第３Ｏ卷第５期 ２０１０年１Ｏ月 应 用 激 光 Ｖｏ１．３０，ＮＯ．５ Ｏｃｔｏｂｅｒ ２ＯｌＯ ＡＰＰＬＩＥＤ ＬＡｓＥＲ ＳｉＣｐ／ＺＣ７１镁基复合材料激光焊工艺研究＊ 董晓明 ，王文焱 ，谢敬佩 ，王爱琴 （ 河南科技大学材料科学与工程学院，河南洛阳４７１００３； 河南省有色金属材料科学与加工技术重点实验室，河南洛阳４７１００３） 提要采用Ｎｄ：ＹＡＧ激光器，对ＳｉＣｐ／ＺＣ７１镁基复合材料焊接工艺进行了分析研究。对各种焊接参数的影响做了研究，获 得较好的工艺参数范围 结果表明，激光焊接过程中，激光功率、焊接速度、脉冲频率等参数的变化，均能对焊缝性能产生显 著影响。 关键词 ＳｉＣｐ／ＺＣ７１镁基复合材料；激光焊；激光输出功率 ｄｏｉ：１０．３７８８／ＡＬ２０１０３００５．０３７８ Ｓｔｕｄｙ ｏｆ ＹＡＧ Ｌａｓｅｒ Ｗｅｌｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｏｎ ＳｉＣｐ／ＺＣ７１ Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｍａｔｒｉｘ Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ Ｄｏｎｇ Ｘｉａｏｍｉｎｇ ，Ｗａｎｇ Ｗｅｎｙａｎ ，Ｘｉｅ Ｊｉｎｇｐｅｉ ，Ｗａｎｇ Ａｉｑｉｎ （ Ｍａｔｅｒｉａｌ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，Ｈｅｎａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｌｕｏｙａｎｇ，Ｈｅｎａｎ ４７１００３，Ｃｈｉｎａ； Ｈｅｎａｎ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｎｏｎ一 ｒｒｏｕｓ Ｍｅｔａｌｓ，Ｌｕｏｙａｎｇ，Ｈｅｎａｎ ４７１００３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ Ｔｈｅ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ＳｉＣｐ／ＺＣ７ １ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ ｗａｓ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｕｓｉｎｇ Ｎｄ：ＹＡＧ ｌａｓｅｒ．Ｔｈｅ ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ ｖａｒｉｏｕｓ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｈａｖｅ ｂｅｅｎ ｓｔｕｄｉｅｄ ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔＯ ｏｂｔａｉｎ ａ ｄｅｓｉｒａｂｌｅ ｒａｎｇｅ ｏｆ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｖａｒｉａｔｉｏｎｓ ｏｆ ｓｕｃｈ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｓ ｌａｓｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ，ｗｅｌｄｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ａｎｄ ｐｕｌｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｈａｖｅ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｊｏｉｎｔ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ ＳｉＣｐ／ＺＣ７１ ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｍａｔｒｉｘ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓ；ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄ；ｌａｓｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ０ 引言 镁基复合材料密度小、比强度和比刚度高， 具有良好的尺寸稳定性、低温超塑性和优良的铸 造性能，正成为现代高新技术领域最有希望采用 线能量低、焊接变形小、容易实现自动化生产等 优点，在很多材料的焊接方面都有其它焊接方法 不具有的优点［３］。