激光焊接技術在粉末冶金材料中的應用

　　隨著科學技術的不斷發(fā)展，許多工業(yè)技術上對材料特殊要求，應用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要，所以采用粉末冶金方法制取一部分現(xiàn)代工業(yè)上應用的材料尤為必要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點，在某些領域如汽車、飛機、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展，它與其它零件的連接問題顯得日益突出，釬焊和凸焊一直是粉末冶金材料連接最常用的方法，但由于結合強度低，熱影響區(qū)寬，特別不能適合高溫及強度要求高的場合[1]，使粉末冶金材料的應用受到限制。

　　在八十年代初期，激光焊以其獨特的優(yōu)點進入粉末冶金材料加工領域。與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊具有以下特點:深寬比大，焊縫窄，焊縫結合強度高;熱影響區(qū)小，對周圍組織無影響，焊接變形小;可以實現(xiàn)焊接過程自動化，生產效率高。因而在粉末冶金材料加工領域發(fā)展較快，典型應用是在金剛石工具制造中。在八十年代初，Mosca就發(fā)現(xiàn)CO2激光能很成功的焊接某些P/M材料，當條件選擇得當時，焊縫結合強度較高，熱影響區(qū)很窄，還發(fā)現(xiàn)激光焊接的結果對燒結條件很敏感:吸熱型氣體不適合作激光焊接材料的燒結氣氛;在氫氣、分解氨和真空中燒結的材料都能成功地應用于激光焊接中[2]。英國的Nimbus金剛石工具公司于1985年底引進激光焊接技術，到目前為止，該公司已投資25萬英磅用于開展這種高新技術方法焊接金剛石扇形塊。在德國，Dr.FritschSondermaschinenGmbh公司已研究出新的全自動激光焊接方法，用于焊接金剛石鉆頭和鋸片，大大地提高了焊接強度。此外，意大利、日本、比利時也有這方面的報道[3][4][5]。

　　近年來，我國從事這方面的研究工作的單位逐漸增多，如華中理工大學激光加工國家工程研究中心就成功地將激光焊接技術應用于金剛石鋸片和鉆頭的生產中，改變了傳統(tǒng)的燒結和釬焊工藝，使連接部位的強度和高溫強度大大提高[7]。

　　2激光焊接工藝特點

　　2.1影響焊接質量的主要因素

　　2 1 1材料成份合金元素的含量、種類對焊縫強度、韌性、硬度等力學性能影響很大。燒結低碳鋼、燒結Ni和Cu合金、Co合金在一定條件下，均能成功地進行激光焊接。燒結中碳鋼采取焊前預熱和焊后緩冷的措施也可保證焊接質量，降低裂紋敏感性，圖1表示了中碳鋼預熱和不預熱條件下焊縫區(qū)的顯微硬度分布，預熱時硬度降低，接頭韌性增加，因為組織由貝氏體和少量的珠光體代替了針狀馬氏體。

　　2 1 2燒結條件在氫氣、分解氨和真空中燒結的材料均能成功的進行激光焊接，在干凈的還原性氣氛中燒結的材料焊后出現(xiàn)的氣孔、孔洞、夾雜和氧化物較小;此外，合適的燒結溫度、保溫時間、壓力及溫度-壓力曲線也是焊接成功的重要保證。

　　2 1 3孔隙孔隙的數(shù)量、形態(tài)和分布影響材料的物理性能如熱傳導率、熱膨脹率和淬硬性等，這些物理性能直接影響材料可焊性[1]，使焊接較同成份的冶鑄材料相比難度加大。對于激光焊接零件來講，大量的孔隙會使焊接強度降低甚至焊接過程無法進行。

