（物理电子学专业论文）高功率co2激光焊接粉末冶金材料光致等离子体控制研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 f 高功率c 0 2 激光焊接粉末冶金材料与焊接普通熔炼材料一样，随着激光功率的提 高，焊接过程中会有光致等离子体产生。在激光焊接过程中形成的等离子体实际上是 一种羽团状闪光的高温气体物质。它由金属蒸汽原子和原子簇、电子和正离子组成。 当等离子体密度达到一定程度后，将直接影响被焊粉末冶金材料对激光的吸收，不利 、 于获得优质的焊缝，所以必须对光致等离子体进行控制。，p 本文首先对高功率c 0 2 激光焊接粉末冶金材料过程中光致等离子体产生的机理 及其对入射激光的影响进行了理论分析：( 1 ) 光致等离子体将通过吸收、散射和折射 的方式降低粉末冶金材料对激光的吸收率。( 2 ) 粉末冶金材料本身，焊接环境气氛及 压力，激光功率密度等都能对光致等离子体产生影响。( 3 ) 本文实验所用f e 、c o 、 n i 三种粉末冶金材料产生光致等离子体的激光临界功率密度由大到小为f e c o n i 。 然后论文深入研究了粉末冶金材料激光焊接过程中光致等离子体行为及其控制。 ，粉末配方为：f e 粉+ 1 5 羟基f e 粉、n i 粉+ 1 5 羟基n i 粉、c o 粉三种试样。研究结 果表明：( 1 ) 激光焊接粉末冶金试样采用热压烧结，增加压力，提高温度，均可以提 高材料的烧结密度。( 2 ) 等离子体得以有效控制的最小气流量为f e n i s e c o n d l y , t h eb e h a v i o ra n d t h ec o n t r o lo f p l a s m aw e r es t u d i e dd u r i n gl a s e rw e l d i n g t h ec o m p o n e n t sa r ef f e + 1 5 t f e ，f n i + 1 5 t n i ，a n df c o r e s u l t ss h o wt h a t ( 1 ) t h e d e n s i t yo fp o w d e rm a t e r i a l si si n c r e a s e db ym e a n s o f h e a t - p r e s s u r es i m e r ，i n c r e a s e i n go f p r e s s u r ea n dt e m p e r a t u r e ( 2 ) t h e l o w e s tc e r i t i c a lg a sf l u xi sf e n i 。即，在相同激光功率密 度条件下f e 最不容易产生光致等离子体而n i 则比较容易产生。 1 2 2 环境气氛及压力 大量文献报道，大功率( 1 0 - - - 2 0 k w ) c 0 2 激光焊接，当采用h e 气作保护气体时， 等离子体一般处5 = - r 件表面 1 2 , 1 3 , 2 4 , 2 5 1 。尽管这些报道因实验条件不同，等离子体行为 并不完全一致。但有一点却是共同的，即在不同气氛下，产生的等离子体的数量的排 6 华中科技大学硕士学位论文 列顺序为：a r n e h e 。 一般认为环境气体对等离子体的影响主要取决于气体的电离能和导热性。 h e 作为保护气体时产生的等离子体的重量轻，认为是由于h e 具有高的电离能和 良好导热性 2 6 - 2 引，如表1 2 。但是，有文献报道，采用1 0 k wc 0 2 激光焊接某种粉末 冶金材料时，在h e 中加入1 0 的h 2 后，其焊接深度较纯h e 时增大，认为是加入 h 2 后对等离子体的抑制作用增强之故，而h 2 的电离能( 1 3 5 c v ) 比h e 低得多。 表1 2 几种气体的电离能和热导率 电离能( e v )热导率( 1 0 a l $ - 1 k 1 c i i l 4 ) a r1 5 6 94 2 5 7 n 2 1 5 66 2 4 0 h e2 4 4 63 6 0 3 6 环境压力对等离子体的影响也有若干报道，环境压力越低，等离子体的高度降低， 焊接深度增加2 6 0 7 1 。这主要是由于压力降低，气体( 蒸气) 密度和等离子体电子密度 降低之故。 1 2 3 激光功率密度 当激光功率密度小于金属蒸汽击穿的阈值强度时，虽然由于金属材料的蒸发在工 件表面产生蒸汽羽，但由于激光功率密度较低，金属蒸汽密度不高，因热电离产生的 电子浓度尚未达到引起金属蒸汽击穿的临界密度。在这一阶段，金属蒸汽对激光仍为 一种透明介质，蒸汽羽的大小对加工效率没有明显的影响f 2 9 l 。 表1 3 两种激光功率密度时等离子体的电子温度和密度1 3 0 l 功率密度电子温度电子密度蒸汽密度电离度 ( w c m 2 )( e v )( c m 。3 )( c m - 3 )( ) 1 4 1 0 60 5 5 o 0 22 8 x1 0 1 53 0 1 0 1 54 8 4 0 1 0 6o 6 6 o 0 31 2 x1 0 1 61 4 1 0 1 54 9 当激光功率密度大于金属蒸汽击穿的阚值强度时，将产生激光诱导的等离子体。 