激光加熱連接金剛石/鋁基的工藝研究

王穎達,蘇艷芳,張大將,黃國欽

(華僑大學制造工程研究院,廈門 361021)

激光加熱連接金剛石/鋁基的工藝研究

王穎達,蘇艷芳,張大將,黃國欽

(華僑大學制造工程研究院,廈門 361021)

在氬氣保護條件下，用Ag-Cu-Ti釬料在4032、6061和7075三種鋁合金基體上對金剛石進行激光釬焊，同時比較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驗。文章利用光纖激光器，用超景深顯微鏡對焊后金剛石形貌進行觀察分析。研究表明：在化學法去除氧化膜后的7075鋁合金基體上激光釬焊金剛石的效果最好，實現了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玻璃、結構和功能陶瓷、寶石之類產品的加工[1]。作為高速磨削加工的砂輪，必須滿足：①磨粒把持力高,粘結強度高；②砂輪質量輕，對主軸負荷的影響小。釬焊金剛石高速砂輪以活性釬料(如鎳基釬料)與金剛石間的化學冶金結合，具有很高的磨粒把持強度[2]，但現有釬焊高速砂輪主要采用鋼基體，其密度大，對主軸的負荷大，且動平衡困難。鋁合金密度輕，比強度和比模量高，作為高速砂輪基體優勢明顯。但鋁基材料熔點較低，且整體加熱時易變形，現有的方法如高頻加熱、爐中加熱均不適合。激光釬焊技術具有光斑直徑小，能量密度高，可以局部加熱且熱影響區小的優勢，從已有的研究結果[3-10]來看，采用激光加熱可以實現金剛石在鋼基體上釬焊。據此，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實驗數據，主要研究內容包括鋁基材料選擇、加熱參數和表面處理等。

2 激光釬焊的原理及工藝參數選擇

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，當激光以一定的速率和功率照射到釬料層時，接收照射的表面材料吸收的光能向熱能轉換，這種轉換是瞬間發生的，此時熱能僅僅局限于粉末材料的激光照射區；然后，主要通過熱傳導和輻射的方式，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，達到粉末熔點后，形成熔池，如圖1、圖2所示。光斑移開后，熔池因熱傳導而冷卻凝固，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 激光釬焊過程中激光能量傳遞Fig.2 The laser energy transfer in laser brazing process

2.2 工藝參數的選擇

激光釬焊金剛石的工藝參數復雜，可分為激光器方面和非激光器方面。非激光器方面，主要是釬料與粘結劑的配比、釬料層的厚度、保護氣體、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間共同決定了工件表面某點吸收能量的多少。激光功率、掃描速度與釬焊層性能密切相關，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間內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。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，釬料會過度熔化，甚至在基體表面形成熔池。對一定激光功率和一定厚度的釬料層都有一個合適的掃描速度范圍，參數合適可使釬料充分熔化而基體不熔化。通過離焦量可調整能量密度。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，因而對焊接熔深、焊接寬度和焊接橫截面形狀有較大影響。

3 實驗條件和方案

3.1 實驗條件

3.1.1 實驗設備

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

3.1.2 實驗材料

金剛石：選用ISD1600型優質高強度金剛石，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，主要參數如表1所列，加工成20mm×20mm×5mm的長方體試樣。釬料：Ag-Cu-Ti合金粉末。

3.2 實驗方案

3.2.1 用三種鋁合金基體激光釬焊的實驗

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中清洗20min ,清洗液為工業酒精。再將基體通過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。通過調整激光器的參數，比較不同鋁合金基體與金剛石、釬料的釬焊效果。

表1 常見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驗

選用7075鋁合金作為基體，通過三種不同的去除鋁合金表面氧化膜的方法，分別是機械打磨法、化學去除氧化膜法和活性劑去除氧化膜法。試樣1(機械打磨法)：將基體置于超聲清洗機中清洗20min后干燥。試樣2(化學去除法)：將基體通過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。通過對三種不同去除氧化膜后的鋁合金基體做激光釬焊實驗，比較哪種去除氧化膜的方法更有效。

4 實驗結果分析

4.1 不同鋁合金基體激光釬焊的實驗分析

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下，激光釬焊后的試樣形貌。

通過對比分析，在相同的工藝參數下，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，金剛石在釬焊過程中被推開，以及焊后脫落的現象。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，金剛石在釬焊的過程中沒有被推開，當激光功率增大到170W，如圖5第7焊道，鋁合金基體沒有發生變形。

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來分析，7075鋁合金在激光釬焊金剛石試驗中，表現出更優的釬焊性能。

4.1.2 焊后形貌分析

利用基恩思VHX-100三維視頻顯微鏡對釬焊后的試樣觀察分析,見圖6(釬焊工藝參數：激光功率150W，負焦量10mm，掃描速0.35mm/s)。a圖中有的金剛石在釬焊過程中被推開，并沒有在焊道上，且釬焊時，釬料鋪展不均勻，凝固時堆疊。(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，無裂紋，釬焊時并沒有被推開，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，負焦量13，掃描速0.35mm/s的釬焊結果。圖7a中，可看到在激光釬焊的過程中，熔化后鋪展不均勻，釬料層熔化后聚在一起，從而導致焊道上有釬料層沒有覆蓋的鋁合金表面，這是由于4032鋁合金釬焊效果差，同時金剛石在釬焊過程中被推開的緣故。圖(b)和圖(c)釬焊效果較好，但相同參數下圖(c)中金剛石晶型完整，釬料熔化并均勻地鋪展在基體表面，同時金剛石底部被釬料包埋，7075鋁合金基體表現出更好的釬焊效果。

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的數據表明，7075鋁合金相比4032和6061鋁合金，其抗拉強度、屈服強度更高，具有高于任何軟鋼材料的高比強度，具有鋼材無法替代的優勢，再加上其具有易于加工成型的特點，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驗分析

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。

通過對比分析，在相同的工藝參數下，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和釬料熔化鋪展是否均勻等方面比較，可以發現圖9用化學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。這是因為機械打磨法通常都會對鋁合金表面產生劃痕等物理損傷，而且去除氧化膜不徹底，導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有焊上去。

圖8 機械打磨法釬焊后形貌Fig.8 Morphology after brazed by mechanical grinding

圖9 化學去除法釬焊后形貌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，機械打磨不能較好的去除氧化膜。導致釬料無法與鋁合金基體表面發生化學冶金反應，焊道不完整。圖11(c)中，金剛石表面有石墨化、釬焊被推開、釬料層只有上部分熔化，導致出現凹坑。圖11(b)采用化學法去除鋁合金表面的氧化膜的效果好，相同的工藝參數下，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。因為化學法結合了機械打磨法和酸洗法，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

(1)本實驗采用三種不同的鋁合金4032、6061和7075，選用Ag-Cu-Ti粉末釬料，在未對基體預熱的情況下，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、較高的屈服強度和抗拉強度，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，通過三種不同的去除氧化膜的方法，機械打磨法、化學去去除法和活性劑去除法，改變工藝參數，通過試樣整體釬焊形貌和金剛石的三維形貌分析，化學法可以有效地去除鋁合金表面的氧化膜，且可以對基體修平，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

國家自然科學基金(51575198，51235004)，華僑大學研究生科研創新能力培育計劃資助項目(1511303021)

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

黃國欽， E-mail:smarthgq@hqu.edu.cn

王穎達,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