· 在綜述國內(nèi)外鎂合金激光切割、激光焊接、激光表面改性等技術(shù)的基礎(chǔ)上,對鎂合金的激光加工(laser oem)技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:激光切割AZ31B鎂合金,切縫窄細(xì)平直,垂直度為0.05mm,切面波紋小且分布規(guī)律,熱影響區(qū)不明顯;激光焊接鎂合金,焊縫成形好,氣孔少,熱影響區(qū)??;AZ31B鎂合金激光熔凝處理后,晶粒得到細(xì)化,硬度和耐磨性都得到提高。
引言
鎂的密度是1.78×103kg/m3,為鋁的2/3,鋼的1/4。鎂合金具有高的比強(qiáng)度、比剛度、導(dǎo)熱性、可切削加工性和可回收性,被稱為21世紀(jì)的“綠色”工程材料。近年來,鎂合金材料在各種機(jī)殼、“陸???span lang="EN-US">”交通運(yùn)載工具、國防工業(yè)等方面獲得了廣泛的應(yīng)用,隨著鎂的提煉及深加工技術(shù)的發(fā)展,鎂合金材料已成為繼鋼鐵和鋁之后的第三大類金屬材料,在全球范圍內(nèi)得到快速發(fā)展。
本文在綜述國內(nèi)外鎂合金激光切割、激光焊接、激光表面改性等技術(shù)的基礎(chǔ)上,對鎂合金的激光加工(laser oem)技術(shù)進(jìn)行了研究。
1 激光與鎂臺金材料的作用機(jī)理
鎂合金材料的激光加工(laser oem)是基于光熱效應(yīng)的熱加工,前提是激光被鎂合金材料吸收并轉(zhuǎn)化為熱能。從原子結(jié)構(gòu)理論分析,激光對金屬材料的作用是高頻電磁場對物質(zhì)中自由電子的作用,材料中的自由電子在激光誘導(dǎo)作用下發(fā)生高頻振動,通過韌致輻射,部分振動能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ㄏ蛲廨椛?,其余轉(zhuǎn)化為電子的平均動能,再通過電子與晶格之間的馳豫過程轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?span lang="EN-US">
不同材料對于不同波長的激光的吸收有很大的差別,吸收率AN,表示為:
其中:c0為光速,c0=3×108m/s為入射激光的波長;為金屬材料的導(dǎo)電率。
從式(1)可以看出,被加工材料一定時(shí),激光的波長越短,材料對激光的吸收越多。金屬中的大量自由電子由于集膚效應(yīng)的作用,阻礙激光能量深入材料內(nèi)部,使之大部分被反射掉,所以一般材料對CO2氣體激光(λ=10.6μm)的吸收比對YAG固體激光(λ=1.06μm)的吸收低。當(dāng)激光波長為一恒定值時(shí),材料對該激光束吸收率的大小取決于材料的導(dǎo)電率,導(dǎo)電率越大,材料對激光的吸收越少。所以,鎂合金材料對激光的吸收比一般金屬材料對激光的吸收要低.這是對鎂合金材料進(jìn)行激光加工(laser oem)的難點(diǎn)之一。
2 #p#分頁標(biāo)題#e#鎂合金的激光切割技術(shù)
切割是鎂合金材料深加工的首要環(huán)節(jié),良好的切割質(zhì)量是材料深加工的保證。與傳統(tǒng)切割方法相比,激光切割具有更高的切割精度、更低的粗糙度和更高的生產(chǎn)效率。目前,國內(nèi)外對鎂合金激光切割的研究尚屬鮮見。
我們利用500W固體脈沖Nd:YAG激光對4mm厚AZ31B鎂合金板材進(jìn)行了切割工藝研究。激光切縫窄細(xì),上縫寬0.45mm、中縫寬0.22mm、下縫寬0.35mm,切縫垂直度為0.05mm,切面波紋小且分布規(guī)露。熱影響區(qū)不明顯,切縫的整體寬度約為空氣等離子弧切割的1/4。但是,切縫的下表面有輕微的氧化現(xiàn)象,切面有80μm厚的組織形貌為等軸晶的重熔層。工藝研究得出的結(jié)論是:切縫寬度隨著放電電壓、脈沖寬度、脈沖頻率的增大而增大,切割速度與輔助氣體對切縫寬度的影響不大。圖1為AZ31B鎂合金激光切割宏觀形貌和微觀組織照片。
圖1 AZ31B鎂合金激光切割宏觀形貌及微觀組織
3 鎂合金的激光焊接技術(shù)
鎂合金的焊接性能不好,是制約鎂合金應(yīng)用的技術(shù)瓶預(yù)之一。相比傳統(tǒng)焊接方法,激光焊接具有焊接速度快、熱輸人低、焊接變形小的特點(diǎn)。鎂合金激光焊接技術(shù)的研究處于起步階段,國內(nèi)外對鎂合金的激光焊接研究主要集中在鎂合金的連續(xù)CO2激光焊接和固體脈沖YAG激光焊接兩個(gè)領(lǐng)域。
德國的R.S.Coe1h。等Coelho用2.2kW的Nd:YAG激光器焊接了2mm厚的AZ31B鎂合金。得到了表面成形好、氣孔少、HAZ區(qū)小且無品粒明顯長大的焊縫。加拿大的H.Al-Kazzaz等用4kW的Nd:YAG激光器成功焊接了2mm-6mm厚的ZE41A。焊接過程中激光功率過高或過低都會導(dǎo)致加工表面功率密度降低,問時(shí)焊接形式從小孔聚焦轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠志劢?,最后為熱傳?dǎo)模式。