华中科技大学硕士学位论文 在功率密度较低时，金属蒸汽击穿而在工件表面形成金属蒸汽等离子体层，激光加工 过程能够顺利进行。随着激光功率密度的提高，等离子体的电子浓度和温度增加。如 表1 3 。 当激光功率密度较高时，高温高密度等离子体迅速膨胀，并导致环境气体击穿， 等离子体逐渐脱离工件表面，激光焊接过程将被中断。根据激光功率密度、环境条件 等的不同，激光束重新加热并蒸发工件，等离子体的产生和消失形成周期性振荡。 1 3 等离子体控制方法国内外研究动态 1 3 1 等离子体的抑制 ( 1 ) 激光参数调节 b s e i d e l 3 1 1 在大功率( 1 0 k w ) 激光焊接工程中进行了通过调节激光功率来控制等 离子体的研究。在如此高的功率条件下工件表面将形成包括保护气体的屏蔽等离子体 ( s h i e l d i gp l a s m a ) ，等离子体在喷嘴与工件之间不断地产生一向上运动一消失，形成 周期性振荡。实验表明，等离子体离开工件表面到重新形成深熔焊过程( 此时等离子 体消失) 的时间范围约为2 5 m s 。在进行等离子体的光谱分析时发现n 谱线与这种屏 蔽等离子体的形成密切相关，因此可以利用它作为等离子体的检测信号进行激光功率 调节，在等离子体刚形成时立刻降低激光功率，抑制等离子体的膨胀，当等离子体消 失的瞬间又马上恢复原来的功率，其中激光功率的变化周期不大予l m s ，以便不引起 焊缝熔深的波动。 控制等离子体产生的另外一种方法是让入射激光发生周期的变化，如使用脉冲激 光进行焊接。通过调节脉冲频率和占空比等参数，使脉宽小于等离子体达到屏蔽激光 能量的时间，同时避免因脉冲间隙过大而引起的激光焊接过程波动。t d m c c a y t 3 2 1 等 在不同的激光脉冲波形和占空比条件下对工件和激光能量的耦合情况进行了实验研 究，认为门脉冲( g a t ep u l s e ) 和回合脉冲( g a t e + p w m ) 的效果比脉宽调制的效果要 好。有学者用1 4 k w ，6 0 0 0 h z ，占空比为3 的c 0 2 脉冲激光进行了激光焊接，用高速 摄影机观察激光作用区，未发现等离子体。 ( 2 ) 激光跳焊方法 8 华中科技大学硕士学位论文 y m a t a 【”1 等人发明了一种利用激光束的移动来躲过等离子体屏蔽作用的装置，称 为激光跳焊法( l a s e rs p i k es e a mw e l d i n g ) 。其具体方法是工件匀速运动，光束沿焊接 方向往返扫描，在段时间内光斑随工件一起移动，获得较深的小孔，而在等离子体 大量产生之前将光束迅速移至焊接熔化区后沿，躲开等离子体的屏蔽作用，重新开始 深熔过程。用这种方法得到了较好的焊缝成形和大的熔深。 ( 3 ) 低气压激光焊接 等离子体的形成需要足够大的电子密度，在激光焊接过程中，等离子体主要来自 金属蒸汽在激光作用下的电离，因此设法降低金属蒸汽的粒子密度是抑制等离子体的 一种有效方法。c 0 b r o w n 3 4 1 的实验结果表明，在低于1 3 3 p a 的情况下，焊缝熔深基 本不变，而在高于1 3 3 p a 时，随着气压的降低，焊缝熔深明显增加，焊缝深宽比提高。 这是因为焊接过程产生的等离子体随气压的减少而减少，当气压低于1 3 3 p a 时，工件 表面几乎看不到等离子体，激光不再受到任何阻碍就可以进入小孔内部，此时若要提 高熔深，只有增加激光功率。 1 3 2 辅助气体控制等离子体 其作用原理是利用气体流动的动量将等离子体从激光光路中吹除，消除其对激光 的屏蔽作用。 y a r a t a 3 3 1 等人研究了辅助气体对等离子体的影响，并对等离子体进行了观察，认 为侧吹的角度和气体流量对等离子体的控制效果和焊缝成形有很大的影响，气体种类 则无关紧要。辅助气体的压力应大于焊接时产生的金属蒸汽压力。才能起到吹开等离 子体的作用，但如果压力过大，气流可能会将熔池液体吹向d q l 四周，使气体进入小 孔造成焊缝中的气孔及表面成形差等缺陷。另外，他认为吹气的最佳角度是4 5 度。 s c h i a n g 和c a l b r i g h t ! 】贝u 认为成一定角度向熔池吹辅助气体虽然可以抑制等离 子体，但可能影响小孔及熔池本来的力学平衡。他们进行了用水平侧吹的方法消除等 离子体的焊接实验，对焊接过程中的热量传输效率和熔深进行了测量，发现水平侧吹 可以降低等离子体引起的入射激光能量损失，提高热传输效率和增加熔深。 k m i n a m i d a t l 2 】提出了利用等离子体改善焊缝成形的方法。同样是利用辅助气体， 但其作用不是将等离子体从工件表面吹开，而是倾斜侧吹喷嘴，是辅助气体( 等离子 9 华中科技大学硕士学位论文 体抑制气体) 的流向与焊接方向成一定角度，利用与光束同轴的辅助气体将等离子体 斜向下吹向小孔，此时等离子体的空间分布可以通过调节气体参数得以控制，这样就 可以利用等离子体的能量加热工件，提高工件总的吸收能量，并改善焊缝成形。