李時春 周 磊 周妃四 孫 卓

1.湖南科技大學難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湘潭，411201 2.湖南科技大學機電工程學院，湘潭，411201

0 引言

激光釬焊制備砂輪因其加熱時間短、加工熱影響區(qū)小等優(yōu)點而被廣泛關注和研究[1-2]。HUANG等[3]采用激光釬焊制備金剛石工具進行磨削試驗，結果顯示從釬焊層中拔出的金剛石磨粒比例很低(約5%)。楊志波等[4-5]將Ni-Cr 合金作為釬料，采用激光釬焊制備出了金剛石砂輪塊，并進行了加工試驗，結果表明：金剛石磨粒在磨削過程中基本上為正常磨損，無磨粒脫落現(xiàn)象。此外，現(xiàn)有文獻還對單層金剛石磨粒砂輪開展了激光釬焊工藝和釬焊機理的研究，包括工藝參數(shù)對單層磨粒釬焊表面質量和微觀組織形態(tài)的影響、金剛石與釬料的冶金結合等[6-11]。然而，目前有關多層金剛石磨粒砂輪的激光釬焊研究報道甚少。文獻[12-14]從單道掃描到單層掃描、再到多層掃描，系統(tǒng)研究了鎳鉻合金與金剛石磨粒的多層激光釬焊工藝，在優(yōu)化的工藝參數(shù)條件下，實現(xiàn)了多層金剛石磨粒砂輪試塊的激光逐層釬焊成形，釬料對金剛石浸潤包裹充分，整體成形質量好。磨損試驗結果顯示，激光逐層釬焊制備的砂輪試塊具有較好的耐磨損特性，磨粒經(jīng)歷了正常磨耗磨損，但在激光釬焊金剛石砂輪中，金剛石磨粒會出現(xiàn)不同程度的熱損傷等問題，還有待解決[15-21]。

連續(xù)激光釬焊在逐層釬焊過程中隨著層數(shù)的增加熱積累量逐漸增大，對裂紋的產(chǎn)生具有促進作用，且易造成金剛石的熱損傷。而脈沖型激光加工過程中，由于脈沖之間存在較長的時間間隔，有利于釬焊過程中熱量的擴散冷卻，可以有效地減少激光逐層釬焊過程中熱量的積累，進而減低熱積累對金剛石的熱損傷、減少裂紋缺陷的產(chǎn)生。蘇艷芳等[22-23]、郭佳杰等[24]仿真研究了脈沖式激光釬焊金剛石的溫度場分布，并在仿真優(yōu)化的工藝參數(shù)條件下進行了脈沖激光試驗研究。該仿真結果顯示，脈沖激光釬焊金剛石過程中要適當?shù)亟档头逯倒β?，并增大脈寬和脈沖頻率；在優(yōu)選參數(shù)條件下進行脈沖激光釬焊可實現(xiàn)金剛石-釬料-基體之間有效的連接，金剛石熱損傷小，金剛石與合金釬料之間形成了化學冶金結合。然而，現(xiàn)有文獻僅限于對單層磨粒進行脈沖激光釬焊，對多層金剛石磨粒砂輪的脈沖激光釬焊研究尚未見報道。

本文主要研究了脈沖激光逐層釬焊鎳鉻合金和金剛石混合粉末的成形工藝，分析了脈沖激光工藝參數(shù)對成形質量和金剛石磨粒損傷的影響規(guī)律，可為脈沖激光逐層釬焊金剛石砂輪的制備及應用提供試驗指導及工藝基礎。

1 試驗(材料、設備、過程)

試驗用的金剛石粒徑為30 μm左右，基板材料為45鋼，釬料為粒徑5 μm左右的鎳鉻合金粉末。釬料及基板材料成分如表1所示。試驗開始之前，將金剛石和鎳鉻合金粉末充分混合，混合粉末中金剛石所占體積分數(shù)為25%。

表1 鎳鉻合金粉末與45鋼材料成分(質量分數(shù))

本文采用由某公司生產(chǎn)的振鏡式脈沖激光加工設備進行激光釬焊試驗。激光波長λ=1064 nm、焦點光斑直徑ω0=28 μm、激光功率P的調節(jié)范圍為0～100 W、脈寬τ四擋可調(τ= 20 ns、30 ns、60 ns、120 ns)、脈沖重復頻率f調節(jié)范圍為10～1000 kHz、激光束掃描速度v的調節(jié)范圍為0～10 m/s。

