一種激光沉積-熔注同步復(fù)合連接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金屬基復(fù)合材料激光焊接新方法，屬于材料加工工程領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬基復(fù)合材料(Metal Matrix Composites，簡(jiǎn)稱MMCs)所具有的高比強(qiáng)度、比模量、良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性、耐磨性、高溫性能、低的熱膨脹系數(shù)、高的尺寸穩(wěn)定性等優(yōu)異的綜合性能，使金屬基復(fù)合材料在航天、航空、電子、汽車以及先進(jìn)武器系統(tǒng)中均具有廣泛的應(yīng)用前景。相對(duì)于純金屬材料，由于金屬基復(fù)合材料制作工藝復(fù)雜、成本昂貴，這在一定程度上限制了金屬基復(fù)合材料的應(yīng)用。金屬基復(fù)合材料根據(jù)增強(qiáng)體形態(tài)的不同可以分為連續(xù)纖維復(fù)合材料、短纖維復(fù)合材料、顆粒增強(qiáng)復(fù)合材料、編織復(fù)合材料等。制備工藝主要有粉末冶金、攪拌鑄造、噴射沉積和壓力浸滲等。
[0003]由于金屬基復(fù)合材料特殊的微觀結(jié)構(gòu)，基體與增強(qiáng)體之間物理化學(xué)性質(zhì)存在很大的差異，這既使得金屬基復(fù)合材料兼具了金屬基體與增強(qiáng)體的優(yōu)異性能，又能克服二者的性能不足。但是，也正是金屬基復(fù)合材料這種特殊的微觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定了其焊接難度相對(duì)于常規(guī)金屬材料大得多。
[0004]目前，對(duì)金屬基復(fù)合材料的連接研究和應(yīng)用比較多的集中在熔化焊、固相焊、釬焊三大類。熔化焊主要包括TIG、MIG、MAG焊等；固相焊主要有瞬時(shí)液相擴(kuò)散焊(TLP)、固相擴(kuò)散焊、攪拌摩擦焊等；釬焊則有空氣氣氛中的釬焊、保護(hù)氣氛中的釬焊、真空釬焊等。熔焊時(shí)，增強(qiáng)體的存在降低了熔池流動(dòng)性，易造成焊縫成形差、氣孔及裂紋等缺陷；同時(shí)，在高溫情況下，增強(qiáng)相與基體金屬之間容易發(fā)生界面反應(yīng)生成脆性化合物。因此，常規(guī)的熔化焊接方法很難實(shí)現(xiàn)顆粒增強(qiáng)金屬基復(fù)合材料優(yōu)質(zhì)連接。
[0005]金屬基復(fù)合材料常規(guī)熔化焊接主要存在以下幾個(gè)問題:
[0006]—、焊縫成形差。增強(qiáng)相降低了熔池流動(dòng)性，同時(shí)焊接過程中易發(fā)生金屬基體飛濺，形成焊縫凹陷，增強(qiáng)相殘?jiān)街诤缚p邊緣。
[0007]二、增強(qiáng)相分布不均勻。焊接過程中基體金屬熔化而增強(qiáng)相不熔化，增強(qiáng)體被前進(jìn)中的液固界面所推移，致使焊縫中的增強(qiáng)相分布不均勻。
[0008]三、界面反應(yīng)形成脆性化合物。焊接過程中基體金屬材料與增強(qiáng)相通常會(huì)發(fā)生界面反應(yīng)，如SiCp/Al復(fù)合材料焊接中，SiC顆粒與A1發(fā)生如下反應(yīng):
[0009]SiC (s) +A1 (1) | A14C3 (s) +Si (s)
[0010]界面反應(yīng)不僅會(huì)消耗增強(qiáng)相，減弱其增強(qiáng)效果；而且，界面反應(yīng)生成物多為脆性相，嚴(yán)重削弱接頭性能。
[0011]四、焊接缺陷傾向大。由于金屬基體與增強(qiáng)相之間物理性能顯著的差別，焊接過程中裂紋、氣孔、未熔合等缺陷傾向大。
[0012]相比熔化焊，雖然固相連接能避免復(fù)合材料的熔化，不發(fā)生增強(qiáng)顆粒與基體金屬間界面反應(yīng)，避免了脆性相的產(chǎn)生，但固相焊過程中，被焊材料需施加較大的壓力，容易造成母材與增強(qiáng)相的接合界面復(fù)合材料或增強(qiáng)相本身發(fā)生破壞。
[0013]而對(duì)于釬焊，與其他焊接方法相比，釬焊加熱溫度低，母材不熔化，不易引起基體與增強(qiáng)相間的界面反應(yīng)；且釬焊變形小，接頭美觀，但增強(qiáng)相顆粒的存在，嚴(yán)重阻礙釬料在母材表面的潤濕與鋪展，同時(shí)存在基體-增強(qiáng)相、增強(qiáng)相-增強(qiáng)相間的弱連接，嚴(yán)重影響接
生會(huì)bo

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014]本發(fā)明的目的是為了解決金屬基復(fù)合材料焊接時(shí)增強(qiáng)相燒損、氣孔缺陷傾向大、易生成脆性金屬間化合物，激光填粉焊接過程又存在前期準(zhǔn)備過程相對(duì)復(fù)雜、增強(qiáng)相在高溫液態(tài)金屬中溶解較多等問題。而提供了一種激光沉積-熔注同步復(fù)合連接方法。
[0015]本發(fā)明的一種激光沉積-熔注同步復(fù)合連接方法，它是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0016]步驟一:將待焊工件的待焊部位加工成V型坡口 ；