用这 种方法得到的焊缝截面形状不同于一般情形的激光深熔焊，其焊缝宽度沿板厚方向没 有突变，焊接接头的弯曲性能有所提高。 1 4 粉末冶金材料的高功率c 0 ：激光焊接 1 4 1 c 0 ：激光焊接粉末冶金的应用 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。 在八十年代初期，激光焊以其独特的优点进入粉末冶金材料加工领域。m o s c a 。” 发现c o ：激光能很成功的焊接某些粉末冶金材料，当条件选择得当时，焊缝结合强 度较高，热影响区很窄。同时，研究表明激光焊接的结果对烧结条件很敏感：吸热 型气体不适合作激光焊接材料的烧结气氛；在氨气、分解氨和真空中烧结的材料都能 成功地应用于激光焊接中。 与传统的焊接方法相比，激光焊具有以下特点：深宽比大，焊缝窄，焊缝结合强 度高；热影响区小，对周围组织无影响，焊接变形小；可以实现焊接过程自动化，生 产效率高。因而在粉末冶金材料加工领域发展较快，典型应用是在金刚石工具制造中。 英国的n i m b u s 金剐石工具公司于1 9 8 5 年底引进激光焊接技术，到目前为止， 该公司已投资25 万英磅用于开展这种高新技术方法焊接金刚石扇形块，被广泛应用 于金刚石圆锯片和地质取芯钻头的制造。在德国，d r f r i t s c h 公司已研究出新的全自 动激光焊接方法，用于焊接金刚石钻头和锯片，大大地提高了焊接强度。此外，意大 利、日本、比利时也有这方面的报道。 近年来，我国从事这方面的研究工作的单位逐渐增多，如华中科技大学激光加 工国家工程研究中心就成功地将激光焊接技术应用于金刚石锯片和钻头的生产中，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。 1 0 华中科技大学硕士学位论文 1 4 2 粉末冶金材料激光焊接性能的影响因素 ( 1 ) 材料成份 粉末冶金材料中合金元素的含量和种类对焊缝强度、韧性和硬度等综合机械性能 影响很大。一般来讲，烧结低碳钢、烧结n i 和c o 合金在定条件下，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f 3 6 1 。 ( 2 ) 材料的致密性 在粉末冶金材料内部不可避免地存在孔隙，无法达到理论密度。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。这些物理性能又 直接影响材料可焊性，使焊接较同成份的冶炼材料相比难度加大。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。 研究发现【3 7 - 4 3 1 ，在烧结材料的激光焊接中，密度起着至关重要的作用，低于一定的 密度( 6 5 e , e m 3 ) 的材料几乎不能采用熔化焊的方法进行焊接，因为低的弯曲强度和扭 转强度不允许材料吸收能量；中等密度( 7 o g c m 3 ) 的烧结材料与冶炼材料几乎有同样的焊接性。密度不仅对焊接强度而且对焊接缺陷特别 是气孔影响很大，低于一定密度的烧结材料焊后强度非常低，气孔特别多。 ( 3 ) 烧结条件 烧结条件对材料本身的机械性能及焊接都有较大影响，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，在干净而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、压力及温度一 压力曲线也是焊接成功的重要保证。随着压力和烧结温度的提高，粉末体孔隙由大到 小，孔隙数量由多到少，孔隙由连通孔隙变化到封闭孔隙，这时刀头密度增加，粉末 颗粒间作用面积不断增大，粉末颗粒之间不断咬合、绞结，形成很强的粉末颗粒间联 结力，从而使刀头的硬度、强度增大，具有较好的机械性能。 ( 4 ) 烧结后处理 粉末体烧结后，要及时妥善处理好，否则也会影响焊接性能。烧结后，必须保证 华中科技大学硕士学位论文 在2 4 小时之内焊接，放置时间太长，就容易吸收空气中的水分受潮，同时也容易氧 化变质，这样，焊接时，容易出现连续气孔和夹渣现象，严重影响焊缝外表美观和焊 接强度h 4 】。 粉末体烧结后，不可避免地带有毛刺，所以，焊接前，一定要把毛刺清理，否则， 由于毛刺的存在，会使刀头因摆放不好而造成刀头焊偏、焊缝夹渣等现象。 1 5 光致等离子体控制的必要性及本文研究的主要内容 1 5 1光致等离子体控制的必要性 高功率c 0 2 激光焊接过程中，在熔池上方易形成耀眼的光致等离子体，致密的等 离子体一方面通过逆韧致辐射吸收激光能量，降低工件对激光能量的吸收：另一方面 工件表面出现的耀眼羽团状物质中有很多金属蒸汽的超细颗粒，当激光束通过这团气 体物质时，受到这些颗粒的散射作用，同样导致激光能量的损失，使激光向工件的能 量传输效率降低。 光致等离子体不仅改变了辐照到工件表面的体激光能量，而且扩大了激光能量在 工件上的作用区，这是由于高温等离子区折射率是变化的，激光穿过等离子体时波前 发生畸变，工件上的光斑扩大。