隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，許多工業(yè)技術(shù)上對(duì)材料特殊要求，應(yīng)用冶鑄方法制造的材料已不能滿足需要，所以采用粉末冶金方法制取一部分現(xiàn)代工業(yè)上應(yīng)用的材料尤為必要。

　　由于粉末冶金材料具有特殊的性能和制造優(yōu)點(diǎn)，在某些領(lǐng)域如汽車、飛機(jī)、工具刃具制造業(yè)中正在取代傳統(tǒng)的冶鑄材料，隨著粉末冶金材料的日益發(fā)展，它與其它零件的連接問(wèn)題顯得日益突出，釬焊和凸焊一直是粉末冶金材料連接最常用的方法，但由于結(jié)合強(qiáng)度低，熱影響區(qū)寬，特別不能適合高溫及強(qiáng)度要求高的場(chǎng)合，使粉末冶金材料的應(yīng)用受到限制。

　　在八十年代初期，激光焊以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金材料加工領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的焊接方法相比，激光焊具有以下特點(diǎn):深寬比大，焊縫窄，焊縫結(jié)合強(qiáng)度高;熱影響區(qū)小，對(duì)周圍組織無(wú)影響，焊接變形小;可以實(shí)現(xiàn)焊接過(guò)程自動(dòng)化，生產(chǎn)效率高。因而在粉末冶金材料加工領(lǐng)域發(fā)展較快，典型應(yīng)用是在金剛石工具制造中。在八十年代初，Mosca就發(fā)現(xiàn)CO2激光能很成功的焊接某些P/M材料，當(dāng)條件選擇得當(dāng)時(shí)，焊縫結(jié)合強(qiáng)度較高，熱影響區(qū)很窄，還發(fā)現(xiàn)激光焊接的結(jié)果對(duì)燒結(jié)條件很敏感:吸熱型氣體不適合作激光焊接材料的燒結(jié)氣氛;在氫氣、分解氨和真空中燒結(jié)的材料都能成功地應(yīng)用于激光焊接中[2]。英國(guó)的Nimbus金剛石工具公司于1985年底引進(jìn)激光焊接技術(shù)，到目前為止，該公司已投資25萬(wàn)英磅用于開(kāi)展這種高新技術(shù)方法焊接金剛石扇形塊。在德國(guó)，Dr.FritschSondermaschinenGmbh公司已研究出新的全自動(dòng)激光焊接方法，用于焊接金剛石鉆頭和鋸片，大大地提高了焊接強(qiáng)度。此外，意大利、日本、比利時(shí)也有這方面的報(bào)道[3][4][5]。

　　近年來(lái)，我國(guó)從事這方面的研究工作的單位逐漸增多，如華中理工大學(xué)激光加工國(guó)家工程研究中心就成功地將激光焊接技術(shù)應(yīng)用于金剛石鋸片和鉆頭的生產(chǎn)中，改變了傳統(tǒng)的燒結(jié)和釬焊工藝，使連接部位的強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度大大提高[7]　。

　　激光焊接工藝特點(diǎn)

　　1　影響焊接質(zhì)量的主要因素

　　1.1　材料成份合金元素的含量、種類對(duì)焊縫強(qiáng)度、韌性、硬度等力學(xué)性能影響很大。燒結(jié)低碳鋼、燒結(jié)Ni和Cu合金、Co合金在一定條件下，均能成功地進(jìn)行激光焊接。燒結(jié)中碳鋼采取焊前預(yù)熱和焊后緩冷的措施也可保證焊接質(zhì)量，降低裂紋敏感性，圖1表示了中碳鋼預(yù)熱和不預(yù)熱條件下焊縫區(qū)的顯微硬度分布，預(yù)熱時(shí)硬度降低，接頭韌性增加，因?yàn)榻M織由貝氏體和少量的珠光體代替了針狀馬氏體。