試驗開始之前對鎳鉻合金和金剛石混合粉末進行烘干處理，用無水乙醇對基板進行清洗并干燥?？紤]到激光器的最大功率只有100 W，將鋪粉厚度固定為40 μm。進行多層釬焊時，考慮粉末厚度的收縮，鋪粉過程中采取等差添加墊片進行鋪粉，保證每一層的粉厚為40 μm。根據(jù)相關文獻所述脈沖激光釬焊時要適當?shù)卦龃竺}寬，所以本文試驗設定脈寬為120 ns。釬焊試驗時將金剛石和鎳鉻合金混合粉末預先平鋪在45鋼基板上。單層釬焊和多層釬焊試驗采用S形激光掃描方式，層與層之間的掃描角度相差90°。

分別設計了單道釬焊、單層釬焊、多層釬焊的成形試驗。本文通過設置不同的工藝參數(shù)進行釬焊試驗，分析不同工藝參數(shù)對成形質量和金剛石損傷的影響，主要考察的變化參數(shù)有：激光功率P，脈沖頻率f，掃描速度v，離焦量L，掃描間距M，參數(shù)取值如表2所示。

表2 釬焊工藝參數(shù)

試驗完成后用無水乙醇清洗試樣，并采用超景深顯微鏡、掃描電鏡設備觀察釬焊層表面形貌及金剛石損傷形態(tài)。對于多層試樣，本文還截取了多層釬焊件截面，用砂紙打磨至2000目后拋光，再用王水溶液進行腐蝕，觀察了多層釬焊件截面形貌及金剛石磨粒形態(tài)。由于工藝參數(shù)與釬焊成形質量間的關系復雜，各參數(shù)對成形質量影響存在關聯(lián)性，成形質量好壞受熱輸入量大小的影響顯著，因此本文考察了峰值功率密度和線能量密度對成形質量的影響，其中峰值功率密度ρ0=4P/(τfπD2)，線能量密度ρ=P/(Dv)。上述計算式中光斑直徑D會隨離焦量L的變化而改變。通過對輸出的激光束進行打點試驗，測量得到在離焦量L=3 mm、5 mm、10 mm時的光斑直徑D分別為110.5 μm、165.5 μm、303 μm。此外，為了考察多層釬焊層與基體的結合強度，本文對多層釬焊件進行三點式抗彎曲強度試驗。所制作出的抗彎曲樣品尺寸為：長35 mm、寬10 mm、厚2.5 mm(其中釬焊層厚0.5 mm、基板厚2 mm)，抗彎試驗的跨距長度為22 mm，載荷的加載速度為0.5 mm/min。

2 結果與分析

2.1 單道釬焊

2.1.1離焦量對單道釬焊成形的影響

圖1所示為掃描速度30 mm/s、激光功率70 W、脈沖頻率200 kHz時，不同離焦量(離焦量L分別為3 mm、4 mm和 5mm,所對應的峰值功率密度分別為3.04×106W/cm2、1.95×106W/cm2和1.36×106W/cm2，所對應的線能量密度分別為21.12 J/mm2、16.91 J/mm2和14.10 J/mm2)下激光釬焊所得的單道釬焊表面形貌。當離焦量為3 mm時，單道熔高較小，單道后半段在基板上幾乎只留下激光掃描過的痕跡。原因是，此時的峰值功率密度和線能量密度均相對較大，在激光釬焊時混合粉末吸收了過多的熱量，易形成飛濺，留在熔道上的粉末材料非常少。當離焦量為4 mm時，峰值功率密度和線能量密度減小，粉末損失量少，留在熔道上的粉末材料增加。然而，熔道仍然呈現(xiàn)出明顯的斷續(xù)現(xiàn)象，單道上出現(xiàn)熔融球。當離焦量為5 mm時，單熔覆道成形相對比較連續(xù)，但熔覆道成形欠飽滿且單道后半段的熔高相對較低。原因是，隨著離焦量的增大，峰值功率密度不斷減小，因高峰值功率密度產(chǎn)生的熱沖擊作用而導致的粉末流失逐漸減小，熔覆道逐漸變得相對連續(xù)；但是由于線能量密度減小，能量輸入不足，熔化成形的粉末量不足，從而導致熔覆道欠飽滿。