如果激光能量是通过等离子体吸收后，再传递到工件， 则热作用区将进一步扩大，由此而造成激光加工过程特性的变化。因此，对光致等离 子体的控制是解决高功率激光深熔焊接并获得优质焊接接头的必要条件。 图1 3 等离子体未加控制时焊缝截面 华中科技大学硕士学位论文 粉末冶金材料由于受到材料致密性的限制，相对熔炼材料而言，难产生致密的金 属蒸汽。但在高斯光束作用下，尤其是焊接速度较低时，同样产生极强的金属蒸汽等 离子体；此外，在粉末冶金材料与钢的高功率激光焊接过程中，其等离子体行为与纯 钢焊接的等离子体既有相似处，也有明显区别，它受到粉末材料的成份、烧结条件、 密度等的影响，所以对粉末冶金材料的高功率激光焊接，必须进行光致等离子体的控 制。图1 3 为等离子体未加控制时焊缝截面照片。该“酒杯”状焊缝的形成是由于光 致等离子体吸收了大量激光的能量，使等离子体的数量、电子密度、温度增加，并通 过热传导和热辐射的方式将所吸收激光能量的一部分传给焊接试样，使焊缝的深宽比 减小所至。 对焊接等离子体的研究是目前激光焊接研究领域的难点，同时也是热点和重点之 一。一方面，人们在对等离子体的研究过程中发现等离子体的某些特性可以在一定程 度上反映激光焊接质量，并在此基础上提出了通过对等离子体的检测来控制焊接过程 玫焊缝成形质量的方法。另一方面，等离子体的存在将影响焊接过程中激光能量与工 件的耦合情况，在一定条件下降低工件对激光能量的吸收，甚至可能出现完全屏蔽现 象，因此，人们设法去除或减少焊接过程中产生的等离子体。 1 5 2 本文主要研究内容 大功率c 0 2 激光深熔焊接时，不可避免地会产生激光诱导的等离子体，它对激光深 熔焊接过程的稳定性和穿透深度有着决定性的作用。为了有效地控制深熔焊接过程中 的光致等离子体，必须对光致等离子体的行为及其影响因素进行深入系统的研究。 本文着重研究高功率c 0 2 激光焊接粉末冶金材料光致等离子体的控制问题。 本课题是国家科技部项目“清音环保型激光焊接金刚石圆锯片的研究开发”的一部 分，针对国际上在这领域研究中尚存在的问题，本文将主要开展以下几方面的研究： ( 1 ) 高功率c 0 2 激光焊接粉末冶金材料时光致等离子体对焊接过程的影响。主 要集中在对焊缝深度，深宽比及强度的影响。 ( 2 ) 重点研究气体种类及流量对光致等离子体的影响。研究内容包括喷嘴结构 参数和位置参数，气体种类( h e ，a r ，n 2 ，c 0 2 ) 和气体流量对粉末冶金高功率c 0 2 激光焊接时光致等离子体的影响。 ( 3 ) 分析高功率c 0 2 激光焊接粉末冶金焊接的几种常见缺陷及其消除。 华中科技大学硕士学位论文 2 实验研究条件 2 1 激光焊接系统 2 1 1l s m 2 4 0 全自动激光焊接系统 从德国d r f f i s t c h 公司进口l s m 2 4 0 全自动激光焊接系统，采用德国r o f i n s i n a r 公司生产的d c 0 2 5 型射频激励扩散冷却s l a b 激光器，输出功率范围2 5 0 w - 2 5 0 0 w 。 激光模式为基模，方形光斑，c a ) r = 0 2 m m ，发散角0 1 5 m r a d ，反射聚焦焦距1 5 0 m m ， 2 4 小时功率稳定度2 ，冷却水稳定度t 1 k 。 图2 1 l s m 2 4 0 全自动焊接系统示意图 图2 2l s m 2 4 0 全自动激光焊接系统实物图 1 4 华中科技大学硕士学位论文 该机可专用于焊接金刚石圆锯片，焊接范围巾1 0 0 m m 中9 0 0 m m 。工作时，将锯 片基体置于旋转工作台上，气动夹具装夹。由拖板传送夹具和锯片基体到焊接工作区， 对基体进行自动测量，定向。然后，由机械手送进刀头，定位后激光器点火，开始焊 接。完毕后，刀头和基体的夹紧装置都松开，锯片进行分度旋转，焊接下一个刀头。 焊接系统示意图如图2 1 ，实物图如图2 2 。 2 1 2 r s l7 0 0 激光焊接系统 采用德国r o f i n - s i n a r 公司生产的r s l 7 0 0 高频激励轴流c 0 2 激光器，最大输出功 率1 7 0 0 w 。圆形光斑，用抛光铜镜做反射聚焦镜，模式t e m l l 。激光焊接系统如图 2 3 ，配国产工作台及专用夹具( 图2 4 ) 。 圈2 3r s l 7 0 0 半自动激光焊接系统 图2 4 专用焊装夹具 华中科技大学硕士学位论文 2 1 3 国产三工位激光焊接系统 采用国产2 k w 横流c 0 2 激光器，多折光腔结构。激光模式t e m o i + t e m 0 2 ，发 散角3 m r a d ，功率稳定度2 。气体消耗：h e ，1 5 2 0 l h r ；n 2 ，8 1 0l h r ；c 0 2 ， 2 - 3l h r ，如图2 5 所示。整个焊接过程靠旋转工作台完成。 图2 5国产三工位激光加工系统 2 2 等离子体控制实验装置 图2 6等离子体控制示意图 1 6 华中科技大学硕士学位论文 二：毫：一 图2 7 等离子体控制实验激光喷嘴结构图 图2 6 为等离子体实验控制装置示意图，图2 7 为喷嘴结构如图。喷嘴内径2 m m ， 倾斜角度4 5 度，材料为紫铜。