　　1.2　燒結(jié)條件在氫氣、分解氨和真空中燒結(jié)的材料均能成功的進(jìn)行激光焊接，在干凈的還原性氣氛中燒結(jié)的材料焊后出現(xiàn)的氣孔、孔洞、夾雜和氧化物較小;此外，合適的燒結(jié)溫度、保溫時(shí)間、壓力及溫度-壓力曲線也是焊接成功的重要保證。

　　1.3　孔隙孔隙的數(shù)量、形態(tài)和分布影響材料的物理性能如熱傳導(dǎo)率、熱膨脹率和淬硬性等，這些物理性能直接影響材料可焊性[1]，使焊接較同成份的冶鑄材料相比難度加大。對(duì)于激光焊接零件來(lái)講，大量的孔隙會(huì)使焊接強(qiáng)度降低甚至焊接過(guò)程無(wú)法進(jìn)行。

　　1.4　密度致密而力學(xué)性能好的試樣較疏松而力學(xué)性能差的試樣在相同的條件下有更好的焊接性。低于一定的密度(<6.5g/cm3)的材料幾乎不能采用熔化焊的方法進(jìn)行焊接，因?yàn)榈偷膹?qiáng)度和扭轉(zhuǎn)強(qiáng)度不允許材料吸收能量;中等密度(<6.9g/cm3)的材料可以進(jìn)行熔化焊，但以熔化少量體積的焊接方法如電阻凸焊、摩擦焊為好，焊接成功率較高;高密度(>7.0g/cm3)的燒結(jié)材料與冶鑄材料幾乎有同樣的焊接性。密度不僅對(duì)焊接強(qiáng)度而且對(duì)焊接缺陷特別是氣孔影響很大，低于一定密度的燒結(jié)材料焊后強(qiáng)度低，氣孔多。密度低的材料焊后將有一個(gè)大缺口，密度越低，缺口越深，缺口將影響疲勞強(qiáng)度;此外密度對(duì)焊接熔深也有影響，在激光功率和焊接速度一定時(shí)，密度越大，熔深越淺。圖2是激光功率與焊接速度一定時(shí)，密度對(duì)焊縫收縮性及對(duì)熔深的影響，(a)表示了密度對(duì)熔深的影響，(b)表示了密度對(duì)焊縫收縮性的影響。

　　1.5　焊前準(zhǔn)備工作由于激光光斑很小，所以對(duì)間隙配合精度要求較高，對(duì)接時(shí)一般要求間隙在0.1mm以下，此外為減少氣孔等焊接缺陷，焊接部位必須去除氧化皮、油污并進(jìn)行干燥。圖2(b)　密度對(duì)熔焊縫收縮性的影響
2　主要焊接工藝參數(shù)影響

　　焊接質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有:激光功率、焊接速度、透鏡焦距、聚焦位置、保護(hù)氣體等。激光功率和焊接速度是影響焊接質(zhì)量的最主要參數(shù)，焊接厚度取決于激光功率，約為功率(kW)的0.7次方，通常功率增大，焊接深度增加;速度增加，熔深變淺，焊縫和熱影響區(qū)變窄，生產(chǎn)率增高。過(guò)大的焊接速度與焊接功率將增大氣孔和孔洞傾向。表1是幾種材料焊接功率與速度參考值(材料厚度3mm)。

　　真空3.52 0C10中碳鋼(0.10%C)7.85還原氣氛7 05.5NC100海綿鐵粉6.51還原氣氛5.54 0ASC100霧化鐵粉7.02還原氣氛6 04 0ASCCu Ni0.4%Cu5.6%Ni合金鐵粉7.08還原氣氛5.54 0