2.1.2激光功率對單道釬焊成形的影響

圖2所示為離焦量5 mm、掃描速度30 mm/s、脈沖頻率200 kHz時，不同激光功率(激光功率P分別為70 W、80 W和90 W，所對應的峰值功率密度分別為1.36×106W/cm2、1.55×106W/cm2和1.74×106W/cm2，所對應的線能量密度分別為14.10 J/mm2、16.11 J/mm2和18.13 J/mm2)下激光釬焊所得的單熔覆道表面形貌。當激光功率為70 W和80 W時，熔覆道較連續(xù)，而當激光功率為90 W時，熔覆道偶爾出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象。原因是，當激光功率增大時，釬焊時的峰值功率密度和線能量密度也隨之增大。過高的峰值功率密度將導致釬焊過程的不穩(wěn)定，進而形成不連續(xù)熔道。此外，隨著功率的增大，可觀察到形成的熔覆道更加飽滿，原因是隨著線能量輸入的增加，熔合的粉末量增加，進而會形成更加飽滿的熔覆道。

圖2 不同激光功率下的單道形貌Fig.2 Single channel morphology under differentlaser power

2.1.3掃描速度對單道釬焊成形的影響

圖3所示為離焦量5 mm、激光功率70 W、脈沖頻率200 kHz時，激光釬焊所得單熔覆道表面形貌隨掃描速度的變化規(guī)律。掃描速度v分別為5 mm/s、10 mm/s和30 mm/s時，對應的峰值功率密度均為1.36×106W/cm2，對應的線能量密度分別為84.59 J/mm2、42.30 J/mm2和14.10 J/mm2。隨著掃描速度的增大，熔覆道形貌由不連續(xù)變?yōu)檫B續(xù)。原因是，當掃描速度(5 mm/s和10 mm/s)較低時，線能量密度過大，釬料熔池凝固速度慢，釬料熔液吸收了大量周邊的粉末，釬料熔液會在表面張力作用下形成熔融球。隨著掃描速度的增大，線能量密度減小，釬料熔液凝固速度增大，并逐漸形成連續(xù)的熔覆道。

圖3 不同掃描速度下的單道形貌Fig.3 Single channel morphology under differentscanning speed

2.1.4脈沖頻率對單道釬焊成形的影響

圖4所示為離焦量3 mm、激光功率70 W、掃描速度30 mm/s時，不同脈沖頻率(脈沖頻率f分別為100 kHz、200 kHz、600 kHz和900 kHz，此時的峰值功率密度分別為6.08×106W/cm2、3.04×106W/cm2、1.01×106W/cm2和6.76×105W/cm2，線能量密度固定為21.12 J/mm2)下激光釬焊所得的單道釬焊表面形貌。當脈沖頻率為100 kHz和200 kHz時，因峰值功率密度過大，加工過程中的熱沖擊作用導致粉末大量流失，釬焊道上基本只有激光掃描過的痕跡。隨著脈沖頻率逐漸增大到600 kHz和900 kHz時，峰值功率密度逐漸減小，熔覆道逐漸形成。

圖4 不同脈沖頻率下的單道形貌Fig.4 Single channel morphology under differentimpulse frequency

2.1.5線能量密度和峰值功率密度對單道成形質量的影響

圖5展示了線能量密度和峰值功率密度與成形質量的關系，圖中正方形、圓形和三角形分別代表單道成形形貌的好(熔道較連續(xù))、中(熔道存在斷續(xù)及不夠飽滿現(xiàn)象)和差(釬焊時飛濺現(xiàn)象嚴重，熔道上粉末較少，燒黑現(xiàn)象比較嚴重)。由圖5可知，線能量密度過大或太小均不易形成較好的熔覆道，峰值功率密度過大時同樣不能獲得連續(xù)熔覆道。綜合單道試驗結果，當線能量密度為14～25 J/mm2、峰值功率密度不大于1.8×106W/cm2時，有望獲得相對較好的單道釬焊熔道形貌。