[0017]步驟二:對(duì)坡口及附近位置表面進(jìn)行清理、打磨，并用夾具將待焊工件裝夾固定在工作臺(tái)上；
[0018]步驟三:安裝同軸和旁軸送粉頭，設(shè)置焊接工藝參數(shù):
[0019]激光功率為600W?5000W，光斑直徑為1mm?4mm，焊接速度為3mm/s?15mm/s ；送粉速度為2g/min?15g/min，送粉載氣流量為3L/min?20L/min，增強(qiáng)相顆粒注入速度為2g/min?20g/min，注入角度為30°?70°，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5° ；
[0020]步驟四:采用同軸送粉頭向焊縫位置送入填充粉末，控制激光發(fā)生裝置執(zhí)行步驟三的工藝參數(shù)，產(chǎn)生激光束，在激光輻照下熔化粉末形成熔池；
[0021]步驟五:在同軸送入填充粉末焊接的同時(shí)，在熔池的后部通過旁軸送粉頭向熔池中注入增強(qiáng)相顆粒，即完成所述的激光沉積-熔注同步復(fù)合連接。
[0022]本發(fā)明將填充粉末與增強(qiáng)相顆粒粉末用球磨機(jī)混合均勻，制得混合填充粉末；將混合填充粉末裝入送粉機(jī)中；其中，混合填充粉末的體積大于待焊工件焊縫坡口位置的體積。
[0023]混合填充粉末中填充粉末與增強(qiáng)相顆粒的比例根據(jù)待焊工件中基體材料與增強(qiáng)相的比例來確定，即混合填充粉末的體積大于待焊金屬基復(fù)合材料中基體與增強(qiáng)相的體積。
[0024]本發(fā)明填充粉末材料根據(jù)待焊材料的不同而不同，一般選擇與焊接母材成份相匹配的合金粉末。
[0025]本發(fā)明的增強(qiáng)相顆粒與母材增強(qiáng)相顆粒相同；以避免增強(qiáng)相顆粒與激光或高溫熔池直接作用而發(fā)生燒損，并在焊縫形成新的復(fù)合材料層而連接兩母材。
[0026]本發(fā)明包含以下有益效果:
[0027]采用激光填粉沉積-熔注的方法，將填充粉末與增強(qiáng)相顆粒分開送入焊縫，避免了實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備過程中混合粉末球磨過程，并且可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)情況實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)填充粉末與增強(qiáng)相顆粒的送入速度與送入量。
[0028]本發(fā)明的方法能量輸入精確可控；方便調(diào)節(jié)材料組分；柔性大、自動(dòng)化程度高?’最小特征尺寸和熱輸入僅受限于最小光斑尺寸。另外最顯著特點(diǎn)是增強(qiáng)相采用熔注的方法填充到焊縫熔池后方，不與激光能量直接作用，能盡量避免增強(qiáng)相顆粒燒損，同時(shí)增強(qiáng)相從溫度較低的熔池后方送入，能有效的抑制增強(qiáng)相顆粒在液態(tài)金屬中的溶解。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發(fā)明激光沉積-熔注同步復(fù)合連接示意圖；
[0030]圖2為實(shí)施例1的焊接接頭金相圖；
[0031]圖3為實(shí)施例1的焊接接頭微觀組織圖；
[0032]圖4為實(shí)施例2的焊接接頭金相圖；
[0033]圖5為實(shí)施例2的焊接接頭微觀組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0034]【具體實(shí)施方式】一:本實(shí)施方式的一種激光沉積-熔注同步復(fù)合連接方法，它是按照以下步驟進(jìn)行的:
[0035]步驟一:將待焊工件的待焊部位加工成V型坡口 ；
[0036]步驟二:對(duì)坡口及附近位置表面進(jìn)行清理、打磨，并用夾具將待焊工件裝夾固定在工作臺(tái)上；
[0037]步驟三:安裝同軸和旁軸送粉頭，設(shè)置焊接工藝參數(shù):
[0038]激光功率為600W?5000W，光斑直徑為1_?4mm，焊接速度為3mm/s?15mm/s ；送粉速度為2g/min?15g/min，送粉載氣流量為3L/min?20L/min，增強(qiáng)相顆粒注入速度為2g/min?20g/min，注入角度為30°?70°，保護(hù)氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5° ;
[0039]步驟四:采用同軸送粉頭向焊縫位置送入填充粉末，控制激光發(fā)生裝置執(zhí)行步驟三的工藝參數(shù)，產(chǎn)生激光束，在激光輻照下熔化粉末形成熔池；
[0040]步驟五:在同軸送入填充粉末焊接的同時(shí)，在熔池的后部通過旁軸送粉頭向熔池中注入增強(qiáng)相顆粒，即完成所述的激光沉積-熔注同步復(fù)合連接。
[0041]本實(shí)施方式將填充粉末與增強(qiáng)相顆粒粉末用球磨機(jī)混合均勻，制得混合填充粉末；將混合填充粉末裝入送粉機(jī)中；其中，混合填充粉末的體積大于待焊工件焊縫坡口位置的體積。
[0042]混合填充粉末中填充粉末與增強(qiáng)相顆粒的比例根據(jù)待焊工件中基體材料與增強(qiáng)相的比例來確定，即混合填充粉末的體積大于待焊金屬基復(fù)合材料中基體與增強(qiáng)相的體積。
[0043]【具體實(shí)施方式】二:本實(shí)施方式與【具體實(shí)施方式】一不同的是:發(fā)射激光的激光器為半導(dǎo)體激光器、C02氣體激光器