镁合金激光加工技术

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镁的密度是1.78×103kg/m3，为铝的2/3，钢的1/4。镁合金具有高的比强度、比刚度、导热性、可切削加工性和可回收性，被称为21世纪的“绿色”工程材料。近年来，镁合金材料在各种机壳、“陆海空”交通运载工具、国防工业等方面获得了广泛的应用，随着镁的提炼及深加工技术的发展，镁合金材料已成为继钢铁和铝之后的第三大类金属材料，在全球范围内得到快速发展。
. w3 J, p! j' |2 G; T本文在综述国内外镁合金激光切割、激光焊接、激光表面改性等技术的基础上，对镁合金的激光加工技术进行了研究。
1 激光与镁台金材料的作用机理
* }6 m" F+ u# U- h) H镁合金材料的激光加工是基于光热效应的热加工，前提是激光被镁合金材料吸收并转化为热能。从原子结构理论分析，激光对金属材料的作用是高频电磁场对物质中自由电子的作用，材料中的自由电子在激光诱导作用下发生高频振动，通过韧致辐射，部分振动能量转变为电磁波向外辐射，其余转化为电子的平均动能，再通过电子与晶格之间的驰豫过程转变为热能。
不同材料对于不同波长的激光的吸收有很大的差别，吸收率AN，表示为：
1 O, R& x; l9 G2 ]4 H. q 其中：c0为光速，c0=3×108m/s为入射激光的波长；为金属材料的导电率。从式（1）可以看出，被加工材料一定时，激光的波长越短，材料对激光的吸收越多。金属中的大量自由电子由于集肤效应的作用，阻碍激光能量深入材料内部，使之大部分被反射掉，所以一般材料对CO2气体激光（λ=10.6μm）的吸收比对YAG固体激光（λ=1.06μm）的吸收低。当激光波长为一恒定值时，材料对该激光束吸收率的大小取决于材料的导电率，导电率越大，材料对激光的吸收越少。所以，镁合金材料对激光的吸收比一般金属材料对激光的吸收要低．这是对镁合金材料进行激光加工的难点之一。
5 N) }+ [# i) d4 f: `7 g* ?) O  B２镁合金的激光切割技术
切割是镁合金材料深加工的首要环节，良好的切割质量是材料深加工的保证。与传统切割方法相比，激光切割具有更高的切割精度、更低的粗糙度和更高的生产效率。目前，国内外对镁合金激光切割的研究尚属鲜见。
! W4 L; R7 g. o/ O我们利用500W固体脉冲Nd：YAG激光对4mm厚AZ31B镁合金板材进行了切割工艺研究。激光切缝窄细，上缝宽0.45mm、中缝宽0.22mm、下缝宽0.35mm，切缝垂直度为0.05mm，切面波纹小且分布规露。热影响区不明显，切缝的整体宽度约为空气等离子弧切割的1/4。但是，切缝的下表面有轻微的氧化现象，切面有80μm厚的组织形貌为等轴晶的重熔层。工艺研究得出的结论是:切缝宽度随着放电电压、脉冲宽度、脉冲频率的增大而增大，切割速度与辅助气体对切缝宽度的影响不大。图1为AZ31B镁合金激光切割宏观形貌和微观组织照片。

图1 AZ31B镁合金激光切割宏观形貌及微观组织3 镁合金的激光焊接技术
镁合金的焊接性能不好，是制约镁合金应用的技术瓶预之一。相比传统焊接方法，激光焊接具有焊接速度快、热输人低、焊接变形小的特点。镁合金激光焊接技术的研究处于起步阶段，国内外对镁合金的激光焊接研究主要集中在镁合金的连续CO2激光焊接和固体脉冲YAG激光焊接两个领域。
! z: {, K0 |3 K德国的R.S.Coe1h。等Coelho用2.2kW的Nd:YAG激光器焊接了2mm厚的AZ31B镁合金。得到了表面成形好、气孔少、HAZ区小且无品粒明显长大的焊缝。加拿大的H.Al-Kazzaz等用4kW的Nd:YAG激光器成功焊接了2mm-6mm厚的ZE41A。焊接过程中激光功率过高或过低都会导致加工表面功率密度降低，问时焊接形式从小孔聚焦转变为部分聚焦，最后为热传导模式。
! Z. Q2 u' M/ u7 e5 c* }( t激光复合热源焊接作为新型焊接技术日益受到关注，宋刚等用400W固体脉冲YAG激光加旁轴式TIG作为焊接复合热源，首次成功焊接2.5mm厚AZ31B镁合金板材，复合焊接的熔深可达TIG单独焊接的2倍、激光单独焊接的4倍，且焊缝与母材抗拉强度（240MPa）相当。为了提高镁合金材料在焊接过程中对激光的吸收率，孙昊等用500W固体脉冲YAG激光器研究了活性剂对镁合金激光焊接过程的影响，氧化物和氯化物能够增加镁合金激光焊接的熔深和深宽比，原因是活性剂微细粉末在激光作用初期增加了对激光能量的吸收。
