王穎達(dá),蘇艷芳,張大將,黃國(guó)欽

(華僑大學(xué)制造工程研究院,廈門 361021)

激光加熱連接金剛石/鋁基的工藝研究

王穎達(dá),蘇艷芳,張大將,黃國(guó)欽

(華僑大學(xué)制造工程研究院,廈門 361021)

在氬氣保護(hù)條件下，用Ag-Cu-Ti釬料在4032、6061和7075三種鋁合金基體上對(duì)金剛石進(jìn)行激光釬焊，同時(shí)比較7075鋁合金用三種不同方法去除表面氧化膜后的激光釬焊的實(shí)驗(yàn)。文章利用光纖激光器，用超景深顯微鏡對(duì)焊后金剛石形貌進(jìn)行觀察分析。研究表明：在化學(xué)法去除氧化膜后的7075鋁合金基體上激光釬焊金剛石的效果最好，實(shí)現(xiàn)了Ag-Cu-Ti釬料與金剛石、鋁合金基體的牢固焊接。

激光釬焊；金剛石；鋁合金；釬焊工藝

1 前 言

金剛石砂輪廣泛用于光學(xué)玻璃、結(jié)構(gòu)和功能陶瓷、寶石之類產(chǎn)品的加工[1]。作為高速磨削加工的砂輪，必須滿足：①磨粒把持力高,粘結(jié)強(qiáng)度高；②砂輪質(zhì)量輕，對(duì)主軸負(fù)荷的影響小。釬焊金剛石高速砂輪以活性釬料(如鎳基釬料)與金剛石間的化學(xué)冶金結(jié)合，具有很高的磨粒把持強(qiáng)度[2]，但現(xiàn)有釬焊高速砂輪主要采用鋼基體，其密度大，對(duì)主軸的負(fù)荷大，且動(dòng)平衡困難。鋁合金密度輕，比強(qiáng)度和比模量高，作為高速砂輪基體優(yōu)勢(shì)明顯。但鋁基材料熔點(diǎn)較低，且整體加熱時(shí)易變形，現(xiàn)有的方法如高頻加熱、爐中加熱均不適合。激光釬焊技術(shù)具有光斑直徑小，能量密度高，可以局部加熱且熱影響區(qū)小的優(yōu)勢(shì)，從已有的研究結(jié)果[3-10]來(lái)看，采用激光加熱可以實(shí)現(xiàn)金剛石在鋼基體上釬焊。據(jù)此，本文嘗試采用激光加熱將金剛石釬焊在鋁基基體上，以期為鋁基釬焊砂輪提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，主要研究?jī)?nèi)容包括鋁基材料選擇、加熱參數(shù)和表面處理等。

2 激光釬焊的原理及工藝參數(shù)選擇

2.1 激光釬焊的原理

激光釬焊的原理是利用激光局部加熱，當(dāng)激光以一定的速率和功率照射到釬料層時(shí)，接收照射的表面材料吸收的光能向熱能轉(zhuǎn)換，這種轉(zhuǎn)換是瞬間發(fā)生的，此時(shí)熱能僅僅局限于粉末材料的激光照射區(qū)；然后，主要通過(guò)熱傳導(dǎo)和輻射的方式，向周圍散失熱量，受光束直接照射表面，其光斑中心處的材料溫度最高，達(dá)到粉末熔點(diǎn)后，形成熔池，如圖1、圖2所示。光斑移開(kāi)后，熔池因熱傳導(dǎo)而冷卻凝固，形成金剛石釬焊連接頭。

圖1 激光釬焊示意圖Fig.1 Laser brazing diagram

圖2 激光釬焊過(guò)程中激光能量傳遞Fig.2 The laser energy transfer in laser brazing process

2.2 工藝參數(shù)的選擇

激光釬焊金剛石的工藝參數(shù)復(fù)雜，可分為激光器方面和非激光器方面。非激光器方面，主要是釬料與粘結(jié)劑的配比、釬料層的厚度、保護(hù)氣體、金剛石粒度的大小和金剛石的晶型完整等因素。激光器方面主要參數(shù)有激光功率、掃描速度和離焦量、光束模式等。