　　2 1 4密度致密而力學性能好的試樣較疏松而力學性能差的試樣在相同的條件下有更好的焊接性。低于一定的密度(<6.5g/cm3)的材料幾乎不能采用熔化焊的方法進行焊接，因為低的強度和扭轉強度不允許材料吸收能量;中等密度(<6.9g/cm3)的材料可以進行熔化焊，但以熔化少量體積的焊接方法如電阻凸焊、摩擦焊為好，焊接成功率較高;高密度(>7.0g/cm3)的燒結材料與冶鑄材料幾乎有同樣的焊接性。密度不僅對焊接強度而且對焊接缺陷特別是氣孔影響很大，低于一定密度的燒結材料焊后強度低，氣孔多。密度低的材料焊后將有一個大缺口，密度越低，缺口越深，缺口將影響疲勞強度;此外密度對焊接熔深也有影響，在激光功率和焊接速度一定時，密度越大，熔深越淺。圖2是激光功率與焊接速度一定時，密度對焊縫收縮性及對熔深的影響，(a)表示了密度對熔深的影響，(b)表示了密度對焊縫收縮性的影響。

　　2 1 5焊前準備工作由于激光光斑很小，所以對間隙配合精度要求較高，對接時一般要求間隙在0.1mm以下，此外為減少氣孔等焊接缺陷，焊接部位必須去除氧化皮、油污并進行干燥。圖2(b)密度對熔焊縫收縮性的影響

　　2.2主要焊接工藝參數(shù)影響

　　焊接質量的主要工藝參數(shù)有:激光功率、焊接速度、透鏡焦距、聚焦位置、保護氣體等。激光功率和焊接速度是影響焊接質量的最主要參數(shù)，焊接厚度取決于激光功率，約為功率(kW)的0.7次方，通常功率增大，焊接深度增加;速度增加，熔深變淺，焊縫和熱影響區(qū)變窄，生產率增高。過大的焊接速度與焊接功率將增大氣孔和孔洞傾向。表1是幾種材料焊接功率與速度參考值(材料厚度3mm)。

　　透鏡焦距由輸出激光的光斑直徑?jīng)Q定，兩者之間存在一最佳匹配值。一般說來，所須焊接的深度越深，透鏡焦距越長，短焦距透鏡對聚焦的要求較高，而且粉末冶金材料焊接時飛濺較大，透鏡污染嚴重;太長焦距的透鏡由于衍射使焦點變大，焦點處的能量密度不能達到最大值。國內一般采用透鏡聚焦光學系統(tǒng)，該系統(tǒng)只能用于激光功率較小的場合，較高的激光功率將引起透鏡焦點漂移，使焊縫的成形和質量較差。國外較高功率場合大都采用反射鏡聚焦光學系統(tǒng)，由于冷卻條件好，熱穩(wěn)定性好，焊縫成形均勻美觀，焊接質量可靠。激光焦點在工件下方的特殊位置能得到最大的焊接深度，即約為板厚的1/3處;水平的焦點位置根據(jù)情況而定，對金剛石圓鋸片而言，應選取靠基體側，偏移量約0.1～0.2mm的位置上，圖3為不同偏移量下的熔合深度。圖4為金剛石圓鋸片激光焊接的激光與工件的作用位置。保護氣體的作用是保護聚焦透鏡，防止焊縫氧化，采用惰性氣體進行保護，氦氣最好。在我國，由于He價格昂貴，一般采用氬氣，氣體流量應控制好，如果太小，不起作用;如果太大，既浪費氣體，又使焊接熔池翻滾，焊縫表面出現(xiàn)一波一波的凸起。

　　3焊接質量檢測及分析

　　3.1焊接質量檢測

　　3 1 1外觀檢測觀察焊縫表面是否有孔洞、裂紋、咬邊、未焊透等明顯缺陷。

　　3 1 2無損檢測無損檢測的方法有:滲透探傷法;磁粉探傷法;射線探傷法;超聲波探傷法等，應根據(jù)需要進行選擇。

　　3 1 3力學性能檢測根據(jù)零件的工作狀態(tài)分別進行拉伸、彎曲、硬度、沖擊等試驗，如果斷裂在焊縫，說明焊接強度低于母材。

　　3 1 4微觀檢測采取金相分析焊縫的成形、微觀組織、焊縫缺陷，測試焊接區(qū)的顯微硬度分布，用掃描電鏡分析焊接區(qū)成份的變化等。

　　3 1 5特殊性能檢測對工作于特殊工作環(huán)境下的零件，還需進行耐腐蝕、疲勞等特殊性能測試。以上5種方法中，前兩種主要用于焊接生產線上，后三種主要用于試驗研究及抽樣調查中。

