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激光焊接技術在粉（fěn）末冶金材（cái）料中的應（yīng）用

1　前言
　　隨著科學技術的不斷發展，許多工業技術上對材料特殊要求（qiú），應用冶（yě）鑄方法製造（zào）的材料已不能滿足需要，所以采用（yòng）粉末（mò）冶金方

法（fǎ）製取一部分現代工業上應用的材料尤（yóu）為必要。
　　由於粉末冶金材料具有特殊的性能和製造優點，在（zài）某些領域如汽車、飛機、工具刃具製造業中正在取代傳統的冶鑄材料，隨（suí）著

粉末冶金材料的日益發展，它與其它零件的連接問題（tí）顯得日益突出，釺焊和凸（tū）焊一（yī）直是粉末冶金材（cái）料連接最常用的（de）方法，但由於結

合強度低，熱（rè）影響區寬，特別不能（néng）適合高溫及強度要求（qiú）高的場合（hé）[1]，使（shǐ）粉末冶（yě）金材料的應用受到限製。
　　在八十年代初期，激光焊以其獨特的優點進入粉末冶金材料加工（gōng）領域。與（yǔ）傳統的（de）焊接（jiē）方法相比，激光焊具有以下特點（diǎn）:深寬比大

，焊縫窄，焊縫（féng）結合強（qiáng）度高;熱影響區小，對周圍組織無影響，焊接變形小（xiǎo）;可以實現焊接過程自動化，生（shēng）產效率高。因而在粉末冶

金材料加工領域發展較快，典型應用是在金剛石工具製（zhì）造中。在八十年代初，Mosca就發現CO2激光能很成功的焊接某些P/M材料，當（dāng）

條件選（xuǎn）擇得當時，焊縫結合強度較（jiào）高，熱影響區很窄，還發現激光焊接的（de）結果對燒結（jié）條件很敏（mǐn）感:吸熱（rè）型氣體（tǐ）不適合作激光焊接材料

的燒結氣氛;在氫（qīng）氣、分解氨和（hé）真空中燒結（jié）的材料都能（néng）成功地應用於激光（guāng）焊接中[2]。英（yīng）國的Nimbus金剛石工（gōng）具公司於1985年底引進

激光焊接技術，到目前（qián）為止，該公司已投資25萬英磅用於開展這種（zhǒng）高新技術方法焊接金剛石扇形塊。在德（dé）國，

Dr.FritschSondermaschinenGmbh公司已研究出（chū）新的全自動激光焊接（jiē）方法，用於（yú）焊（hàn）接金剛石鑽頭和鋸片，大大地提高了焊接（jiē）強度。此

外，意大利、日本、比利時也有（yǒu）這方麵（miàn）的報道[3][4][5]。
　　近年來，我國從事（shì）這（zhè）方麵的研究工作的單位逐漸增多，如華中理工大（dà）學激光加工國家工程研究中心就成（chéng）功地將激（jī）光焊接（jiē）技術應

用於金剛石鋸片和鑽頭的生產中，改變了傳統的燒結和釺焊（hàn）工藝，使連（lián）接部位的強度和高溫（wēn）強度大大（dà）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（hé）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（hé）金

在一（yī）定條件下（xià），均能成功地進行激（jī）光焊接。燒結中碳鋼采取焊前預熱和焊後緩（huǎn）冷（lěng）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（zhōng）碳鋼預熱和不預熱條件下焊縫區的顯微硬度分布（bù），預熱時硬（yìng）度（dù）降低，接頭韌性增加，因為組織由貝（bèi）氏體和（hé）少量的珠光體代替

了針狀（zhuàng）馬氏體。
　　2 1 2　燒結（jié）條件在氫氣、分解氨和真空中燒結的材料均能成功（gōng）的進行激光焊接，在幹淨的還（hái）原性氣氛中燒結的（de）材料焊後出現的

氣孔、孔洞、夾雜和氧化物較小（xiǎo）;此外，合適（shì）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　孔隙孔隙的數量、形態（tài）和分布影響材料的物理性能如熱傳導率、熱（rè）膨脹（zhàng）率和淬（cuì）硬性等，這些物理性能（néng）直接影響材料可焊

性[1]，使焊接較同（tóng）成份的冶鑄材料相比難度加大。對（duì）於激光焊接零件來講（jiǎng），大量的孔隙會（huì）使焊接強度降低甚（shèn）至焊接過程無法進行。
　　2 1 4　密度致密而力（lì）學性能好的試樣較（jiào）疏鬆而力學性能差的試（shì）樣在相同的條件下有更好的焊接性。低於一（yī）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（wéi）低的強（qiáng）度和（hé）扭轉強度不允許材料吸收能量;中等（děng）密度（dù）(<6.9g/cm3)的材