该喷嘴固定于3 d 导光支架上。采用气体种类有a r 、 h e 、n 2 、c 0 2 。 2 3 粉末冶金试样制备设备及流程 2 3 1粉末冶金试样制备设备 ( 1 ) 从德国d r f r i s t c h 公司进口g a 2 4 0 制粒机。制粒效率2 1 0 k g h ，储料槽8 升，噪音、 o 比普通烧结的致密速度( d p d t ) p = o 大一项 3 p 4 r l ( 1 一p ) ，而且随着外加应力p 的增大和粘性系数”的减小，热压的致密化过程加速。 通常，热压的外压力比表面应力大得多，例如当孔隙半径r l = 1 微米，表面能y = 1 0 0 0 2 2 华中科技大学硕士学位论文 尔格厘米2 计算孔隙表面应力2 丫r i = 2 0 0 n c m 2 ，而外压力p 一般为几十几百公斤 厘米2 ，而且材料在高温下的屈服极限1 。比外压力也小得多【4 7 椰1 。因此，热压方程( 3 6 ) 式可简化，即在包括p 的所有项内将丫r l 和t 。均略去不计，那么( 3 7 ) 式中的( d p d t ) p = o 项实际上也可以略去，最后( 3 7 ) 式变成： ( 孰。= 茜”力 8 ， 或 ，n 南= 等+ c o 式中 c o 爿n i 高 p o ：热压开始( t ：o ) 的相对密度。 热压的致密化速度d p d t 很高，在较短时间( 通常为1 0 r a i n ) 内就可达到平衡密 度，称终极密度，密度不再随时间增大。终极密度可令d p d t = - o ，由( 3 3 ) 式求得。 由于该式中旦2 r 7 r , f l , 1 + p 刳不为零，只有【】内的值可以为零，因此 1 。褐一( 1 - j o e ) - o 式中，p 。为终极密度a 上式整理可得： l n 上：盟+ 当 ( 3 9 ) 因在任一确定温度下，y 和f 。均为常数( 它们只与温度和材料有关) ，故在指定的 压力p 下，( 3 9 ) 式中的可变的量仅有p 。和1 。但由( 3 4 ) 式，r i 也应由几所决定， 华中科技大学硕士学位论文 3 = ( 等 l ，3 ( 硝音 b 故将( 3 1o ) 式代入( 3 9 ) 式，可得到： - n 而i = 竿f t 去lp l ，3 ( 竺3 “3 + 去 b ( 1 一p e )f 。一f l 2 r 。 、 由热压致密化方程所导出的( 3 1 1 ) 式可以用来解释下面的现象：( 1 ) 当热压温度不 变( r p , r o 一定) 时，增大热压压力p 可提高密度；( 2 ) 当压力不变时，温度升高( t 。减小) ， 密度也提高。 3 2 试样制备及其烧结工艺 激光焊接主要适合高熔点粉末冶金材料，低熔点材料虽然有利于减少烧结孔隙， 获得高致密性，但在高能密束激光作用下产生瞬时汽化，影响焊接强度，甚至使激光 焊接无法进行。为获得适合激光焊接的高密度、高强度烧结体。本文采用f e 、c o 、 n i 粉末材料，为了提高烧结体的致密性，在f e 粉中加入1 5 羰基f e 粉，n i 粉中加 入1 5 羰基n i 粉，在热压条件下进行烧结。羰基粉末具有纯度高、活性大、粒度细、 基本呈球形等特点，如图3 3 分别为羰基f e 粉、c o 粉和n i 粉电子显微镜照片，具有 良好的烧结压制性能。 ( a ) 羰基f e 粉 华中科技大学硕士学位论文 ( b ) c o 粉 ( c ) n i 粉 图3 3三种粉末冶金材料电子显微镜照片 华中科技大学硕士学位论文 本文所用粉末材料技术指标如表3 1 、3 , 2 。 表3 1 粉末冶金材料技术参数 主要成份杂质含量松装密度冶炼 品名牌号粒度 ( )( ) ( g c m 。) 方法 铁粉 f f e9 8 f e 2 0 8 4 2 0 0 目还原 钴粉 f c o 19 9 c o( n i + c + f e + s i ) l o 7 52 0 0 目还原 镍粉 f n i 19 9 5 n i( c o + c 叶f e + s i ) 0 5 o 9 5 2 0 0 目还原 表3 2 羰基粉末技术参数 化学成份( )平均粒度松装密度 品名牌号 n if eco其它杂质( u i n ) ( g c m 。) 羰基 f r f 49 9o 1 5o 40 4 55 9 52 5 5 铁粉 羰基 f t n 29 9 50 0 3o 1 50 2 50 0 75 9 52 5 5 镍粉 本文焊接实验所需标准试样的主要烧结工艺参数如表3 3 表3 3 粉末冶金试样制备主要工艺参数 最大烧结温度最高烧结压力试样密度保护 试样配方 ( o c ) ( m p a c m 2 )( g c m 。) 气氛 f e 基8 5 f f e + 15 t f e 8 3 037 3还原 c o 基1 0 0 f c o 8 2 01 67 9还原 n i 基8 5 f n i + 1 5 t n i 8 4 02 88 1还原 烧结工艺如图3 4 、3 5 、3 6 所示。 3 3 本章小结 由于粉末冶金材料的烧结对试样的焊接性能有很大的影响，本章研究了粉末冶金 材料的烧结机理并描述了实验所用粉末试样的烧结工艺。 ( 1 ) 在粉末冶金材料烧结过程中，孔隙数减少，由相互连通的孔隙收缩成闭孔， 烧结体强度增加。 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 在烧结过程中中，小孔隙比大孔隙更容易缩小和消失，故随着烧结过程的 进行，孔隙的平均尺寸增大。 ( 3 ) 当热压烧结温度不变时，增大烧结压力可以提高烧结密度；当烧结压力不 变时，增加热压烧结温度可以提高烧结密度。 p 一 创 娲 姆 堰 o o 卜 剑 赠 j ： 避 o1 01 8 0 2 4 03 0 05 4 06 0 0 烧结时间t s 图3 4f e 基粉末试样烧结曲线 o1 01 8 02 4 0 3 0 05 4 06 0 0 烧结时间t s 图3 5c o 基粉末试样烧结曲线 n e q 乱 苫 r 幽 o o o o 0 o 0 o o o 0 粥们m n - 。_ d 至 r 蛆 5 2 l 1 咖喜|啪瑚喜；枷姗啪m o 华中科技大学硕士学位论文 01 8 02 4 03 0 05 4 06 0 0 烧结时间t s 图3 6n i 基粉末试样烧结曲线 2 5芷 茎 2 - r 邕 喜i湖堇啪善|枷|；猢o p世赠姆婴 华中科技大学硕士学位论文 4 高功率c 0 2 激光焊接粉末冶金材料光致等离子体的产生机理 光致等离子体的产生机理对控制或抑制等离子体有很好的理论指导意义。在高功 率c 0 2 激光焊接条件下，光致等离子体中既包含金属离子也包含环境气体离子及电子 【4 9 l 。它们的特性将影响光致等离子体的产生及控制。在实际应用中，光致等离子体并 非每时每刻都产生，而是有一临界激光功率密度。随粉末冶金材料的不同，这一临界 功率密度也不同。本章就此问题进行讨论。试图从一定程度上解释高功率c 0 2 激光焊 接粉末冶金材料时光致等离子体的产生机理。 4 1 光致等离子体产生机理分析 4 1 1 金属蒸汽电离 对于厚板的激光焊接，可以采用半无限大物体加热的热源模型分析焊接温度场。 对于各向均匀的材料，在表面热源作用下，其热传导的微分方程可表示为5 0 】： 塑掣=昙(k詈)+昙(k等)+丢(k璺+f(x,y,z,tot 0 2 ) ( 。，) 盘戗卵洲彤 式中，t 为温度，t 为时间，p 为材料的密度，c 为材料的定压比热，k 为材料的 导热系数，r ( x ，y , z ，t ) 为材料单位时间单位体积的发热量，激光加工中一般不存在体积 热源，故r ( x ，y , z ，t ) = 0 。 由于是表面热源作用于半无限大物体，故边界条件可以表示为垆1 1 ： z - - 0 k c x r a z = - a c p ( t ) q ( x ，y )( 4 2 ) z - - - o o t = 0 ，t = 0( 4 3 ) 式中，a 为材料表面对激光的吸收系数，中( t ) q ( x ，y ) - 1 为激光功率密度。 当聚焦光斑为恒定高斯热源时，由方程( 4 1 ) - - , ( 4 3 ) ，得光斑中心处的温度为【3 】： 删，o ，) = 而a l o w , = 嗍等 ) 式中，i o 为光斑中心峰值功率密度，o f 为焦斑半径，a 为材料的热扩散率，并有 a = k p c 。 华中科技大学硕士学位论文 当激光功率密度l o 达到1 0 6 w c m 2 以上时，材料表面温度随加热时间t 的延长而 达到材料的汽化温度t v ，金属材料表面蒸发形成金属蒸汽，材料蒸汽的密度d v 与激 光将材料加热到其汽化温度t v 后的剩余功率成正比1 5 舶，即： 珂口 一，。一4 百- 瓦t v k c o f a r c l g 。 ( 4 5 ) 对于上述情况，材料表面的蒸汽密度n v 和汽化温度t v 的关系可表示为 1 9 1 p v = n vk b t v 2 b e x p ( - e v k b t v )( 4 6 ) 式中，p v 为金属蒸汽压力，k b 为玻尔兹曼常数，b 、s v 为常数。 材料蒸汽中有一定的自由电子，处在激光辐照区的自由电子通过逆韧致辐射吸收 激光能量而被加速，直至其有足够的能量来碰撞电离材料蒸汽和周围气体，电子密度 从而雪崩式地增长，决定电子密度n c 的是以下速率方程： 车叫一y 埘一y 。 ， ( 4 7 ) i 刮叫埘叫一 ， 【4 ，j 式中，v i 为电离速率，v d i f f 为扩散速率，v 。为复合速率。 金属蒸汽中的电子密度1 1 c 可以用s a h a 方程进行计算【1 ： 等= ( 竽卜p 一老 h s ， 式中，n 。为离子数密度，只有一次电离时，n i 砘h 为普朗克常数。 决定电子平均能量e 的方程为【5 2 】 以粤：甜0 一足叫 + 忘，+ 嘣。一如+ 忘， c 。 式中，口为等离子体对激光的吸收系数，p 。为电子弹性碰撞的功率损失，中为电 离能，e 。为激发能，v 。为电子、离子、原子三体碰撞复合的速率。 4 1 2 环境气体的电离 激光加工过程中的光致等离子体一般为材料蒸汽的等离子体，因为材料蒸汽温度 华中科技大学硕士学位论文 很高，常用金属材料蒸汽较周围气体易于电离。