圖5 單道熔道形貌統(tǒng)計圖Fig.5 Single channel morphology statistics

2.2 單層釬焊

2.2.1離焦量對單層釬焊成形的影響

圖6所示為離焦量10 mm、激光功率100 W、脈沖頻率600 kHz、掃描速度30 mm/s、掃描間距0.25 mm時，激光釬焊所得的單層釬焊表面形貌，此時的峰值功率密度為1.93×105W/cm2，線能量密度為11.0 J/mm2。圖6所示的釬焊層表面有許多未熔融的釬料粉末，釬焊層表面不光滑且出現(xiàn)局部凸起的熔融球，釬焊層表面高度差為444.2 μm，釬焊層表面的金剛石大多棱角清晰，無明顯損傷，但大多數(shù)金剛石主要聚集在局部凸起的熔融球表面。原因是當線能量密度較小時，金剛石在釬料熔液表面張力作用下聚集在熔液表面。圖7所示為離焦量5 mm、激光功率90 W、脈沖頻率200 kHz、掃描速度30 mm/s、掃描間距0.27 mm時，激光釬焊所得的單層釬焊表面形貌，此時的峰值功率密度為1.74×106W/cm2，線能量密度為18.13 J/mm2。圖7所示的釬焊層表面熔覆道排列清晰，熔覆道上出現(xiàn)凸起的熔融球，釬焊層表面高度差為531.0 μm；大多數(shù)金剛石分布在凸起的熔融球上，且金剛石出現(xiàn)腐蝕溝槽和凹坑等現(xiàn)象。圖8所示為離焦量3 mm、激光功率100 W、脈沖頻率600 kHz、掃描速度30 mm/s、掃描間距0.25 mm時，激光釬焊所得的單層釬焊表面形貌，此時的峰值功率密度為1.45×106W/cm2，線能量密度為30.17 J/mm2。圖8所示的釬焊層表面成形平整，道與道排列整齊，釬焊層表面高度差為143.1 μm；金剛石無聚集現(xiàn)象，但是釬焊層表面金剛石較少?？赡苁且驗殁F焊過程中線能量密度較高，加工過程中的材料氣化對金剛石有沖擊作用，導致金剛石出現(xiàn)逃逸，釬焊層表面的金剛石非常少，并且金剛石會出現(xiàn)嚴重的破碎損傷形態(tài)。

(a)超景深50倍視圖

(a)超景深50倍視圖

(a)超景深50倍視圖

對比圖6～圖8可知，隨著離焦量減小到3 mm，表面出現(xiàn)熔融球及金剛石聚集的情況較少，成形表面高度差較小，表面較平整。原因是隨著離焦量的減小，線能量密度增大，材料熔化更加充分，流動性更好，有利于釬料熔液鋪展成形。然而，由于能量密度增大，導致金剛石的損傷程度會逐漸加劇。

2.2.2激光功率對單層釬焊成形的影響

當離焦量為3 mm，脈沖頻率為900 kHz，掃描速度為30 mm/s，掃描間距為0.25 mm，激光功率分別為70 W、80 W、90 W和100 W(對應的峰值功率密度依次為6.76×105W/cm2、 7.72×105W/cm2、8.69×105W/cm2和9.66×105W/cm2，對應的線能量密度依次為21.12 J/mm2、 24.13 J/mm2、27.15 J/mm2和30.17 J/mm2)時，激光釬焊單層表面形貌結果分別如圖9～圖 12所示。由圖9可以看出，當激光功率為70 W時，釬焊表面高度差為104.2 μm，金剛石無明顯損傷、形態(tài)較完整。由圖10可以看出，當激光功率為80 W時，釬焊層表面高度差為145.7 μm，大部分金剛石比較完整，且金剛石分布較均勻。由圖11可以看出，當激光功率為90 W時，釬焊層表面高度差為72.5 μm，部分金剛石出現(xiàn)局部破碎的損傷現(xiàn)象。由圖12可以看出，當激光功率為100 W時，釬焊層表面高度差為128 μm，部分金剛石出現(xiàn)局部破碎的損傷現(xiàn)象。

(a)超景深50倍視圖

(a)超景深50倍視圖

(a)超景深50倍視圖

(a)超景深50倍視圖

對比圖9～圖 12可知，四種激光功率條件下得到的釬焊層表面高度差無明顯規(guī)律，均較為平整。隨著激光功率增大到90W 和100 W時，金剛石損傷明顯。原因是，較大激光功率對應的峰值功率密度和線能量密度較大，釬焊過程中金剛石受到的熱沖擊作用更大，金剛石損傷更嚴重。

