后，母材区虽然也会有一定的热作用但不会对材料的组织及化学成分等有任何的影响。总之，焊接接头是同一基体但带有差异性微观组织结构的独特区域，材料的物相成分和微观组织结构，如化学成分、组织结晶形态(晶粒形态和大小、晶格畸变等)、析出相成分及分布等均有不相同。再者，焊接接头各区域间为复杂的曲线，各区域均呈无规则状。正是由于各个区域物相成分和微观组织结构的不同，使得焊接接头特别是热影响区的耐腐蚀性及抗磨损性较母材区弱。腐蚀和磨损是材料失效的主要形式，因此，研究强化焊接接头的耐腐蚀及抗磨损性的方法具有重要的现实意义。

发明内容

[0004] 为解决上述技术难点，本发明提供一种金属焊接头的超快激光差异微纳米织构方法，以超快激光为能量源，针对焊接头不同区域(焊缝区、热影响区和母材区)差异性的物相成分和微观组织结构针对性的选择超快激光的功能化微纳米织构，实现焊接头的表面及端面区域的表面改型和改性，达到耐腐蚀抗磨损的功效。

[0005] 为达到上述目的，本发明的技术方案为：一种金属焊接头的超快激光差异微纳米织构方法，步骤包括：(1)根据测量的经预处理的金属焊接头的物相成分和微观组织结构，确定金属焊接头的焊缝区、热影响区和母材区，及各区域在物相成分和微观组织结构上的差异；

[0006] (2)根据焊缝区、热影响区和母材区各区域的物相成分和微观组织结构，差异化选取超快激光跨尺度微纳米织构，对焊缝区、热影响区和母材区各区域内的表面和/或端面进行超快激光织构，以使焊缝区、热影响区和母材区各区域内的表面和/或端面的组织形貌统一化，和/或晶型及晶粒大小均一化，和/或晶粒细化，和/或形成均匀化的混晶，和/或改善畸变，和/或改变物相及物相成分，以实现焊缝区、热影响区和母材区各区域内的表面和/或端面组织的均匀化、连续化及互溶化。

[0007] 所述超快激光跨尺度微纳米织构包括单周期纳米波纹织构、双周期纳米波纹织构、微纳米颗粒织构或者复合微纳织构等。

[0008] 所述复合微纳织构由相互间隔呈横向、纵向、横向和纵向垂直或者横向和纵向多角度相互交叉排列的、尺寸可调的多个单位织构组成。所述复合微纳织构的形状包括密缝形、方格形、孔洞形、圆形凹坑形、正交方柱形或者平行光栅形等。所述单位织构的形状有圆形、椭圆形、波纹槽状、直线槽状或者方形等。

[0009] 所述超快激光的参数包括：脉冲宽度小于12ps，波长355～1064nm，功率0～2W，重复频率1～100KHz。

[0010] 所述金属焊接头的物相成分和微观组织结构的测量方法包括：使用金相显微镜和/或扫描电子显微镜观测金属焊接头的表面形貌；利用扫描电镜自带的EDX能谱仪分析金属焊接头的化学成分；使用透射电子显微镜和/或X射线衍射仪对金属焊接头的相结构和晶格参数的进行分析测试。

[0011] 所述表面形貌包括晶粒类型、和/或晶粒大小、和/或晶粒分布。

[0012] 所述金属焊接头的化学成分分析包括晶界和/或晶内的差异性元素含量。

[0013] 所述焊缝区、热影响区和母材区各区域内的表面和/或端面的形状为平面或者曲面。

[0014] 所述金属焊接头的预处理方法包括依次进行的打磨和清洁，打磨去金属焊接头表面和端部区域的杂质、氧化物和油污，之后用丙酮清洗。具体的，用砂纸打磨金属焊接头，砂纸选用金相砂纸；丙酮清洗方式为超声，超声处理后用蒸馏水冲洗，晾干备用。

[0015] 相对于现有技术，本发明的优点为：

[0016] 本发明方法依据金属焊接头不同区域(焊缝区、热影响区和母材区)差异性的物相成分和微观组织结构，以超快激光为能量源，充分利用超快激光微纳米织构技术的精确选区加工、形貌可控加工的优点，对不同类型的金属焊接头的不同平/曲面区域进行差异性的功能化表面织构，提高金属焊接头上各区域(焊缝区、热影响区和母材区)的耐腐蚀及抗磨损性能，从而改善整个金属焊接头和金属焊接件的耐腐蚀及抗磨损性能。

附图说明

[0017] 图1为金属焊接头的焊缝区、热影响区及母材区分布示意图。图中，A-焊缝区，B-热影响区，C-母材区。

[0018] 图2为不同类型金属焊接头的焊缝区、热影响区及母材区分布示意图。图中，A-焊缝区，B-热影响区，C-母材区。

[0019] 图3为超快激光微纳米织构特征电镜图和示意图。图3(a)为超快激光纳米级诱导表面波纹和低微米级烧蚀孔洞结构的电镜图：单周期纳米波纹、双周期纳米波纹和微纳米颗粒；图3(b)为超快激光烧蚀大面积微纳复合表面结构的电镜图(即复合微纳织构)，包括密缝、方格、孔洞、圆形凹坑、正交方柱、平行光栅；图3(c)为超快激光烧蚀微米级大面积结构示意图，包括微孔结构、微槽结构和交叉结构，图中，a为横轴方向上相邻两个微孔的中心间距离，b为纵轴方向上相邻两个微孔的中心间距离，c为微孔的直径；d为沿横轴方向排列的相邻两个微槽的中心线间距离，e为微槽的宽度；f为微槽交叉排列结构中沿横轴方向排列的相邻两个微槽的中心线间距离，g为微槽交叉排列结构中沿横轴方向排列的微槽的宽度，h为微槽交叉排列结构中沿纵轴方向排列的相邻两个微槽的中心线间距离，i为微槽交叉排列结构中沿纵轴方向排列的微槽的宽度，a、b、c、d、e、f、g、h、i均为变量。