但在激光功率密度很高、周围气体流 动不畅及气体电离势较低时，也可能发生周围气体击穿而产生气体等离子体。 气体击穿过程的主要方程是电子的连续方程和能量方程舻”，电子的连续方程为： t 饥i - = v , n e1 - 鸶t i - 叫以叫艉2 ( 4 1 0 ) 式中，n o 为初始电子数密度，v 。为电子产生速率，d 。为电子扩散系数，l d 为特 征扩散长度，v 。为附着速率，v r 为气体等离子体复合速率。 单个电子的能量方程可表示为： 堕： ! 坐! 一f 堡1 o t 埘( e 2 + 万l 2 弦o c l o t j ， 式中，i 为激光强度，v 。为原子碰撞频率，面l 为激光角频率， 频率，8 0 为自由空间的介电常数，c 为光速。 ( 4 1 1 ) 面e 为辐射场的角 在强激光的作用下，气体被初始电子触发击穿的机理一般有两种形式：多光子吸 收和级联电离 5 4 , 5 5 1 。多光子吸收是指气体原子和分子同时吸收一定数量的光子，所吸 收的光子能量之和达到气体击穿所需的电离电位。级联过程时指自由电子与原子( 或 离子) 发生碰撞时，吸收光子能量达到足以通过电子原子的非弹性碰撞而使气体 击穿。 将气体得到完全单电离时定义为击穿，对( 4 1 0 ) 连续方程积分得【“】 t p ( v i a a - v a - d d l 2 d ) = l n ( n f n o ) ( 4 1 2 ) 式中，v i b d 为气体击穿所需的电离速率，t 。为激光脉冲宽度，1 3 f 为终态电子密度， n o 为初始电子密度。 激光击穿气体时电子能量的增加速率必须等于气体的电离电位m 乘以击穿时的电 离速率： ( d e c d t ) b d 却e v i b d( 4 1 3 ) 由方程( 4 1 0 卜( 4 1 3 ) ，可以得到击穿气体的激光强度阐值i b d k 警1 半4 - 万1 c 鲁) l 4 - v 。4 - 专i 华中科技大学硕士学位论文 式( 4 1 4 ) 中，括号内第一项代表电子增长的级联时间的倒数，第二项为电子能量损 耗频率，第三项是附着时间，第四项为电子扩散时间的倒数。 采用连续c 0 2 激光进行激光焊接时，其功率密度一般小于1 0 7 w c m 2 ，这种功率密 度难以使单纯气体产生稳定电离，但在激光辐照的靶子附近，由于存在金属蒸汽的初 始电离，原始电子密度较大，击穿气体所需功率密度可下降至1 0 1 7 w c m 2 。一旦着火， 气体等离子体强烈吸收激光，撤除靶子，气体等离子体仍能维持，击穿各种气体所需 功率密度的大小与气体的电离能和流动状况有关。 4 2 粉末冶金材料光致等离子体的产生 4 2 1 临界功率密度 三种粉末冶金烧结试样在c 0 2 激光辐照下，产生汽化时的临界激光功率密度与时 间的关系如图4 1 所示。 辐照时间t ( s ) 图4 1 临界激光功率密度与时间的关系”6 1 在高于l l 盎界激光功率密度时，材料表面不仅熔化，而且汽化，汽化物聚集在材料 表面附近并微弱的电离形成等离子体，有助于材料对激光的吸收。在汽化膨胀压力下， 华中科技大学硕士学位论文 液态表面变形，形成凹坑。再进一步提商功率密度和加长辐照时间，材料表面强烈汽 化，形成较高电离度的等离子体，它阻隔激光对材料的辐照。在较大的汽化膨胀压力 下，材料表面生成小孔，它有利于增强材料对激光的吸收。就材料对激光的吸收而言， 材料的汽化是一个分界线。表面没有汽化，不论材料处于固相还是液相，其对激 光的吸收仅随表面温度的升高而有较慢的变化；而一旦材料出现汽化并形成等离子体 和小孔，材料对激光的吸收会发生突变，其吸收率决定于等离子体与激光的相互作用 和小孔效应等因素。 不同气体条件时c 0 2 激光深熔焊的临界功率密度存在一定的差异。不同气体时深 熔焊接的临界功率密度由小到大的排列顺序为a z n 2 h e 。这种差异是由气体对等 离子体形成临界功率密度的影响造成的。 辅助气体种类不同时，能量损失是不一致的。如表4 1 ，为室温下所采用的三种 气体辅助气体和0 2 的热物理性质。可见，在三种气体辅助中，h e 具有最好的导热性 能，而m 的热导率为最小。因此，当辅助气体为h e 时，金属蒸汽击穿形成等离子体 的l 临界功率密度应该最高，而采用m 时应最低。 表4 i气体的热物理性质( 5 7 i 定压比热( c p )密度 热导率 气体 ( c a lm o l 1k 1 ) ( g n ) ( 1 0 巧c a ls 。1k 1c m 1 ) h e4 9 60 1 7 8 53 6 0 3 6 n 2 6 9 81 2 5 l6 2 4 0 a x4 9 51 7 8 44 2 5 7 0 2 7 0 11 4 2 96 3 6 4 气体种类对金属蒸汽形成等离子体临界功率密度的影响也可由电子的能量方程 来解释。要使金属蒸汽击穿形成等离子体，其前提条件是自由电子从激光辐射场中获 取的能量增长速率大于电子与中性粒子碰撞时的能量损失速率。如果不考虑电子与中 性粒子的非弹性碰撞的能量损失，这一条件可由下式表达： 生：! ：! 生 一竺! 