激光焊接技术在粉末冶金材料中的应用

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　　1前言

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　　随着科学技术的不断发展，许多工业技术上对材料特殊要求，应用冶铸方法制造的材料已不能满足需要，所以采用粉末冶金方法制取一部分现代工业上应用的材料尤为必要。由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造优点，在某些领域如汽车、飞机、工具刃具制造业中正在取代传统的冶铸材料，随着粉末冶金材料的日益发展，它与其它零件的连接问题显得日益突出，钎焊和凸焊一直是粉末冶金材料连接最常用的方法，但由于结合强度低，热影响区宽，特别不能适合高温及强度要求高的场合[1]，使粉末冶金材料的应用受到限制。

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　　在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域。与传统的焊接方法相比，激光焊具有以下特点:深宽比大，焊缝窄，焊缝结合强度高;热影响区小，对周围组织无影响，焊接变形小;可以实现焊接过程自动化，生产效率高。因而在粉末冶金材料加工领域发展较快，典型应用是在金刚石工具制造中。在八十年代初，Mosca就发现CO2激光能很成功的焊接某些P/M材料，当条件选择得当时，焊缝结合强度较高，热影响区很窄，还发现激光焊接的结果对烧结条件很敏感:吸热型气体不适合作激光焊接材料的烧结气氛;在氢气、分解氨和真空中烧结的材料都能成功地应用于激光焊接中[2]。英国的Nimbus金刚石工具公司于1985年底引进激光焊接技术，到目前为止，该公司已投资25万英磅用于开展这种高新技术方法焊接金刚石扇形块。在德国，Dr.FritschSondermaschinenGmbh公司已研究出新的全自动激光焊接方法，用于焊接金刚石钻头和锯片，大大地提高了焊接强度。此外，意大利、日本、比利时也有这方面的报道[3][4][5]。

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　　近年来，我国从事这方面的研究工作的单位逐渐增多，如华中理工大学激光加工国家工程研究中心就成功地将激光焊接技术应用于金刚石锯片和钻头的生产中，改变了传统的烧结和钎焊工艺，使连接部位的强度和高温强度大大提高[7]。

　　2激光焊接工艺特点

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　　2.1影响焊接质量的主要因素

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　　2 1 1材料成份合金元素的含量、种类对焊缝强度、韧性、硬度等力学性能影响很大。烧结低碳钢、烧结Ni和Cu合金、Co合金在一定条件下，均能成功地进行激光焊接。烧结中碳钢采取焊前预热和焊后缓冷的措施也可保证焊接质量，降低裂纹敏感性，图1表示了中碳钢预热和不预热条件下焊缝区的显微硬度分布，预热时硬度降低，接头韧性增加，因为组织由贝氏体和少量的珠光体代替了针状马氏体。

　　2 1 2烧结条件在氢气、分解氨和真空中烧结的材料均能成功的进行激光焊接，在干净的还原性气氛中烧结的材料焊后出现的气孔、孔洞、夹杂和氧化物较小;此外，合适的烧结温度、保温时间、压力及温度-压力曲线也是焊接成功的重要保证。

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　　2 1 3孔隙孔隙的数量、形态和分布影响材料的物理性能如热传导率、热膨胀率和淬硬性等，这些物理性能直接影响材料可焊性[1]，使焊接较同成份的冶铸材料相比难度加大。对于激光焊接零件来讲，大量的孔隙会使焊接强度降低甚至焊接过程无法进行。

　　2 1 4密度致密而力学性能好的试样较疏松而力学性能差的试样在相同的条件下有更好的焊接性。低于一定的密度(<6.5g/cm3)的材料几乎不能采用熔化焊的方法进行焊接，因为低的强度和扭转强度不允许材料吸收能量;中等密度(<6.9g/cm3)的材料可以进行熔化焊，但以熔化少量体积的焊接方法如电阻凸焊、摩擦焊为好，焊接成功率较高;高密度(>7.0g/cm3)的烧结材料与冶铸材料几乎有同样的焊接性。密度不仅对焊接强度而且对焊接缺陷特别是气孔影响很大，低于一定密度的烧结材料焊后强度低，气孔多。密度低的材料焊后将有一个大缺口，密度越低，缺口越深，缺口将影响疲劳强度;此外密度对焊接熔深也有影响，在激光功率和焊接速度一定时，密度越大，熔深越浅。图2是激光功率与焊接速度一定时，密度对焊缝收缩性及对熔深的影响，(a)表示了密度对熔深的影响，(b)表示了密度对焊缝收缩性的影响。

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　　2 1 5焊前准备工作由于激光光斑很小，所以对间隙配合精度要求较高，对接时一般要求间隙在0.1mm以下，此外为减少气孔等焊接缺陷，焊接部位必须去除氧化皮、油污并进行干燥。图2(b)密度对熔焊缝收缩性的影响

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　　2.2主要焊接工艺参数影响

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　　焊接质量的主要工艺参数有:激光功率、焊接速度、透镜焦距、聚焦位置、保护气体等。激光功率和焊接速度是影响焊接质量的最主要参数，焊接厚度取决于激光功率，约为功率(kW)的0.7次方，通常功率增大，焊接深度增加;速度增加，熔深变浅，焊缝和热影响区变窄，生产率增高。过大的焊接速度与焊接功率将增大气孔和孔洞倾向。表1是几种材料焊接功率与速度参考值(材料厚度3mm)。