2.2.3脈沖頻率對單層釬焊成形的影響

當離焦量為3 mm，激光功率為100 W，掃描速度為30 mm/s，掃描間距為0.25 mm，脈沖頻率分別為400 kHz、600 kHz和900 kHz(此時線能量密度均為30.17 J/mm2，而對應的峰值功率密度依次為2.17×106W/cm2、1.45×106W/cm2和9.66×105W/cm2)時，釬焊所得的單層釬焊表面形貌如圖13～圖15所示。由圖13可以看出，當脈沖頻率為400 kHz時，釬焊層表面高度差為170.9 μm，金剛石數(shù)量較少，金剛石出現(xiàn)整體破碎等嚴重損傷形態(tài)。由圖14可以看出，當脈沖頻率為600 kHz時，釬焊層表面高度差為143.1 μm，金剛石數(shù)量同樣較少且出現(xiàn)整體破裂及破碎等嚴重損傷形態(tài)。由圖15可以看出，當脈沖頻率為900 kHz時，釬焊層表面高度差為128 μm，部分金剛石出現(xiàn)局部破碎的損傷形態(tài)。

(a)超景深50倍視圖

(a)超景深50倍視圖

(a)超景深50倍視圖

對比圖13～圖15可知，隨著脈沖頻率的增大，釬焊層表面高度差越來越小，金剛石的損傷程度逐漸降低。原因是，隨著脈沖頻率的增大，峰值功率密度逐漸減小，降低了釬焊過程中的不穩(wěn)定性，并且脈沖頻率越高，脈沖能量的重疊越多，形成的熔池越連續(xù)，因此表面高度差越??；同時更低峰值功率密度時金剛石的損傷更小。

2.2.4掃描速度對單層釬焊成形的影響

當離焦量為3 mm，激光功率為80 W，脈沖頻率為500 kHz，掃描間距為0.2 mm，掃描速度分別為40 mm/s、45 mm/s和50 mm/s(此時峰值功率密度均為1.39×106W/cm2，而對應的線能量密度依次為18.10 J/mm2、16.09 J/mm2和14.48 J/mm2)時，釬焊所得的單層釬焊表面形貌如圖16～圖18所示。由圖16可以看出，當掃描速度為40 mm/s時，釬焊層表面高度差為54.6 μm，部分金剛石出現(xiàn)局部破碎的現(xiàn)象。由圖17可以看出，當掃描速度為45 mm/s時，釬焊層表面高度差為66.2 μm，部分金剛石也出現(xiàn)局部破碎的現(xiàn)象。由圖18可以看出，當掃描速度為50 mm/s時，釬焊層表面高度差為57.4 μm，部分金剛石出現(xiàn)表面腐蝕損傷形態(tài)。

(a)超景深50倍視圖

(a)超景深50倍視圖

(a)超景深50倍視圖

由上述結果(圖16～圖18)可知，隨著掃描速度的增大，釬焊層表面高度差的差異小于12 μm，且高度差均非常小，表明以上參數(shù)條件下獲得的釬焊層表面平整性較好。此外，隨著掃描速度的增大，金剛石損傷程度逐漸降低。原因是，隨著掃描速度的增大，線能量密度減小，金剛石的熱損傷降低。

2.2.5掃描間距對單層釬焊成形的影響

(a)超景深200倍視圖

當離焦量為3 mm，激光功率為80 W，脈沖頻率為500 kHz，掃描速度為50 mm/s，掃描間距分別為0.18 mm、0.20 mm和0.23 mm(此時峰值功率密度固定為1.39×106W/cm2，線能量密度固定為14.48 J/mm2)時，釬焊所得的單層釬焊表面形貌如圖19～圖21所示。隨著掃描間距的增大，金剛石的損傷形態(tài)無太大差異，均為局部輕微損傷，如邊角局部破碎、表面局部腐蝕損傷等，原因是三種掃描間距釬焊時的能量輸入大小無變化。當掃描間距分別為0.18 mm、0.20 mm和0.23 mm時，所對應的釬焊層表面高度差分別為87.4 μm、57.4 μm和70.3 μm，即釬焊層表面平整性先變好后變差。原因是，掃描間距減小時，熔覆道的重疊區(qū)域增大，已成形熔覆道的局部不平整會導致下一熔覆道在相近位置出現(xiàn)更加嚴重的局部金屬溶液堆積及金剛石的聚集現(xiàn)象，如圖19b所示，進而呈現(xiàn)出較大的表面高度差。當掃描間距大于熔覆道寬度時，熔覆道之間形成溝壑，導致整個釬焊層表面高度差變大。