料可以進行熔化焊，但（dàn）以熔（róng）化少量體積的焊接方法如電阻凸（tū）焊、摩擦焊為（wéi）好，焊接（jiē）成功率較高（gāo）;高密度(>7.0g/cm3)的燒（shāo）結材料與冶

鑄材（cái）料幾乎有同樣的焊接性。密度不僅對焊接強度而（ér）且對焊接（jiē）缺陷特別是氣孔影響很大，低於一（yī）定密度的燒結材料（liào）焊後強度低，氣

孔多。密度低的材料焊後將有一個大缺口，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（lǜ）

和焊接速度一定時（shí），密度越大，熔（róng）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（jí）對熔深的（de）影響，(a)表示（shì）了密（mì）度（dù）

對熔深的影響，(b)表示了密度對焊縫收縮性的（de）影響。
　　2 1 5　焊前（qián）準備工作由於激光光斑很（hěn）小，所以對間隙（xì）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（jiē）部位必須去除（chú）氧化皮、油（yóu）汙並進（jìn）行幹燥。圖2(b)　密度對熔焊縫收（shōu）縮性的影響
　　2.2　主要焊接工藝參數影響
　　焊接質量的主要工藝參數有:激光功率、焊接速度、透鏡焦（jiāo）距（jù）、聚（jù）焦位置、保護氣體等。激光功率和焊接（jiē）速度是影響焊接質量的

最主要參數，焊接厚度取決（jué）於激光（guāng）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

影響區變窄，生產率增高。過大（dà）的焊接速度與焊接功率將增大氣孔和孔洞傾（qīng）向。表1是幾種材料焊接功率與速（sù）度參考值(材料厚度

3mm)。
　　表1幾種（zhǒng）材料的參考焊接功率與速度材　　
　　料牌號原料（liào）粉末密　度（dù）/g·cm-3燒結氣（qì）氛激光功率/kW焊接速度m·min-1ASC100霧化鐵粉（fěn）6.94
　　真空6.55 0AISI316L不鏽鋼粉6.73
　　真空5.55.5PASC45磷（lín）化（huà）(0.45%)鐵粉7.23
　　真空3.52 0C10中碳鋼(0.10%C)7.85還（hái）原（yuán）氣氛7 05.5NC100海（hǎi）綿鐵粉6.51還原氣（qì）氛5.54 0ASC100霧化鐵粉7.02還原氣氛6 04

0ASCCu Ni0.4%Cu5.6%Ni合金鐵粉7.08還原氣氛5.54 0
　　透鏡焦距由輸出激光的光斑（bān）直徑決定，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（jù）焦的要求較高，而且粉末冶金材料焊接時（shí）飛濺較大，透鏡汙染嚴重;太（tài）長焦距的透鏡由於衍射使焦（jiāo）點變大（dà），焦點處的能量（liàng）密

度（dù）不能達（dá）到最大值。國內一般采用透鏡聚焦光學係統，該係統（tǒng）隻能用於激光功率較小（xiǎo）的場（chǎng）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（jiào）差。國外較高功率場合大（dà）都采用反射鏡聚焦光（guāng）學係統，由（yóu）於（yú）冷卻條件好，熱穩定性好，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（zuì）大的焊接深度，即約為板厚的1/3處;水平的焦點位置根據情況而定，對

金剛石圓鋸片而言（yán），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（róng）合深度。圖4為金剛石（shí）圓鋸（jù）片激光焊

接的（de）激光（guāng）與工件的作（zuò）用位置。保（bǎo）護氣體的作用是保（bǎo）護聚焦透（tòu）鏡，防止焊縫氧化，采用惰性氣體進行保護，氦氣最好。在我國，由於

He價格昂貴，一般采用氬氣，氣體流量應控（kòng）製（zhì）好，如果太小，不起作用;如果太大，既浪費氣體，又使焊接熔池（chí）翻滾，焊縫表麵出現（xiàn）

一波一波的凸起。
　　3　焊接質量檢測（cè）及分（fèn）析
　　3.1　焊接質量檢測
　　3 1 1　外觀檢測（cè）觀察焊縫（féng）表麵是否有孔洞、裂紋、咬（yǎo）邊、未焊透等明顯（xiǎn）缺陷。
　　3 1 2　無損（sǔn）檢測無損檢測的方法有:滲透探傷法;磁粉探傷法;射線（xiàn）探（tàn）傷法;超聲波探（tàn）傷法等，應根據需要（yào）進行選擇。
　　3 1 3　力學性能檢測根據零件的工作狀態分別進行拉伸、彎曲、硬度、衝擊等試（shì）驗，如果斷裂（liè）在焊縫，說明焊接強度低於母材

。
　　3 1 4　微觀檢測采取金相分析焊縫的成形、微（wēi）觀組織、焊縫缺陷（xiàn），測試焊接區的顯微（wēi）硬度分布，用掃描電鏡分析焊（hàn）接區成份（fèn）的

