激光焊接技術(shù)在粉末冶金材料中的應(yīng)用

激光焊接技術(shù)在粉末冶金材料中的應(yīng)用
        【摘要】系統(tǒng)地介紹了激光焊接技術(shù)在粉末冶金材料中的應(yīng)用及其國(guó)內(nèi)外動(dòng)態(tài)。著重介紹了激光焊接在金剛石工具制造業(yè)中的應(yīng)用和尚存在的問題。
        【關(guān)鍵詞】激光焊接技術(shù)，粉末冶金材料，應(yīng)用
        1前言
        由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點(diǎn)，在某些領(lǐng)域如汽車、飛機(jī)、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(jié)合強(qiáng)度低，熱影響區(qū)寬，特別不能適合高溫及強(qiáng)度要求高的場(chǎng)合，使粉末冶金材料的應(yīng)用受到限制。近年來，我國(guó)從事這方面的研究工作的單位逐漸增多，改變了傳統(tǒng)的燒結(jié)和釬焊工藝，使連接部位的強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度大大提高。
        2激光焊接工藝特點(diǎn)
        2.1影響焊接質(zhì)量的主要因素
        2.1.1材料成份合金元素的含量、種類對(duì)焊縫強(qiáng)度、韌性、硬度等力學(xué)性能影響很大。燒結(jié)低碳鋼、燒結(jié)Ni和Cu合金、Co合金在一定條件下，均能成功地進(jìn)行激光焊接。燒結(jié)中碳鋼采取焊前預(yù)熱和焊后緩冷的措施也可保證焊接質(zhì)量，降低裂紋敏感性，圖1表示了中碳鋼預(yù)熱和不預(yù)熱條件下焊縫區(qū)的顯微硬度分布，預(yù)熱時(shí)硬度降低，接頭韌性增加，因?yàn)榻M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(jié)條件在氫氣、分解氨和真空中燒結(jié)的材料均能成功的進(jìn)行激光焊接，在干凈的還原性氣氛中燒結(jié)的材料焊后出現(xiàn)的氣孔、孔洞、夾雜和氧化物較??；此外，合適的燒結(jié)溫度、保溫時(shí)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(dǎo)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(duì)于激光焊接零件來講，大量的孔隙會(huì)使焊接強(qiáng)度降低甚至焊接過程無(wú)法進(jìn)行。
        2.1.4密度致密而力學(xué)性能好的試樣較疏松而力學(xué)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（7.0g/cm3）的燒結(jié)材料與冶鑄材料幾乎有同樣的焊接性。密度不僅對(duì)焊接強(qiáng)度而且對(duì)焊接缺陷特別是氣孔影響很大，低于一定密度的燒結(jié)材料焊后強(qiáng)度低，氣孔多。密度低的材料焊后將有一個(gè)大缺口，密度越低，缺口越深，缺口將影響疲勞強(qiáng)度；此外密度對(duì)焊接熔深也有影響，在激光功率和焊接速度一定時(shí)，密度越大，熔深越淺。圖2是激光功率與焊接速度一定時(shí)，密度對(duì)焊縫收縮性及對(duì)熔深的影響，（a）表示了密度對(duì)熔深的影響，（b）表示了密度對(duì)焊縫收縮性的影響。
        2.1.5焊前準(zhǔn)備工作由于激光光斑很小，所以對(duì)間隙配合精度要求較高，對(duì)接時(shí)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(jìn)行干燥。
        2.2主要焊接工藝參數(shù)影響
        焊接質(zhì)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(hù)氣體等。激光功率和焊接速度是影響焊接質(zhì)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(chǎn)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。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(zhǎng)，短焦距透鏡對(duì)聚焦的要求較高，而且粉末冶金材料焊接時(shí)飛濺較大，透鏡污染嚴(yán)重；太長(zhǎng)焦距的透鏡由于衍射使焦點(diǎn)變大，焦點(diǎn)處的能量密度不能達(dá)到最大值。國(guó)內(nèi)一般采用透鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)只能用于激光功率較小的場(chǎng)合，較高的激光功率將引起透鏡焦點(diǎn)漂移，使焊縫的成形和質(zhì)量較差。國(guó)外較高功率場(chǎng)合大都采用反射鏡聚焦光學(xué)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(zhì)量可靠。
        3焊接質(zhì)量檢測(cè)及分析
        3.1焊接質(zhì)量檢測(cè)
        3.1.1外觀檢測(cè)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(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)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(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇。
        3.1.3力學(xué)性能檢測(cè)根據(jù)零件的工作狀態(tài)分別進(jìn)行拉伸、彎曲、硬度、沖擊等試驗(yàn)，如果斷裂在焊縫，說明焊接強(qiáng)度低于母材。
        3.1.4微觀檢測(cè)采取金相分析焊縫的成形、微觀組織、焊縫缺陷，測(cè)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(cè)對(duì)工作于特殊工作環(huán)境下的零件，還需進(jìn)行耐腐蝕、疲勞等特殊性能測(cè)試。以上5種方法中，前兩種主要用于焊接生產(chǎn)線上，后三種主要用于試驗(yàn)研究及抽樣調(diào)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(zhì)量，更嚴(yán)重地削弱了焊縫有效承載面積，產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低了接頭強(qiáng)度。常見的氣孔形狀有線形、圓形、蜂窩形、條蟲形等。燒結(jié)材料內(nèi)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。
        3.2.2裂紋主要有冷裂紋、熱裂紋，金剛石工具中還易產(chǎn)生層間裂紋。冷裂紋主要產(chǎn)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(chǎn)生脆性馬氏體，產(chǎn)生高的內(nèi)應(yīng)力從而引起裂紋。解決這類裂紋的辦法是焊前預(yù)熱、焊后緩冷，或者采用小規(guī)范的焊接參數(shù)。
        3.2.3強(qiáng)度過低成份、燒結(jié)條件和后熱處理都能影響接頭強(qiáng)度。除去材料因素外，過多的氣孔和孔洞是造成接頭強(qiáng)度低的重要原因，其次材料的密度太低也使焊縫疏松，強(qiáng)度較低。
        4發(fā)展前景和存在的問題
        激光焊接技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金材料加工領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)用開辟了新的前景，但是，激光焊接技術(shù)目前在粉末冶金材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用還十分有限，主要是因?yàn)榉勰┮苯鸩牧虾附訒r(shí)難以避免氣孔及孔洞的出現(xiàn)，從而使焊縫外觀、焊接質(zhì)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(qiáng)度雖然比釬焊和凸焊高，但對(duì)工裝夾具、配合精度及焊前準(zhǔn)備工作要求較高，加之一次性投資大，所以應(yīng)用受到限制。降低激光器的價(jià)格和運(yùn)行成本，更多的進(jìn)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(chǔ)研究，是推廣激光技術(shù)在粉末冶金材料加工中應(yīng)用的重要前提。