激光輸出功率和激光加熱時(shí)間共同決定了工件表面某點(diǎn)吸收能量的多少。激光功率、掃描速度與釬焊層性能密切相關(guān)，定義激光輸入線能量為：

(1)

式中，λ為線能量(J/mm2),P為激光功率(W)，ν為掃描速度(mm/s),D為光斑直徑(mm)。

激光輸入線能量能直觀地反映單位時(shí)間內(nèi)光束輻射給釬焊層的能量，它是激光能量是否有效利用的重要參數(shù)。從式(1)可以看出在一定的激光功率下，提高掃描速度，激光線能量下降，釬料熔化不充分；反之，釬料會(huì)過(guò)度熔化，甚至在基體表面形成熔池。對(duì)一定激光功率和一定厚度的釬料層都有一個(gè)合適的掃描速度范圍，參數(shù)合適可使釬料充分熔化而基體不熔化。通過(guò)離焦量可調(diào)整能量密度。離焦量不僅影響焊件表面激光光斑大小，而且影響光束的入射方向，因而對(duì)焊接熔深、焊接寬度和焊接橫截面形狀有較大影響。

3 實(shí)驗(yàn)條件和方案

3.1 實(shí)驗(yàn)條件

3.1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

激光釬焊在IPG500W光纖激光器上進(jìn)行，選擇連續(xù)出光模式，激光功率140～170W，負(fù)離焦10～15mm，掃描速度0.35mm/s，圓形光斑，同軸吹氬氣保護(hù)氣，采用直線掃描的方式激光釬焊。釬焊后試樣的形貌通過(guò)基恩思VHX-100三維視頻顯微鏡觀察分析。

3.1.2 實(shí)驗(yàn)材料

金剛石：選用ISD1600型優(yōu)質(zhì)高強(qiáng)度金剛石，其粒度為35/40目(約420～500μm)。初選基體為，4032-T651、6061-T651和7075-T651鋁合金，主要參數(shù)如表1所列，加工成20mm×20mm×5mm的長(zhǎng)方體試樣。釬料：Ag-Cu-Ti合金粉末。

3.2 實(shí)驗(yàn)方案

3.2.1 用三種鋁合金基體激光釬焊的實(shí)驗(yàn)

首先將加工好的4032、6061和7075鋁合金基體分別置于超聲清洗機(jī)中清洗20min ,清洗液為工業(yè)酒精。再將基體通過(guò)NaOH水溶液和硝酸后烘干。將釬料涂敷在基體表面上，再布上金剛石。通過(guò)調(diào)整激光器的參數(shù)，比較不同鋁合金基體與金剛石、釬料的釬焊效果。

表1 常見(jiàn)金屬的材料物理性能

3.2.2 用三種去除鋁合金表面氧化膜后激光釬焊的實(shí)驗(yàn)

選用7075鋁合金作為基體，通過(guò)三種不同的去除鋁合金表面氧化膜的方法，分別是機(jī)械打磨法、化學(xué)去除氧化膜法和活性劑去除氧化膜法。試樣1(機(jī)械打磨法)：將基體置于超聲清洗機(jī)中清洗20min后干燥。試樣2(化學(xué)去除法)：將基體通過(guò)NaOH水溶液和硝酸清洗后烘干。試樣3(活性劑去除法)：在試樣表面涂覆氯化鈉溶液后烘干。通過(guò)對(duì)三種不同去除氧化膜后的鋁合金基體做激光釬焊實(shí)驗(yàn)，比較哪種去除氧化膜的方法更有效。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

4.1 不同鋁合金基體激光釬焊的實(shí)驗(yàn)分析

4.1.1 釬焊后試樣整體形貌分析

圖3、圖4和圖5是三種鋁合金在不同工藝參數(shù)下，激光釬焊后的試樣形貌。

通過(guò)對(duì)比分析，在相同的工藝參數(shù)下，6061鋁合金較難釬焊上金剛石，釬料較難熔于鋁合金表面，焊道不完整，金剛石脫落較多，隨著增大激光功率到170W，如圖4第7焊道，鋁合金基體發(fā)生變形。4032鋁合金釬焊效果較好，但同樣存在焊道不完整，金剛石在釬焊過(guò)程中被推開(kāi)，以及焊后脫落的現(xiàn)象。相比于6061和4032鋁合金，7075鋁合金激光釬焊后的形貌好，焊道完整，金剛石在釬焊的過(guò)程中沒(méi)有被推開(kāi)，當(dāng)激光功率增大到170W，如圖5第7焊道，鋁合金基體沒(méi)有發(fā)生變形。

