激光焊接技术在粉末冶金材料中的应用

【摘要】系统地介绍了激光焊接技术在粉末冶金材料中的应用及其国内外动态。着重介绍了激光焊接在金刚石工具制造业中的应用和尚存在的问题。

【关键词】激光焊接技术，粉末冶金材料，应用

1前言

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，使粉末冶金材料的应用受到限制。近年来，我国从事这方面的研究工作的单位逐渐增多，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。

2激光焊接工艺特点

2.1影响焊接质量的主要因素

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。

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（

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。

2.2主要焊接工艺参数影响

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。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。

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。

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。

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。

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。

3.2缺陷分析

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。

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。

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。

4发展前景和存在的问题

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，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。