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　　透镜焦距由输出激光的光斑直径决定，两者之间存在一最佳匹配值。一般说来，所须焊接的深度越深，透镜焦距越长，短焦距透镜对聚焦的要求较高，而且粉末冶金材料焊接时飞溅较大，透镜污染严重;太长焦距的透镜由于衍射使焦点变大，焦点处的能量密度不能达到最大值。国内一般采用透镜聚焦光学系统，该系统只能用于激光功率较小的场合，较高的激光功率将引起透镜焦点漂移，使焊缝的成形和质量较差。国外较高功率场合大都采用反射镜聚焦光学系统，由于冷却条件好，热稳定性好，焊缝成形均匀美观，焊接质量可靠。激光焦点在工件下方的特殊位置能得到最大的焊接深度，即约为板厚的1/3处;水平的焦点位置根据情况而定，对金刚石圆锯片而言，应选取靠基体侧，偏移量约0.1～0.2mm的位置上，图3为不同偏移量下的熔合深度。图4为金刚石圆锯片激光焊接的激光与工件的作用位置。保护气体的作用是保护聚焦透镜，防止焊缝氧化，采用惰性气体进行保护，氦气最好。在我国，由于He价格昂贵，一般采用氩气，气体流量应控制好，如果太小，不起作用;如果太大，既浪费气体，又使焊接熔池翻滚，焊缝表面出现一波一波的凸起。

　　3焊接质量检测及分析

　　3.1焊接质量检测

　　3 1 1外观检测观察焊缝表面是否有孔洞、裂纹、咬边、未焊透等明显缺陷。

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　　3 1 2无损检测无损检测的方法有:渗透探伤法;磁粉探伤法;射线探伤法;超声波探伤法等，应根据需要进行选择。

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　　3 1 3力学性能检测根据零件的工作状态分别进行拉伸、弯曲、硬度、冲击等试验，如果断裂在焊缝，说明焊接强度低于母材。

　　3 1 4微观检测采取金相分析焊缝的成形、微观组织、焊缝缺陷，测试焊接区的显微硬度分布，用扫描电镜分析焊接区成份的变化等。

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　　3 1 5特殊性能检测对工作于特殊工作环境下的零件，还需进行耐腐蚀、疲劳等特殊性能测试。以上5种方法中，前两种主要用于焊接生产线上，后三种主要用于试验研究及抽样调查中。

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　　3.2缺陷分析

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　　3 2 1气孔和孔洞与冶铸材料相比，粉末冶金材料的激光焊接中。最明显的缺陷是气孔和孔洞。气孔和孔洞不仅影响外观质量，更严重地削弱了焊缝有效承载面积，产生应力集中，降低了接头强度。常见的气孔形状有线形、圆形、蜂窝形、条虫形等。烧结材料内部的孔隙吸附了大量的气体，在快速焊接中，来不及逸出而留在焊缝中。而孔洞则主要是由于烧结气氛不干净，不能去除氧到足够程度，氧化物等其它杂质吸收激光能量比母材多，过热所致。Mn、Si、Ti、Al等与氧亲和力强的合金元素在焊接过程中能有效地去除氧，减少气孔和孔洞倾向;优化烧结工艺，提高工件致密性，减少材料内部孔隙，从而减少吸附气体也是减少气孔的有效途径;改善烧结条件，如采用真空或在还原气氛中烧结，也有助于减少气孔和孔洞;此外，降低焊缝区低熔点材料的含量和做好焊前清理工作也是有益的。

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　　3 2 2裂纹主要有冷裂纹、热裂纹，金刚石工具中还易产生层间裂纹。冷裂纹主要产生于含碳量较高和合金成份较多的材料中，这类材料焊后产生脆性马氏体，产生高的内应力从而引起裂纹。解决这类裂纹的办法是焊前预热、焊后缓冷，或者采用小规范的焊接参数。金刚石工具激光焊中的层间裂纹的产生主要是因为金刚石层和过渡层材料线膨胀系数相差较大，在焊接热循环作用下，产生大的内应力从而产生剪切，或者是材料中含有的低熔点物质较多且偏析于层间，在焊接热应力作用下产生裂纹。解决热裂纹的办法一是根据裂纹的性质合理地改善材料的合金系统，如添加一定的Mn、Mo、W、Cr都能有效地防止裂纹，利用变质剂细化焊缝一次结晶组织，对于防止焊缝结晶裂纹也有一定的效果;二是限制有害杂质S、P的含量，含Ni量越高的合金，越要注意限制，这是因为Ni与S能形成熔点更低的硫化物及其共晶体。

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　　3 2 3强度过低成份、烧结条件和后热处理都能影响接头强度。除去材料因素外，过多的气孔和孔洞是造成接头强度低的重要原因，其次材料的密度太低也使焊缝疏松，强度较低。

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　　4发展前景和存在的问题

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　　激光焊接技术以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域，为粉末冶金材料的应用开辟了新的前景，如应用于金刚石圆锯片和金刚石钻头中，使得结合强度和高温强度大大提高，使产品可用于干切或通水条件不好的场合，自动化的生产使得生产率提高，成本下降，增强了产品的市场竞争力;焊接时不加填充料，保证了焊缝金属的连续和一致，这对磁体组件来说是非常重要的。但是，激光焊接技术目前在粉末冶金材料领域的研究和应用还十分有限，主要是因为粉末冶金材料焊接时难以避免气孔及孔洞的出现，从而使焊缝外观、焊接质量受到影响;焊接工艺及材料的选取也比一般的冶铸材料难度大;此外焊缝强度虽然比钎焊和凸焊高，但对工装夹具、配合精度及焊前准备工作要求较高，加之一次性投资大，所以应用受到限制。降低激光器的价格和运行成本，更多的进行粉末冶金材料的激光焊接工艺、材料及其焊接行为等基础研究，是推广激光技术在粉末冶金材料加工中应用的重要前提。

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