(a)超景深200倍視圖

(a)超景深200倍視圖

2.2.6線能量密度、峰值功率密度和掃描間距對單層平整性和金剛石形態(tài)的影響

圖22展示了單層釬焊時線能量密度、峰值功率密度、掃描間距與表面高度差的關系，圖中正方形、圓形和三角形分別代表單層表面平整性的好(表面高度差在100 μm以下)、中(表面高度差在100～150 μm之間)和差(表面高度差在150 μm以上)，其中黑色的正方形、圓形和三角形圖例分別代表對應彩色圖形圖例在三個坐標軸上的投影。結合圖22和試驗數(shù)據(jù)可知，當線能量密度在14～25 J/mm2、峰值功率密度在5×105～1.5×106W/cm2、掃描間距為0.18～0.23 mm時，單層釬焊表面平整性較好。當線能量密度和峰值功率密度相對較小時，釬焊層表面融化不充分，易形成熔融球；當線能量密度和峰值功率密度相對較大時，熔池流動不穩(wěn)定，易形成局部突起。

圖22 單層表面平整性統(tǒng)計圖Fig.22 Single layer surface smoothness statistical diagram

圖23展示了單層釬焊中線能量密度、峰值功率密度、掃描間距與金剛石形態(tài)的關系，其中正方形、圓形和三角形分別代表金剛石形態(tài)的好(多數(shù)金剛石的損傷較小或基本無損傷且金剛石分布均勻)、中(金剛石出現(xiàn)局部邊角破碎、表面腐蝕損傷等且金剛石無大量聚集)和差(金剛石出現(xiàn)整體破裂、破碎等嚴重損傷形態(tài)或者金剛石大量聚集)。結合圖23和試驗結果可知，線能量密度太小時易形成金剛石聚集現(xiàn)象，而線能量密度和峰值功率密度過大時易產(chǎn)生嚴重的金剛石熱損傷形態(tài)，掃描間距對金剛石形態(tài)的影響較小。分析結果表明，線能量密度在14～25 J/mm2、峰值功率密度在5×105～1.5×106W/cm2時，可得到較好的金剛石形態(tài)。以上參數(shù)范圍同樣也是平整性較好的參數(shù)范圍。然而比較可知，平整性較好的參數(shù)條件下不一定能得到較好的金剛石形態(tài)特征，需要在以上參數(shù)范圍內進一步選擇適當參數(shù)，以同時獲得較好的平整性和金剛石形態(tài)特征。

圖23 單層金剛石統(tǒng)計圖Fig.23 Single diamond statistics diagram

2.3 多層釬焊

根據(jù)前述單層釬焊試驗總結的參數(shù)選擇范圍，選擇了兩組參數(shù)進行激光逐層釬焊，實現(xiàn)了多層釬焊成形。圖24所示為離焦量3 mm、激光功率80 W、脈沖頻率500 kHz、掃描速度45 mm/s、掃描間距0.18 mm時釬焊所得的多層釬焊表面形貌，此時的峰值功率密度為1.39×106W/cm2，線能量密度為16.09 J/mm2。圖25所示為離焦量3 mm、激光功率85 W、脈沖頻率600 kHz、掃描速度40 mm/s、掃描間距0.20 mm時釬焊所得的多層釬焊表面形貌，此時的峰值功率密度為1.23×106W/cm2，線能量密度為19.23 J/mm2。圖24b和圖25b所示多層釬焊層的表面成形較好，表面較為平整，金剛石分布均勻，金剛石多數(shù)保持完整的形態(tài)，但也存在輕微損傷形態(tài)。與現(xiàn)有文獻研究結果[12]相比，脈沖激光釬焊金剛石-鎳鉻合金時，表面平整性更好，金剛石磨粒分布更加均勻，表面裂紋數(shù)量大幅減少。