綜上所述，從釬焊后的試樣形貌、焊道完整性、基體是否變形和金剛石是否被推開(kāi)來(lái)分析，7075鋁合金在激光釬焊金剛石試驗(yàn)中，表現(xiàn)出更優(yōu)的釬焊性能。

4.1.2 焊后形貌分析

利用基恩思VHX-100三維視頻顯微鏡對(duì)釬焊后的試樣觀察分析,見(jiàn)圖6(釬焊工藝參數(shù)：激光功率150W，負(fù)焦量10mm，掃描速0.35mm/s)。a圖中有的金剛石在釬焊過(guò)程中被推開(kāi)，并沒(méi)有在焊道上，且釬焊時(shí)，釬料鋪展不均勻，凝固時(shí)堆疊。(b)圖中的釬料僅有小部分溶解、鋪展在基體表面，金剛石釬焊得不牢固。(c)圖中，金剛石晶型完整，無(wú)裂紋，釬焊時(shí)并沒(méi)有被推開(kāi)，且釬料熔化、鋪展均勻。

圖3 4032鋁合金釬焊形貌Fig.3 Brazing morphology of 4032 aluminum alloy

圖4 6061鋁合金釬焊形貌Fig.4 Brazing morphology of 6061 aluminum alloy

圖5 7075鋁合金釬焊形貌Fig.5 Brazing morphology of 7075 aluminum alloy

圖6 激光釬焊金剛石三維形貌觀察Fig.6 The three-dimensional morphology of laser brazed diamond

圖7是激光功率150W，負(fù)焦量13，掃描速0.35mm/s的釬焊結(jié)果。圖7a中，可看到在激光釬焊的過(guò)程中，熔化后鋪展不均勻，釬料層熔化后聚在一起，從而導(dǎo)致焊道上有釬料層沒(méi)有覆蓋的鋁合金表面，這是由于4032鋁合金釬焊效果差，同時(shí)金剛石在釬焊過(guò)程中被推開(kāi)的緣故。圖(b)和圖(c)釬焊效果較好，但相同參數(shù)下圖(c)中金剛石晶型完整，釬料熔化并均勻地鋪展在基體表面，同時(shí)金剛石底部被釬料包埋，7075鋁合金基體表現(xiàn)出更好的釬焊效果。

圖7 激光釬焊金剛石三維形貌觀察Fig.7 The three-dimensional morphology of laser brazed diamond

表1的數(shù)據(jù)表明，7075鋁合金相比4032和6061鋁合金，其抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度更高，具有高于任何軟鋼材料的高比強(qiáng)度，具有鋼材無(wú)法替代的優(yōu)勢(shì)，再加上其具有易于加工成型的特點(diǎn)，且激光釬焊的效果好，故可以作為制備高速砂輪的基體材料。

4.2 用三種去除鋁合金表面氧化膜后激光釬焊的實(shí)驗(yàn)分析

4.2.1 釬焊試樣整體新貌分析

圖8、圖9和圖10是采用三種不同去除氧化膜的方法，激光釬焊后的試樣形貌。

通過(guò)對(duì)比分析，在相同的工藝參數(shù)下，從釬焊后的試樣整體形貌、焊道完整性、釬焊中金剛石是否被推開(kāi)和釬料熔化鋪展是否均勻等方面比較，可以發(fā)現(xiàn)圖9用化學(xué)法去除鋁合金表面氧化膜后，激光釬焊的效果最好。而圖8中所示，焊道不完整、釬料熔化鋪展不均勻，金剛石大部分脫落。這是因?yàn)闄C(jī)械打磨法通常都會(huì)對(duì)鋁合金表面產(chǎn)生劃痕等物理?yè)p傷，而且去除氧化膜不徹底，導(dǎo)致釬料和鋁合金基體表面的接觸少，釬料熔化鋪展不均勻。圖10焊道不完整、釬料熔化鋪展不均勻和金剛石沒(méi)有焊上去。