" n+ f8 y) m% u# V, c- `0 i( v我们已经进行了镁合金薄板的激光焊接和激光复合焊接，目前正在研究中厚板的激光焊接，为工程实践提供理论支持。
" `7 j0 l/ v. V7 J$ ~$ F, ~4 镁合金的激光表面改性技术
随着激光表面改性技术的不断完善，镁合金激光表面处理在镁合金表面耐蚀性、耐磨性等方面的应用越来越受到国内外研究者的重视。激光表面改性技术分为激光表而重熔、激光表面合金化及激光表面熔覆等。
1 B1 ]5 D1 ?+ ^0 ?" j+ T+ c) P4.1 激光表面重熔
镁合金激光表面重熔使材料表面组织晶粒细化、显微偏析减少、生成非平衡相，进而引起表面强化，使合金表面耐磨性增加。
$ b% }2 X: I6 e* i: n/ }巴基斯坦的Ghazanfar Abbas等利用1.5kW的半导体激光器对AZ31和AZ61镁合金进行表面熔凝处理，AZ31的硬度由基体的65HV提高到熔凝层的120HV, AZ61的硬度由基体的70HV提高到熔凝层的140HV，且磨损量都降低了一半，提高了其耐磨性。
% ~1 D6 v6 M! @5 g' ?8 ^高亚丽等用800W的CO2激光器对AZ91HP镁合金进行了激光表面熔凝处理。与原始镁合金相比，熔凝层的硬度约提高90%左右，耐磨性提高78%，耐蚀性显著提高。这是枝晶细化和熔凝层中相对较多的共同作用。我们用5kW横流CO2激光器研究了AZ31B的激光熔凝技术，微观组织见图2，可以看出，熔凝区晶粒比母材明显小很多。
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图2 AZ31B镁合金激光熔凝微观组织4.2 激光表面合金化
国内外在镁合金表面采用合金化处理的研究较少，主要的研究是利用注人硬质颗粒来提高合金化层的耐磨性。印度的Majurndar J D等利用l0kW连续CO2激光器对MEZ采用Al+Mn，SiC和Al+Al2O3合金粉末进行表面合金化处理，硬度由基体的35HV提高到合金化层的270HV，由于硬质相SiC的存在，同时耐磨性得到了提高。
陈长军等使用5kW的CO2激光器对表面上预置了Al-Y粉末的ZM5进行了合金化处理，涂层硬度可达到250HV-325HV，而基材的硬度仅为80HV-l00HV。同基材相比，激光处理后的涂层耐蚀性得到显著提高。
; W( H- M) `0 ]4.3 激光表面熔覆
$ }' e% T  u6 |2 G: X. v$ I1 E5 K% f与激光熔凝、激光合金化相比，国内外对于镁合金激光熔覆研究相对较活跃，镁合金激光熔覆主要围绕提高镁合金的耐磨和耐蚀性进行。
德国Maiwald T等用Al+Cu，Al+Si和AlSi30合金粉末对AZ91E和NEZ210进行激光熔覆，Al+Si熔覆层的耐蚀性好于Al+Cu熔覆层，AlSi30熔覆层的耐蚀性最好。德国Bakkar A在碳纤维强化的AS41表面上激光熔覆Al-S，粉末，得到了与基休有良好交界区的熔覆层，且熔覆层的耐蚀性提高了。
* e; R7 _& f6 n3 k黄开金等采用3.5kW激光器在AZ9ID表面有效地熔覆了非晶复合粉末Zr-Cu-Ni-Al/TiC，在非晶和金属间化合物的作用下，熔覆层的硬度由基材的100HV0.1提高到850HV0.1左右，硬度提高了7倍左右，加人TiC后，硬度更是提高了9倍左右，同时熔覆层的耐磨性较基材提高了16倍。
通过表面改性来改善镁合金结构服役性能是一个重要的手段，将会成为镁合金研究的重要方向之一，但这方面的工作，还远远做得不够，可供实际借鉴的研究更是屈指可数。
* W: p$ H% A9 J; ]: m$ \+ K( D* d5 镁合金激光加工的进一步研究
镁合金材料已经引起了世界各国研究与开发的兴趣，但是70%左右的镁合金材料主要以铸件或压铸件的形式被应用，只有10%左右用压力加工方法加工成厚板、薄板、棒材和型材、锻件和模锻件等，因此，开发镁合金的深加工是必然趋势。
文章关键词： 镁合金 激光加工 材料