　　透鏡焦距由輸出激光的光斑直徑?jīng)Q定，兩者之間存在一最佳匹配值。一般說(shuō)來(lái)，所須焊接的深度越深，透鏡焦距越長(zhǎng)，短焦距透鏡對(duì)聚焦的要求較高，而且粉末冶金材料焊接時(shí)飛濺較大，透鏡污染嚴(yán)重;太長(zhǎng)焦距的透鏡由于衍射使焦點(diǎn)變大，焦點(diǎn)處的能量密度不能達(dá)到最大值。國(guó)內(nèi)一般采用透鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)只能用于激光功率較小的場(chǎng)合，較高的激光功率將引起透鏡焦點(diǎn)漂移，使焊縫的成形和質(zhì)量較差。國(guó)外較高功率場(chǎng)合大都采用反射鏡聚焦光學(xué)系統(tǒng)，由于冷卻條件好，熱穩(wěn)定性好，焊縫成形均勻美觀，焊接質(zhì)量可靠。激光焦點(diǎn)在工件下方的特殊位置能得到最大的焊接深度，即約為板厚的1/3處;水平的焦點(diǎn)位置根據(jù)情況而定，對(duì)金剛石圓鋸片而言，應(yīng)選取靠基體側(cè)，偏移量約0.1～0.2mm的位置上，圖3為不同偏移量下的熔合深度。圖4為金剛石圓鋸片激光焊接的激光與工件的作用位置。保護(hù)氣體的作用是保護(hù)聚焦透鏡，防止焊縫氧化，采用惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，氦氣最好。在我國(guó)，由于He價(jià)格昂貴，一般采用氬氣，氣體流量應(yīng)控制好，如果太小，不起作用;如果太大，既浪費(fèi)氣體，又使焊接熔池翻滾，焊縫表面出現(xiàn)一波一波的凸起。

　　焊接質(zhì)量檢測(cè)及分析

　　1　焊接質(zhì)量檢測(cè)

　　1.1　外觀檢測(cè)觀察焊縫表面是否有孔洞、裂紋、咬邊、未焊透等明顯缺陷。

　　1.2　無(wú)損檢測(cè)無(wú)損檢測(cè)的方法有:滲透探傷法;磁粉探傷法;射線探傷法;超聲波探傷法等，應(yīng)根據(jù)需要進(jìn)行選擇。

　　1.3　力學(xué)性能檢測(cè)根據(jù)零件的工作狀態(tài)分別進(jìn)行拉伸、彎曲、硬度、沖擊等試驗(yàn)，如果斷裂在焊縫，說(shuō)明焊接強(qiáng)度低于母材。

　　1.4　微觀檢測(cè)采取金相分析焊縫的成形、微觀組織、焊縫缺陷，測(cè)試焊接區(qū)的顯微硬度分布，用掃描電鏡分析焊接區(qū)成份的變化等。

　　1.5　特殊性能檢測(cè)對(duì)工作于特殊工作環(huán)境下的零件，還需進(jìn)行耐腐蝕、疲勞等特殊性能測(cè)試。以上5種方法中，前兩種主要用于焊接生產(chǎn)線上，后三種主要用于試驗(yàn)研究及抽樣調(diào)查中。

　　2　缺陷分析

　　2.1　氣孔和孔洞與冶鑄材料相比，粉末冶金材料的激光焊接中。最明顯的缺陷是氣孔和孔洞。氣孔和孔洞不僅影響外觀質(zhì)量，更嚴(yán)重地削弱了焊縫有效承載面積，產(chǎn)生應(yīng)力集中，降低了接頭強(qiáng)度。常見(jiàn)的氣孔形狀有線形、圓形、蜂窩形、條蟲(chóng)形等。燒結(jié)材料內(nèi)部的孔隙吸附了大量的氣體，在快速焊接中，來(lái)不及逸出而留在焊縫中。而孔洞則主要是由于燒結(jié)氣氛不干凈，不能去除氧到足夠程度，氧化物等其它雜質(zhì)吸收激光能量比母材多，過(guò)熱所致。Mn、Si、Ti、Al等與氧親和力強(qiáng)的合金元素在焊接過(guò)程中能有效地去除氧，減少氣孔和孔洞傾向;優(yōu)化燒結(jié)工藝，提高工件致密性，減少材料內(nèi)部孔隙，從而減少吸附氣體也是減少氣孔的有效途徑;改善燒結(jié)條件，如采用真空或在還原氣氛中燒結(jié)，也有助于減少氣孔和孔洞;此外，降低焊縫區(qū)低熔點(diǎn)材料的含量和做 好焊前清理工作也是有益的。