圖8 機(jī)械打磨法釬焊后形貌Fig.8 Morphology after brazed by mechanical grinding

圖9 化學(xué)去除法釬焊后形貌Fig.9 Morphology after brazed by chemical removal

圖10 活性劑去除法釬焊后形貌Fig.10 Morphology after brazed by active agent removal

綜上所述。采用化學(xué)法去除氧化膜后的7075鋁合金基體，其激光釬焊效果要比用機(jī)械打磨法和活性劑去除法的好。

4.1.2 焊后形貌分析

激光功率150W，負(fù)焦量13，掃描速0.35mm/s。圖11(a)中激光釬焊釬料溶化，鋪展得不均勻，凝固成片狀聚在一起，釬焊效果不好，機(jī)械打磨不能較好的去除氧化膜。導(dǎo)致釬料無(wú)法與鋁合金基體表面發(fā)生化學(xué)冶金反應(yīng)，焊道不完整。圖11(c)中，金剛石表面有石墨化、釬焊被推開(kāi)、釬料層只有上部分熔化，導(dǎo)致出現(xiàn)凹坑。圖11(b)采用化學(xué)法去除鋁合金表面的氧化膜的效果好，相同的工藝參數(shù)下，焊道完整，釬料鋪展得均勻，且金剛石晶型完整，釬料包裹住金剛石的底部。因?yàn)榛瘜W(xué)法結(jié)合了機(jī)械打磨法和酸洗法，堿蝕劑不僅能除去鋁合金表面的氧化膜，對(duì)基體也有一定的整平作用。

圖11 激光釬焊金剛石三維形貌觀察Fig.11 The three-dimensional morphology of laser brazed diamond

4 總 結(jié)

(1)本實(shí)驗(yàn)采用三種不同的鋁合金4032、6061和7075，選用Ag-Cu-Ti粉末釬料，在未對(duì)基體預(yù)熱的情況下，三種鋁合金均可以焊上金剛石，其中7075鋁合金釬焊的效果最好，且具有良好的物理性能、較高的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度，適合做高速砂輪的基體和釬焊金剛石工具的基體選擇。

(2)以7075鋁合金作為基體，通過(guò)三種不同的去除氧化膜的方法，機(jī)械打磨法、化學(xué)去去除法和活性劑去除法，改變工藝參數(shù)，通過(guò)試樣整體釬焊形貌和金剛石的三維形貌分析，化學(xué)法可以有效地去除鋁合金表面的氧化膜，且可以對(duì)基體修平，釬料熔化均勻地鋪展在基體表面，包裹住金剛石的底部。

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Investigation of Laser Brazing of Diamond / Aluminum Matrix

WANG Ying-Da, SU Yan-fang, ZHANG DA-jiang, HUANG Guo-qin

(InstitutionofManufactureEngineeringofHuaqiaoUniversity,Xiamen361021,China)

Three types of aluminum alloy matrix, 4032, 6061 and 7075, have been laser brazed under argon atmosphere with Ag-Cu-Ti solder and laser brazing experiments of 7075 aluminum alloy, which surface oxidation film has been removed by three different methods, have been conducted and compared. The diamond morphology after being brazed has been observed and analyzed by fiber laser and ultra-deep microscope. Result shows that the laser brazing of diamond onto a 7075 aluminum alloy matrix, which oxidation film has been removed by chemical method works best, and the firm welding of Ag-Cu-Ti solder, dimond and aluminum alloy matrix has been achieved.

laser brazing; diamond; aluminum alloy; brazing technology

2017-01-26

國(guó)家自然科學(xué)基金(51575198，51235004)，華僑大學(xué)研究生科研創(chuàng)新能力培育計(jì)劃資助項(xiàng)目(1511303021)

王穎達(dá)(1992-)，男，碩士研究生，主要研究方向：高效精密加工。E-mail:10067712162@qq.com。

黃國(guó)欽， E-mail:smarthgq@hqu.edu.cn

王穎達(dá),蘇艷芳,張大將,等.激光加熱連接金剛石/鋁基的工藝研究[J].超硬材料工程，2017，29(2)：1-6.

TQ164

A

1673-1433(2017)02-0001-06