圖26為圖25對應的多層釬焊截面視圖及內部磨粒形態(tài)圖。圖26a中上部分為金相鑲嵌粉，中間部分為多層釬焊層，下部分為45號鋼。多層釬焊層截面圖中裂紋較少，釬焊層與基板間形成了穿插式的融合。這種穿插式熔深為激光釬焊過程中的深熔加工模式形成的結果。圖26b所示為穿插式融合部位，深熔區(qū)域深入鋼基體，相鄰穿插融合區(qū)的間距為200 μm，約等于釬焊過程掃描間距。這種穿插式連接形式有利于增加釬焊層與基體的整體結合強度。多層釬焊層截面圖中除了觀察到內部磨粒，還存在磨粒脫離留下的孔位以及截面本身具有的孔洞。進一步觀察內部磨粒發(fā)現(xiàn)，部分磨粒與釬料間形成了無間隙連接，部分磨粒與釬料間存在間隙，如圖26c所示。不論哪種磨粒，均觀察到在打磨制樣過程中留下的劃痕。這表明在打磨制樣時金剛石磨粒經(jīng)過了正常磨損，然而磨粒的磨削能力還有待后期做進一步研究。

(a)超景深50倍視圖

(a)截面100倍視圖

圖27a和圖27b是圖25對應的多層釬焊件進行抗彎曲試驗后的截面圖，可以看出，釬焊層在彎曲試驗中受拉應力產(chǎn)生大量裂紋，但裂紋方向基本垂直于釬焊層與基體的結合界面。由于釬焊層與金屬基體在彎曲過程中承受的拉應力不同且材料的彈性模量不同，釬焊層與基體之間存在平行于結合界面的剪切應力。然而，試驗結果表明，釬焊層與基體的結合處沒有產(chǎn)生滑移和剝離現(xiàn)象，表明釬焊層與基體間的結合強度較大。圖27c為抗彎曲試驗對應的力學性能曲線圖?？箯潖姸鹊挠嬎愎綖椋害?3FH/(2bh2)，其中δ為抗彎強度，F(xiàn)為彎曲負荷，H為跨距長度，b為試塊寬度，h為試塊厚度。由曲線數(shù)據(jù)計算可得，試樣的最大抗彎強度為1013.4 MPa。圖27c中,當抗彎曲線出現(xiàn)第一個拐點(箭頭所指)時，表明釬焊層開始出現(xiàn)裂紋，此時的強度為404.1 MPa。由此可知，釬焊層自身同樣具有較高的抗彎強度。

(a)截面低倍視圖

3 結論

(1)脈沖激光釬焊成形過程中，工藝參數(shù)的變化主要通過改變峰值功率密度和線能量密度來影響熔覆道成形和金剛石損傷形態(tài)。在單道成形時，線能量密度過大時易形成熔融球及不連續(xù)熔覆道；線能量太小時不能熔化更多的粉末材料，熔覆道欠飽滿；峰值功率密度過大時粉末材料流失嚴重且熔覆成形過程不穩(wěn)定，不能形成較好的熔覆道。

(2)在單層成形過程中，當峰值功率密度和線能量密度較小時，釬焊層易出現(xiàn)熔融球和磨粒聚集現(xiàn)象；當峰值功率密度和線能量密度較大時，金剛石會出現(xiàn)嚴重損傷和逃逸；掃描間距對平整性的影響相對較大，而對金剛石的損傷形態(tài)的影響較小。基于單道和單層試驗總結得出，能同時實現(xiàn)平整性良好和金剛石形態(tài)良好的線能量密度為14～25 J/mm2、峰值功率密度為5×105～1.5×106W/cm2。

(3)在上述參數(shù)范圍內選擇工藝參數(shù)實現(xiàn)了多層結構的激光逐層釬焊試驗，得到了表面成形較好、金剛石形態(tài)較好的結果。多層釬焊層與基體間形成穿插式的融合形式，有利于提高釬焊層與基體的整體結合強度。由抗彎曲試驗結果可知，釬焊層與基體之間未出現(xiàn)剝離現(xiàn)象，表明兩者結合強度較高，且釬焊層自身也具有較好的抗彎強度。多層結構內部磨粒在打磨制樣過程中經(jīng)過了正常磨損。然而磨粒的磨削能力還有待后期做進一步研究。