　　2.2　裂紋主要有冷裂紋、熱裂紋，金剛石工具中還易產(chǎn)生層間裂紋。冷裂紋主要產(chǎn)生于含碳量較高和合金成份較多的材料中，這類材料焊后產(chǎn)生脆性馬氏體，產(chǎn)生高的內(nèi)應(yīng)力從而引起裂紋。解決這類裂紋的辦法是焊前預(yù)熱、焊后緩冷，或者采用小規(guī)范的焊接參數(shù)。金剛石工具激光焊中的層間裂紋的產(chǎn)生主要是因?yàn)榻饎偸瘜雍瓦^(guò)渡層材料線膨脹系數(shù)相差較大，在焊接熱循環(huán)作用下，產(chǎn)生大的內(nèi)應(yīng)力從而產(chǎn)生剪切，或者是材料中含有的低熔點(diǎn)物質(zhì)較多且偏析于層間，在焊接熱應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋。解決熱裂紋的辦法一是根據(jù)裂紋的性質(zhì)合理地改善材料的合金系統(tǒng)，如添加一定的Mn、Mo、W、Cr都能有效地防止裂紋，利用變質(zhì)劑細(xì)化焊縫一次結(jié)晶組織，對(duì)于防止焊縫結(jié)晶裂紋也有一定的效果;二是限制有害雜質(zhì)S、P的含量，含Ni量越高的合金，越要注意限制，這是因?yàn)镹i與S能形成熔點(diǎn)更低的硫化物及其共晶體。

　  2.3　強(qiáng)度過(guò)低成份、燒結(jié)條件和后熱處理都能影響接頭強(qiáng)度。除去材料因素外，過(guò)多的氣孔和孔洞是造成接頭強(qiáng)度低的重要原因，其次材料的密度太低也使焊縫疏松，強(qiáng)度較低。
發(fā)展前景和存在的問(wèn)題

　　激光焊接技術(shù)以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)進(jìn)入粉末冶金材料加工領(lǐng)域，為粉末冶金材料的應(yīng)用開(kāi)辟了新的前景，如應(yīng)用于金剛石圓鋸片和金剛石鉆頭中，使得結(jié)合強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度大大提高，使產(chǎn)品可用于干切或通水條件不好的場(chǎng)合，自動(dòng)化的生產(chǎn)使得生產(chǎn)率提高，成本下降，增強(qiáng)了產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力;焊接時(shí)不加填充料，保證了焊縫金屬的連續(xù)和一致，這對(duì)磁體組件來(lái)說(shuō)是非常重要的。但是，激光焊接技術(shù)目前在粉末冶金材料領(lǐng)域的研究和應(yīng)用還十分有限，主要是因?yàn)榉勰┮苯鸩牧虾附訒r(shí)難以避免氣孔及孔洞的出現(xiàn)，從而使焊縫外觀、焊接質(zhì)量受到影響;焊接工藝及材料的選取也比一般的冶鑄材料難度大;此外焊縫強(qiáng)度雖然比釬焊和凸焊高，但對(duì)工裝夾具、配合精度及焊前準(zhǔn)備工作要求較高，加之一次性投資大，所以應(yīng)用受到限制。降低激光器的價(jià)格和運(yùn)行成本，更多的進(jìn)行粉末冶金材料的激光焊接工藝、材料及其焊接行為等基礎(chǔ)研究，是推廣激光技術(shù)在粉末冶金材料加工中應(yīng)用的重要前提。