[发明专利]一种利用激光压力焊制造多层复合金属板的方法及装置

说明书

技术领域

本发明属于复合金属板制造技术领域，具体是一种利用激光压力焊制造多层复合金属板的方法及装置。

背景技术

随着现代工业技术的发展和各种新技术、新产业的出现，人们对材料性能的要求日益增高，在某些工况条件下单层材料的性能已经很难满足要求。通过各种不同连接方法将不同金属材料复合为一体，制备成金属复合板，得到单层金属材料所不具有的物理、化学性能以及力学特性，满足高强度、高比刚度、抗疲劳性、尺寸稳定、耐磨、抗振等性能的要求，同时大大节省稀贵材料，降低成本，已广泛应用于化工、电力、机械、船舶、航空等领域。

例如，要求具备抗腐蚀能力的压力容器，以采用不锈钢制造为宜，但成本较高。如果采用普通碳素钢与不锈钢复合而成的复合板制造这类压力容器，不锈钢板的厚度仅需为整体厚度的2％-10％，这样不仅达到了压力容器的抗腐蚀性能，而且大大降低了成本。另外，对于铜、镍、铬、锆、钛等价格昂贵的稀缺金属，若使用双层或多层复合材料则能大大节省资源。

因此，研究和制备新型复合材料成了材料科学与工程领域中一个重要的发展方向，开发研制新型金属基复合材料具有十分紧迫的现实意义，也必将带来显著的经济效益和社会效益。

爆炸焊接、轧制、爆炸+轧制复合法是目前3种主要的层状金属复合板的生产方法。

爆炸复合是将基板平放在一个平坦坚固的工作台上，将复层板以一定角度置于基层板的上方，并将炸药布置在复层板上方，为防止较薄的复层板损坏，常常在炸药和复层板之间垫上一层金属或其它材料的缓冲板。通过引爆炸药产生的高强化学能驱动复层板对基层板产生极强的高速斜碰撞，碰撞点产生的瞬间高压不仅破坏了金属板表层的氧化薄膜，露出了新鲜的表面，而且在露出新鲜金属表面上形成了一薄层具有塑性变形、熔化、扩散以及波形特征的焊接过渡区，从而使两板间界面达到原子间的结合，达到具有一定剪切强度的复合材料。

轧制复合法是指金属板在受到轧机施加于其上强大压力的作用下，在两层金属的待复合表面发生塑性变形，使表面金属层破裂。随后，洁净而活化的金属层从破裂的金属表面露出，在强大压力作用下，形成平面状的冶金结合。在后续的热处理过程中结合面继续扩大，形成稳固结合。轧制复合与单金属板轧制的根本区别在于，必须施以大的初始道次压下量，促使复合面的物理接触。轧制复合又可分为热轧复合和冷轧复合。

对于生产较薄的(≤6mm)和对表面质量要求较高的层状金属复合板则比较困难；轧制复合法虽然可以生产不同厚度和表面质量较高的层状复合板，但是复合板的组元成份和宽度受到轧机轧制能力限制。人们综合这两种生产方法的优缺点后，采用爆炸复合法，即先通过爆炸复合法制备较厚的复合板坯，再根据不同的要求，通过热轧或冷轧或热轧+冷轧的工艺轧制成所需的金属复合板。

上述三种复合板的制造方法都存在一些共同的缺点或各自的缺点：①上述三种复合方法都不能连续化生产，只能单件生产，效率很低。②爆炸复合的影响因素很复杂，如炸药的型号和数量、复层板与基层板放置时的夹角和间距、缓冲材料的选择等。因此，难以预测各个因素的影响，难以规范化控制爆炸复合工艺，难以大量生产。

③轧制复合需要复杂昂贵的轧制设备。

激光焊接技术是20世纪60年代起发展起来的一种先进的焊接方法，与传统的焊接方法相比，激光焊接效率高、变形小，可达性好，不受电磁干扰，不需真空，不产生X射线。特别是随着激光器输出功率(据报导，目前可实际应用的光纤激光器功率可达2万W)、光束质量的不断发展，为激光技术在材料加工方面的应用不断开拓新的领域，使利用激光技术来制造多层金属夹层板成为可能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种适用于制造多层金属复合板的激光压力焊接方法。本方法通过特定的光学系统聚焦激光光斑并将线性光斑导入楔形焊接区，利用偏振光的布儒斯特效应，提高金属板片对激光的吸收效率，借助于滚轮的压力将两层或多层板片叠焊在一起，实现多层金属板片的复合焊接，该方法适用于不同板厚、多层金属复合板的制造。

本发明的具体方案为：

一种利用激光压力焊制造多层复合金属板的方法，将激光束1利用柱面聚焦镜3聚焦成线性光斑并将聚焦后的线性光斑引导至焊接区，所述焊接区是由两被复合的片4和5在固定压力滚轮6和可动压力滚轮7的压力作用下弯曲变形形成的楔形区域，移动头2带动激光束在压轮轴向的方向往复运动，移动头2在压轮轴向的往复运动与两压力轮6和7的转动组合，实现被复合的片4和5的激光压力复合焊接；利用偏振光的布儒斯特效应，调节激光束的入射角度，提高被复合的片4和5对激光的吸收效率。