激光復(fù)合熱源焊接作為新型焊接技術(shù)日益受到關(guān)注,宋剛等用400W固體脈沖YAG激光加旁軸式TIG作為焊接復(fù)合熱源,首次成功焊接2.5mm厚AZ31B鎂合金板材,復(fù)合焊接的熔深可達(dá)TIG單獨(dú)焊接的2倍、激光單獨(dú)焊接的4倍,且焊縫與母材抗拉強(qiáng)度(240MPa)相當(dāng)。為了提高鎂合金材料在焊接過程中對激光的吸收率,孫昊等用500W固體脈沖YAG激光器研究了活性劑對鎂合金激光焊接過程的影響,氧化物和氯化物能夠增加鎂合金激光焊接的熔深和深寬比,原因是活性劑微細(xì)粉末在激光作用初期增加了對激光能量的吸收。
我們已經(jīng)進(jìn)行了鎂合金薄板的激光焊接和激光復(fù)合焊接,目前正在研究中厚板的激光焊接,為工程實(shí)踐提供理論支持。
4 鎂合金的激光表面改性技術(shù)
隨著激光表面改性技術(shù)的不斷完善,鎂合金激光表面處理在鎂合金表面耐蝕性、耐磨性等方面的應(yīng)用越來越受到國內(nèi)外研究者的重視。激光表面改性技術(shù)分為激光表而重熔、激光表面合金化及激光表面熔覆等。
4.1 激光表面重熔
鎂合金激光表面重熔使材料表面組織晶粒細(xì)化、顯微偏析減少、生成非平衡相,進(jìn)而引起表面強(qiáng)化,使合金表面耐磨性增加。#p#分頁標(biāo)題#e#
巴基斯坦的Ghazanfar Abbas等利用1.5kW的半導(dǎo)體激光器對AZ31和AZ61鎂合金進(jìn)行表面熔凝處理,AZ31的硬度由基體的65HV提高到熔凝層的120HV, AZ61的硬度由基體的70HV提高到熔凝層的140HV,且磨損量都降低了一半,提高了其耐磨性。
高亞麗等用800W的CO2激光器對AZ91HP鎂合金進(jìn)行了激光表面熔凝處理。與原始鎂合金相比,熔凝層的硬度約提高90%左右,耐磨性提高78%,耐蝕性顯著提高。這是枝晶細(xì)化和熔凝層中相對較多的共同作用。我們用5kW橫流CO2激光器研究了AZ31B的激光熔凝技術(shù),微觀組織見圖2,可以看出,熔凝區(qū)晶粒比母材明顯小很多。
圖2 AZ31B鎂合金激光熔凝微觀組織
4.2 激光表面合金化
國內(nèi)外在鎂合金表面采用合金化處理的研究較少,主要的研究是利用注人硬質(zhì)顆粒來提高合金化層的耐磨性。
印度的Majurndar J D等利用l0kW連續(xù)CO2激光器對MEZ采用Al+Mn,SiC和Al+Al2O3合金粉末進(jìn)行表面合金化處理,硬度由基體的35HV提高到合金化層的270HV,由于硬質(zhì)相SiC的存在,同時(shí)耐磨性得到了提高。
陳長軍等使用5kW的CO2激光器對表面上預(yù)置了Al-Y粉末的ZM5進(jìn)行了合金化處理,涂層硬度可達(dá)到250HV-325HV,而基材的硬度僅為80HV-l00HV。同基材相比,激光處理后的涂層耐蝕性得到顯著提高。
4.3 激光表面熔覆
與激光熔凝、激光合金化相比,國內(nèi)外對于鎂合金激光熔覆研究相對較活躍,鎂合金激光熔覆主要圍繞提高鎂合金的耐磨和耐蝕性進(jìn)行。
德國Maiwald T等用Al+Cu,Al+Si和AlSi30合金粉末對AZ91E和NEZ210進(jìn)行激光熔覆,Al+Si熔覆層的耐蝕性好于Al+Cu熔覆層,AlSi30熔覆層的耐蝕性最好。德國Bakkar A在碳纖維強(qiáng)化的AS41表面上激光熔覆Al-S,粉末,得到了與基休有良好交界區(qū)的熔覆層,且熔覆層的耐蝕性提高了。
黃開金等采用3.5kW激光器在AZ9ID表面有效地熔覆了非晶復(fù)合粉末Zr-Cu-Ni-Al/TiC,在非晶和金屬間化合物的作用下,熔覆層的硬度由基材的100HV0.1提高到850HV0.1#p#分頁標(biāo)題#e#左右,硬度提高了7倍左右,加人TiC后,硬度更是提高了9倍左右,同時(shí)熔覆層的耐磨性較基材提高了16倍。
通過表面改性來改善鎂合金結(jié)構(gòu)服役性能是一個(gè)重要的手段,將會成為鎂合金研究的重要方向之一,但這方面的工作,還遠(yuǎn)遠(yuǎn)做得不夠,可供實(shí)際借鑒的研究更是屈指可數(shù)。
5 鎂合金激光加工(laser oem)的進(jìn)一步研究
鎂合金材料已經(jīng)引起了世界各國研究與開發(fā)的興趣,但是70%左右的鎂合金材料主要以鑄件或壓鑄件的形式被應(yīng)用,只有10%左右用壓力加工方法加工成厚板、薄板、棒材和型材、鍛件和模鍛件等,因此,開發(fā)鎂合金的深加工是必然趨勢。
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