因此，本文采用Ｎｄ：ＹＡＧ激 光器对ＳｉＣｐ／ＺＣ７ｌ镁基复合材料进行焊接，研究 了激光输出功率、焊接速度、焊接频率等焊接参 数对接头性能的影响，并进行了分析。 的一种金属基复合材料。随着机械制造、航空航 天、汽车工业的发展以及石油化工、电信、原子能 及空间技术等新型工业的崛起，镁合金及镁基复 合材料的需求量Ｅｌ益增加，成为当今材料科学研 究的新重点方向之一。 １试验材料和方法 １．１试验材料 本实验所用的焊接材料是由Ｍａｇｎｅｓｉｕｍ Ｅｌｅｋ— 然而，由于基体镁合金和增强相ＳｉＣ物理化 ｓｔｒｏｎ Ｌｔｄ公司生产的１．５ｒａｍ厚的ＳｉＣｐ／ＺＣ７１镁基 学性能差距较大。基体镁合金的硬度低，熔沸点 低、蒸汽压高、表面张力低、线膨胀及热膨胀系数 大，而增强相ＳｉＣ硬度高，熔点高、线膨胀及热膨 复合材料板材，基体成份为６．５ｗｔ Ｚｎ，０．５ｗｔ Ｍｎ，１．２５ｗｔ％Ｃｕ，其余为Ｍｇ，颗粒强化相１２ｖｏｌ ＳｉＣ，热处理状态为Ｔ６，即４４０℃×８ｈ的固溶＋热水 胀系数低＿ｌ ］，使得镁基复合材料焊接时易造成 氧化蒸发、热影响区宽、组织晶粒粗大、焊接变 淬火＋１８０℃×１６ｈ的时效处理。材料的抗拉强度 为４００Ｍｐａ，延伸率为１ ，屈服强度为３７０Ｍｐａ。 １．２试验方法 形、气孔和裂纹等缺陷。激光焊接作为近年来快 速发展的一种先进焊接技术，具有焊接速度快、 试验所采用的激光器为Ｎｄ：ＹＡＧ固体激光器， 基金项目：河南省杰出人才创新基金资助项目（项目编号：０６２１０００６００）；河南省基础与前沿技术研究计划项目（项目编 号：Ｄ９２３ＤＤ４１ＤＤ４９） 收稿日期：２０１０—０９—０１ ３７８— 波长为１．０６ｐ．ｍ，最大平均功率为４００Ｗ，激光在平均 功率为３００～４００Ｗ的范围内运行，聚焦镜头焦距 １５０ｍｍ，脉宽０．５ｍｓ，重复频率６０Ｈｚ，所用的焊接方 法为热传导式焊接。保护气为氩气，保护气体流动渠 道有两个，一个与激光束同轴保护聚焦镜头，流速为 １．２Ｌ／ｈ，另一条保护气体通过整齐排列直径为０．３ｒａｍ 的小洞保护激光焊熔池，流速为１．７５ Ｌ／ｈ。所用的焊 接方法为对接焊。焊前用丙酮清洗试样去除油污，干 燥后用钢丝和砂纸进行接口处清理以去除氧化膜。 试样的拉伸是在ＳＨＩＭＡＤＺＵ（岛津）ＡＧ－Ｉ ２５０ＫＮ 精密万能电子拉伸实验机上拉伸的，加载速度为 １．０ｍｍ／ｍｉｎ。试样采用线切割的方法切成非准尺 寸，避免车削过程中引起的加工硬化问题，性能测试 前进行砂纸打磨。拉伸试样的尺寸见图１。 ｌ一 ¨ 一１ 图１ 拉伸试样尺寸 Ｆｉｇ．１ Ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ ｏｆ ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｐｅｄｍｅｎ ２实验结果分析 ２．１激光功率对焊缝性能的影响 激光的输出功率与接头抗拉强度关系曲线如图 ２所示，从图中可以看出激光功率对接头抗拉强度有 重要影响。随着激光功率的增加，抗拉强度增加，在 激光功率为３５０Ｗ时抗拉强度达到最高值８０．６ＭＰａ， 随后开始降低。功率过小使得接头没焊透，功率过大 则容易造成飞溅，焊接成形变差。试验中发现，焊接 过程中有烟雾产生，这表明焊接过程中出现了元素的 烧损和蒸发。随着激光功率的增加，激光焊接熔深和 焊缝宽度增加，同时元素的烧损和蒸发也在增加。在 焊接速度不变的情况下，激光功率超过３５０Ｗ后，飞 溅现象越加严重，这是因为ＳｉＣｐ／ＺＣ７１镁基复合材 料中镁元素的沸点较低，在激光高能束的作用下很 快达到沸点而蒸发，形成金属蒸汽。金属蒸汽快速 蒸发对熔池产生很大的反作用力，使得熔池产生爆 炸性飞溅。当激光功率较大时，单位输入的能量较 多，金属蒸汽量较大，蒸发时对熔池的附加压力就越 大，熔池的飞溅也就越严重，并使焊缝表面成形 变差 ４ｌ５］。 激光功翠／Ｗ 图２ 激光输出功率与接头抗拉强度的关系 Ｆｉｇ．２ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｏｕｔｐｕｔ ｐｏｗｅｒ ｖｓ．ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔ ２．