[发明专利]一种金属焊接头的超快激光差异微纳米织构方法

说明书

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。

技术领域

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

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。

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

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。

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；

(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。

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。