　　3.2缺陷分析

　　3 2 1氣孔和孔洞與冶鑄材料相比，粉末冶金材料的激光焊接中。最明顯的缺陷是氣孔和孔洞。氣孔和孔洞不僅影響外觀質量，更嚴重地削弱了焊縫有效承載面積，產生應力集中，降低了接頭強度。常見的氣孔形狀有線形、圓形、蜂窩形、條蟲形等。燒結材料內部的孔隙吸附了大量的氣體，在快速焊接中，來不及逸出而留在焊縫中。而孔洞則主要是由于燒結氣氛不干凈，不能去除氧到足夠程度，氧化物等其它雜質吸收激光能量比母材多，過熱所致。Mn、Si、Ti、Al等與氧親和力強的合金元素在焊接過程中能有效地去除氧，減少氣孔和孔洞傾向;優(yōu)化燒結工藝，提高工件致密性，減少材料內部孔隙，從而減少吸附氣體也是減少氣孔的有效途徑;改善燒結條件，如采用真空或在還原氣氛中燒結，也有助于減少氣孔和孔洞;此外，降低焊縫區(qū)低熔點材料的含量和做好焊前清理工作也是有益的。

　　3 2 2裂紋主要有冷裂紋、熱裂紋，金剛石工具中還易產生層間裂紋。冷裂紋主要產生于含碳量較高和合金成份較多的材料中，這類材料焊后產生脆性馬氏體，產生高的內應力從而引起裂紋。解決這類裂紋的辦法是焊前預熱、焊后緩冷，或者采用小規(guī)范的焊接參數(shù)。金剛石工具激光焊中的層間裂紋的產生主要是因為金剛石層和過渡層材料線膨脹系數(shù)相差較大，在焊接熱循環(huán)作用下，產生大的內應力從而產生剪切，或者是材料中含有的低熔點物質較多且偏析于層間，在焊接熱應力作用下產生裂紋。解決熱裂紋的辦法一是根據(jù)裂紋的性質合理地改善材料的合金系統(tǒng)，如添加一定的Mn、Mo、W、Cr都能有效地防止裂紋，利用變質劑細化焊縫一次結晶組織，對于防止焊縫結晶裂紋也有一定的效果;二是限制有害雜質S、P的含量，含Ni量越高的合金，越要注意限制，這是因為Ni與S能形成熔點更低的硫化物及其共晶體。

　　3 2 3強度過低成份、燒結條件和后熱處理都能影響接頭強度。除去材料因素外，過多的氣孔和孔洞是造成接頭強度低的重要原因，其次材料的密度太低也使焊縫疏松，強度較低。

　　4發(fā)展前景和存在的問題

　　激光焊接技術以其獨特的優(yōu)點進入粉末冶金材料加工領域，為粉末冶金材料的應用開辟了新的前景，如應用于金剛石圓鋸片和金剛石鉆頭中，使得結合強度和高溫強度大大提高，使產品可用于干切或通水條件不好的場合，自動化的生產使得生產率提高，成本下降，增強了產品的市場競爭力;焊接時不加填充料，保證了焊縫金屬的連續(xù)和一致，這對磁體組件來說是非常重要的。但是，激光焊接技術目前在粉末冶金材料領域的研究和應用還十分有限，主要是因為粉末冶金材料焊接時難以避免氣孔及孔洞的出現(xiàn)，從而使焊縫外觀、焊接質量受到影響;焊接工藝及材料的選取也比一般的冶鑄材料難度大;此外焊縫強度雖然比釬焊和凸焊高，但對工裝夾具、配合精度及焊前準備工作要求較高，加之一次性投資大，所以應用受到限制。降低激光器的價格和運行成本，更多的進行粉末冶金材料的激光焊接工藝、材料及其焊接行為等基礎研究，是推廣激光技術在粉末冶金材料加工中應用的重要前提。