２焊接速度对焊缝性能的影响 焊接速度对抗拉强度的关系曲线如图３所示， 其对抗拉强度的影响类似于激光输出功率，也存在 个最佳值，试验发现，焊接速度对熔深影响较大， 提高速度会使熔深变浅，但速度过低又会导致材料 过度溶化、工件焊穿。当功率一定，激光焊接扫描速 度比较慢时，焊缝容易出现下塌，而且焊缝中灰白色 块状的ＳｉＣ颗粒有在焊缝融合线附近聚集的现象 （如图４）。因光束在试样上停留的时间较长，对其 加热的时间也就相应较长，熔池处于过热状态，其冷 却速度也就较慢，待冷却后，获得的焊缝区域较宽， 晶粒较大。同时由于焊接能量变小，熔池边缘温度 梯度大，成分过冷度小，这样会使焊缝中等轴晶减 少，胞状树枝晶增多。因此扫描速度应该与激光功 率相匹配。 图３ 激光焊脉冲频率与接头抗拉强度的关系曲线 Ｆｉｇ．３ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｓｐｅｅｄ ＶＳ．ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎ ３７９— 综上所述，在本实验中采用激光焊接镁基复合 材料最佳规范为：焊接功率３５０Ｗ，焊接速度３５０ ｍｍ／ｍｉｎ，激光脉冲频率６０Ｈｚ，接头强度最高可达 ８０．６ＭＰａ。镁基复合材料的焊接研究目前还比较 少，从复合材料激光焊的研究成果上看，主要是采取 了降低热输出，添加填充材料等。在保证熔透的情 况下，采用较低的功率和高速焊接，可以有效降低热 输出，获得良好焊接性能。添加填充材料如基体或 其它材料被认为是消除界面生成物的有效方法，在 镁基复合材料焊接中也尝试了填加Ａｌ粉，Ａｌ粉可 以保护熔池，减少焊接过程中镁的蒸发，细化晶粒。 但研究发现，由于激光快速加热冷Ａｌ粉不能在焊 图４ ＳｉＣ聚集 Ｆｉｇ．４ ＳｉＣ ｍａｓｓ 接过程中充分扩散，对提高焊缝强度帮助不大，同时 也加大了工艺上的复杂性。 ２．３脉冲频率的影响 激光脉冲频率与抗拉强度的关系见图５，随 ３ 结论 利用Ｎｄ：ＹＡＧ脉冲激光焊接ＳｉＣｐ／ＺＣ７１镁 基复合材料，试验表明，采用合适的工艺参数，可 以得到外观成形和性能较好的焊接接头，激光输 出功率、脉冲频率等参数均能对焊缝性能造成 影响。 着脉冲频率的增加，抗拉强度提高，脉冲频率选 择的原则是保证焊缝宏观上和微观上的连续性。 在其它参数不变的情况下，如果激光频率过低， 易造成焊缝微观上熔池不搭接，频率的增加，一 方面使两个相邻脉冲熔池间的间距变小，相互重 合的区域变大，有利于内部微裂纹的消除；另一 方面随着脉冲频率的增加，在总的输出功率不变 的情况下，意味着每次输出能量的减少，有利于 影响焊缝成形和性能的各主要因素是互相 联系、互相制约的，在进行施焊的过程中，必须对 各参数进行严格控制、综合调节，对试件的加工 和处理应保证精度和统一性，尽可能消除焊接中 的不定因素。 参考文献 Ｆ１］王慧远，马宝霞。颗粒增强镁基复合材料的研究现状 ［Ｊ］．材料科学与工艺，２００６，１４（３）：３２１—３２３． ［２］冯吉才，王亚荣，张忠典．镁合金焊接技术的研究现状及 应用［Ｊ］．中国有色金属学报，２００５，１５（２）：１６６—１７２． 抑制界面反应。另外脉冲频率的增加，有利于改 善焊缝的结晶状态，细化晶粒 。］。考虑到一定 型号的激光焊机有其频率使用范围，而且频率选 择应与焊接速度相匹配，故本试验均使用６０Ｈｚ 脉冲频率。 ［３］徐杰，刘子利．镁合金焊接的研究与发展［Ｊ］．宇航材料 舟 工艺，２００６，７（１）：１６—１８． 垒 ［４］张德库，牛济泰，于秀宇，等．铝基复合材料激光焊工艺 参数对焊缝成形和熔深的影响［Ｊ］．哈尔滨工业大学学 报，２００２，３４（２）：１５２—１５５． 黑 ［５］徐凤林，王少刚，景建龙，等．激光焊接参数对齿科钛合 金属接头组织与性能的影响［Ｊ］．应用激光，２００７，２７ （１）：４１－４５． 脉冲频￣－／Ｈｚ 图５ 激光焊脉冲频率与接头抗拉强度的关系曲线 Ｆｉｇ．５ Ｃｕｒｖｅ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｐｕｌｓｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＶＳ．ｔｅｎｓｉｌｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ［６］牛济泰，王慕珍，来忠红，等．ＳｉＣＷ／６０６１ＡＩ铝基复合材 料激光焊机理［Ｊ］．焊接学报，２０００，２１（１）：１—４． ［７］陶汪，陈彦宾。李俐群，等．３０４不锈钢激光点焊工艺研 究［Ｊ］．应用激光，２００５，２５（４）：２３３—２３６． ｗｅｌｄｅｄ ｊｏｉｎｔ ３８０一