生量 d t 刀k 岛f 2 + e ) 2 月 8 0 m o t o o ：中性粒子的质量，：电子能量，e ：电子电荷，i ：激光强度，v c ：电子 华中科技大学硕士学位论文 中性粒子碰撞频率，i i l e ：电子质量，u ：激光圆频率，eo ：自由空间的介电常数，c 光速。 表4 2 辅助气体主要元素的电离能和分子重量1 5 0 1 电离能( e v )分子( 原子) 重量电离能与分子重量之比 h e2 4 4 6 4 o o6 1 1 5 n 2 1 5 6 2 8 0 40 5 5 6 a r1 5 6 93 9 9 50 3 9 3 f e7 8 75 5 8 50 1 4 l n i7 6 l5 8 7 l0 1 3 0 上式右边第二项即为电子与中性粒子碰撞能量损失的最大速率，正比于中性粒子 的电离能与分子重量之比。表4 2 为相关数据。可知，h e 的电离能与分子重量之比最 大，最小。故采用辅助气体后，金属蒸汽击穿形成等离子体的难以程度为a r n i 。 ( 4 ) 通过在焊接过程中吹辅助气体可以提高产生光致等离子体的激光临界功率 密度。其中h e 的影响最大。 华中科技大学硕士学位论文 等离子体的控制实验研究 等离子体控制对提高激光焊接粉末冶金材料焊缝质量影响很大。等离子体控制得 不好，将严重影响粉末材料对入射激光的吸收，降低激光吸收率，使激光深熔焊有向 激光热导焊转变的趋势，甚至使激光焊接不能进行。对于等离子体控制的实验研究， 本章着重从三个方面着手：喷嘴、辅助气体和焊接线能量。 5 1喷嘴结构参数及位置参数对等离子体控制的影响 在研究喷嘴参数对等离子体控制的影响时，实验所用试样为添加了羰基铁粉的f e 基烧结试样，2 2 1 8 xl l m m 。实验在l s m 2 4 0 焊接系统上进行，激光功率1 6 k w ， 焊接速度o 9 m m i n ，同轴主吹m 保护焊缝和镜片，气流量1 5 l m i n ，离焦量一l m m 。 5 1 1喷嘴角度 选择适当喷嘴角度是控制小孔中等离子体的前提。辅助m 气流量2 0 l m i n 时， 焊缝熔深及深宽比与喷嘴角度的关系如图5 1 和图5 2 所示。随着喷嘴角度的增大， 焊缝熔深增大，但趋势越来越缓。从图中可以看出当喷嘴角度在4 5 0 时，焊缝熔深虽 然不是最大，但却具有最大的深宽比，图5 3 为焊缝横截面照片。研究还发现，在0 0 a 3 0 0 时，焊缝熔深达到最 大，一般取3 0 0 q 7 5 0 。 _ 一 r p = l _；k w v - u a r = 2 ) l m i n 3 04 56 07 5 喷嘴角度a ( 度) 图5 1喷嘴角度对焊缝深度的影响 4 3 2 l 0 gh翳竣 华中科技大学硕士学位论文 1 2 丑 髑 聪0 8 嚣 驶 0 6 0 4 ，一 ， 、- - _ ，一一 p = - 1 6 k w v = o 9 m r a i n a r = 2 0 l m i n 3 0 4 56 07 5 喷嘴角度a ( 度) 图5 2 喷嘴角度对焊缝深宽比的影响 图5 3 焊缝横截面照片( 1 6 x ) 3 7 华中科技大学硕士学位论文 另外，在金刚石锯片的焊接过程中，由于粉末烧结刀头一般比基体厚，倾斜与激 光同轴的主吹喷嘴可以降低装配精度，同时还在一定程度上形成角焊缝有利于获得优 质焊缝 5 8 , 6 1 】。 5 1 2 喷嘴高度 图5 4 是在焊接速度o 9 m m i n ，a r 流量2 0 l m i n ，吹气角度为n = 4 5 。时，在不 同激光功率条件下改变喷嘴高度时焊缝熔深的变化情况，可以看出，随喷嘴高度的增 加，焊缝熔深逐渐减小，当增大到某高度的时候，再增加喷嘴高度焊缝熔深已没有变 化，这和轴向气流对等离子体的相互作用有关。当喷嘴高度较小时，轴向气流能将部 分等离子体吹开，降低等离子体对激光的阻碍，加大熔深：当高度增加到一定程度时， 气流到达工件附近时已变得很弱，对等离子体不会产生影响，因此焊缝熔深不再变化。 随着喷嘴高度的增长，焊接深度较小，某一高度时焊接深度降至最低值。激光功 率越大，获得最小焊缝深度时的喷嘴高度越大。 4 3 5 3 喜 藤2 5 蓑 z 驶 1 5 1 o 5 9 m 48 1 2 1 62 02 4 喷嘴高度m 图5 4 喷嘴高度对焊缝熔深的影响 3 8 华中科技大学硕士学位论文 5 2 3 喷嘴内径 量 赚 缝 裂 驶 1 822 32 42 62 833 23 43 63 84 喷嘴孔径哪 图5 5 喷嘴内径对焊缝熔深的影响衅l 如图5 5 所示，d = 2 3 m m 时，焊缝熔深最大。直径太小时并没有产生最大熔深， 可能是由于压缩气流小于等离子体尺寸。随着喷嘴减小，气流不变时，焊缝熔深也随 着减小。焊缝宽度趋势与熔深一致，最小熔宽出现( d 2 3 m m 直径) 时，焊缝熔深最 大。故一般情况下，取较小的d 、h 值，获得较宽流量区间。实验研究还发现喷嘴内 径d 并非随激光功率增大而增加，d 取值主要与焊接小孔的大小相匹配。 5 1 4 喷嘴位置参数 光致等 图5 6喷嘴位置示意图 侧咬喷嘴 2 2 2 2 2 2 2 l