[0020] 图4为焊接头的超快激光微纳米织构示意图。图中，A-焊缝区，B-热影响区，C-母材区。

具体实施方式

[0021] 下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明，但本发明的实施并不限于以下实施例。

[0022] 如图1和图2所示，根据金属焊接头不同区域的物相成分和微观组织结构的差异，将金属焊接头划分为焊缝区(A)、热影响区(B)和母材区(C)，焊缝区(A)的表面普遍为曲面，热影响区(B)和母材区(C)的表面为平面或曲面。焊接过程中，金属焊接头的焊缝区、热影响区和母材区内进行的物理和化学变化不同，即使在各自区域内，所进行的物理和化学变化也存在差异，焊缝区、热影响区和母材区各自区域内的物相成分和微观组织结构同样也存在差异，导致金属焊接头耐腐蚀及抗磨损性的降低。

[0023] 激光由于良好的方向性、相干性及高的能量密度，与物质相互作用，从而被广泛应用到切割、焊接、表面处理和打孔等物质加工技术领域。利用激光进行的表面处理，可在较短时间内完成，并使工件表面的组织结构发生变化，形成一定厚度的表面改性层；且工件表面的激光处理具有可选择性，有利于针对性的改善工件表面的物理和力学性能，使工件整体保持足够的韧性和强度，提高耐腐蚀和抗磨损性能，获得较高的、特定的使用性能。

[0024] 本发明的具体操作为：

[0025] (1)选取一块带有焊接头的金属焊接件并对其进行预处理，主要包括用金相砂纸对接头表面和端部区域的均匀打磨，目的是为了去除表面的氧化物及油污等杂质，此后，将该金属焊接件置于丙酮中经超声波清洗干净后取出并用蒸馏水冲洗，晾干备用。

[0026] (2)使用金相显微镜观测预处理后的金属焊接件的焊接头区域的表面形貌，具体包括晶粒的类型、大小及分布；使用扫描电子显微镜观测焊接头区域的形貌；利用扫描电镜自带的EDX能谱仪分析焊接头区域的化学成分，特别要关注晶界及晶内的差异性元素含量；使用透射电子显微镜及X射线衍射仪进行焊接头区域的相结构和晶格参数的分析测试。

[0027] (3)根据测量，分析并确定焊接头的不同区域，即焊缝区、热影响区及母材区，以及各区域在物相成分及微观组织结构上的差异。

[0028] (4)切割不同区域并制备各区域试样。

[0029] (5)对各个区域的试样进行超快激光表面微纳米功能化织构，其中，超快激光基本参数包括脉冲宽度小于12ps，波长355～1064nm，功率0～2W，重复频率1～100KHz。并根据图3所示的具体织构形貌，调节激光能量值、照射单个微孔的烧蚀脉冲数或烧蚀微槽时的扫描速度和扫描次数，并根据织构微结构的间距，调节样品的移动距离，最终在各区域试样的表面织构出如图4所示的不同的表面微纳米结构。

[0030] 图3(a)为超快激光纳米级诱导表面波纹和低微米级烧蚀孔洞结构的电镜图：单周期纳米波纹、双周期纳米波纹和微纳米颗粒；图3(b)为超快激光烧蚀大面积微纳复合表面结构的电镜图(即复合微纳织构)，包括密缝、方格、孔洞、圆形凹坑、正交方柱、平行光栅；图3(c)为超快激光烧蚀微米级大面积结构示意图，包括微孔结构、微槽结构和交叉结构，其单位织构的形状分别为圆形、直线槽状和方形。

[0031] 超快激光金属表面微纳米织构主要包括激光诱导和激光刻蚀两种加工机制。其中，激光诱导的微结构尺寸普遍在纳米量级，其机理可以概括为入射激光与金属表面散射波的干涉，且材料的去除在纳米尺度。再者，激光刻蚀是以激光束对金属材料的烧蚀为基础的一种微米级结构的加工。总之，通过超快激光的微纳米织构，可以获得表面的统一化组织形貌、均一化晶型及晶粒大小、细化晶粒、均匀化“混晶”状态、改善畸变、改变物相及物相成分等，提高表面改性层的硬度及耐腐蚀和抗磨损性能。

[0032] (6)对各区域的织构化试样进行耐腐蚀及抗磨损测试，研究差异性功能化织构的耐腐蚀及抗磨损机理，以测试结果为基础，获得针对不同区域的最佳功能化形貌，最终获得改善焊接接头耐腐蚀及抗磨损性的最佳织构特征及其工艺参数。