變化等。
　　3 1 5　特殊（shū）性能檢測對工作於特殊工作環境下的零件（jiàn），還需（xū）進行（háng）耐腐蝕、疲勞等特殊（shū）性（xìng）能測試。以上5種方法（fǎ）中，前（qián）兩種主要

用於焊接生產線（xiàn）上，後三種主（zhǔ）要用於試驗研究（jiū）及（jí）抽樣調查中（zhōng）。
　　3.2　缺陷分析
　　3 2 1　氣孔和孔洞（dòng）與冶鑄（zhù）材料相比，粉末冶金材料的激（jī）光焊接中。最明顯的缺陷是氣孔和孔（kǒng）洞。氣孔和孔洞不僅影響外觀（guān）質量

，更嚴重地削弱了焊縫有效承載麵積，產生應力集中，降低了接頭強度（dù）。常（cháng）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（chū）而留在焊（hàn）縫中。而孔洞則主（zhǔ）要是由於燒結氣氛不（bú）幹淨，不能去除氧

到足夠程度，氧（yǎng）化物等其它雜質吸收（shōu）激光能量比母材（cái）多，過熱所致（zhì）。Mn、Si、Ti、Al等與氧親（qīn）和力強的合金（jīn）元素在焊接過（guò）程中能有

效地去除氧，減少氣（qì）孔和孔（kǒng）洞傾向;優化燒結工藝，提（tí）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（shāo）結條件，如采用真空或在還（hái）原氣氛中燒結，也（yě）有助於減（jiǎn）少氣孔和孔洞;此外（wài），降低焊（hàn）縫區低熔點材料的含量和做 好焊前清

理工作也（yě）是有益的。
　　3 2 2　裂紋主要有冷裂紋、熱裂紋，金剛石工具（jù）中還易產生層間裂紋。冷裂紋主要產生於含碳量較高和合金成份較多的材料中

，這類材料焊後產生脆性馬氏體，產生高的內應力從而引（yǐn）起裂紋。解決這類裂紋的辦法是焊前預熱、焊後緩冷，或者采用小規範的

焊（hàn）接（jiē）參數。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（shí）層和過渡（dù）層材料線膨（péng）脹係數相差較大，在焊接熱循環作用下，

產生大的內應力從而產生剪（jiǎn）切，或者是材料（liào）中含有的低熔點（diǎn）物質較多（duō）且偏析於（yú）層間，在焊接熱應力作用下產生裂紋。解決熱裂紋的（de）

辦法（fǎ）一是根（gēn）據裂（liè）紋的性質合理地改善材料的合金係統，如（rú）添加一定的Mn、Mo、W、Cr都能有（yǒu）效地防（fáng）止裂紋，利用變質劑細化焊（hàn）縫一次

結晶組織，對於防止（zhǐ）焊縫結晶裂紋也有（yǒu）一定的效果;二是限製有害雜質S、P的含量，含（hán）Ni量越（yuè）高的合金，越要注意（yì）限製，這是因為Ni

與S能形成熔點更低的硫（liú）化物（wù）及其共晶體。
　　3 2 3　強度過低成（chéng）份、燒結條件和後（hòu）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（yào）

原因，其次材料的密度太低也使焊縫疏鬆，強度較低。
　　4　發展前景和存在的問題
　　激（jī）光焊接技術以其獨特的優點進入粉（fěn）末冶（yě）金材料加工領域，為粉末冶金材料的應（yīng）用開辟了新（xīn）的前景，如應用於金剛石圓鋸片和

金剛石鑽頭中（zhōng），使得結（jié）合強度和高溫強度大大（dà）提高，使產品可用於（yú）幹切或通（tōng）水條件不好的場合，自動（dòng）化的生產使得生產率提高，成

本下降，增強了產品的（de）市場競爭力;焊（hàn）接時（shí）不加填充（chōng）料（liào），保證了焊縫金屬的（de）連續和（hé）一致，這對磁體組件來說是非常重要（yào）的。但是（shì），激

光（guāng）焊接技術目（mù）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（fěn）末冶金材料焊接（jiē）時難以避免氣孔及孔洞的出現，從而

使焊縫外觀、焊接質量受到影響;焊接工（gōng）藝及材料的選取也比一般（bān）的冶鑄材料難度大;此外焊縫強度雖然比釺焊和凸焊高，但對（duì）工裝

夾具、配合（hé）精度及焊前準備工作要求（qiú）較高，加之一次性投資大，所以應用受到限製。降低激光器的價格（gé）和運行成本，更多的進行粉

末冶金材料的激光焊接工藝（yì）、材料及其焊接（jiē）行為等（děng）基礎研究，是推廣（guǎng）激光技術在粉末冶金材料加工中應用的重要前（qián）提。