一種激光沉積-熔注同步復合連接方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種金屬基復合材料激光焊接新方法，屬于材料加工工程領域。
【背景技術】
[0002]金屬基復合材料(Metal Matrix Composites，簡稱MMCs)所具有的高比強度、比模量、良好的導熱、導電性、耐磨性、高溫性能、低的熱膨脹系數、高的尺寸穩定性等優異的綜合性能，使金屬基復合材料在航天、航空、電子、汽車以及先進武器系統中均具有廣泛的應用前景。相對于純金屬材料，由于金屬基復合材料制作工藝復雜、成本昂貴，這在一定程度上限制了金屬基復合材料的應用。金屬基復合材料根據增強體形態的不同可以分為連續纖維復合材料、短纖維復合材料、顆粒增強復合材料、編織復合材料等。制備工藝主要有粉末冶金、攪拌鑄造、噴射沉積和壓力浸滲等。
[0003]由于金屬基復合材料特殊的微觀結構，基體與增強體之間物理化學性質存在很大的差異，這既使得金屬基復合材料兼具了金屬基體與增強體的優異性能，又能克服二者的性能不足。但是，也正是金屬基復合材料這種特殊的微觀結構特點決定了其焊接難度相對于常規金屬材料大得多。
[0004]目前，對金屬基復合材料的連接研究和應用比較多的集中在熔化焊、固相焊、釬焊三大類。熔化焊主要包括TIG、MIG、MAG焊等；固相焊主要有瞬時液相擴散焊(TLP)、固相擴散焊、攪拌摩擦焊等；釬焊則有空氣氣氛中的釬焊、保護氣氛中的釬焊、真空釬焊等。熔焊時，增強體的存在降低了熔池流動性，易造成焊縫成形差、氣孔及裂紋等缺陷；同時，在高溫情況下，增強相與基體金屬之間容易發生界面反應生成脆性化合物。因此，常規的熔化焊接方法很難實現顆粒增強金屬基復合材料優質連接。
[0005]金屬基復合材料常規熔化焊接主要存在以下幾個問題:
[0006]—、焊縫成形差。增強相降低了熔池流動性，同時焊接過程中易發生金屬基體飛濺，形成焊縫凹陷，增強相殘渣附著在焊縫邊緣。
[0007]二、增強相分布不均勻。焊接過程中基體金屬熔化而增強相不熔化，增強體被前進中的液固界面所推移，致使焊縫中的增強相分布不均勻。
[0008]三、界面反應形成脆性化合物。焊接過程中基體金屬材料與增強相通常會發生界面反應，如SiCp/Al復合材料焊接中，SiC顆粒與A1發生如下反應:
[0009]SiC (s) +A1 (1) | A14C3 (s) +Si (s)
[0010]界面反應不僅會消耗增強相，減弱其增強效果；而且，界面反應生成物多為脆性相，嚴重削弱接頭性能。
[0011]四、焊接缺陷傾向大。由于金屬基體與增強相之間物理性能顯著的差別，焊接過程中裂紋、氣孔、未熔合等缺陷傾向大。
[0012]相比熔化焊，雖然固相連接能避免復合材料的熔化，不發生增強顆粒與基體金屬間界面反應，避免了脆性相的產生，但固相焊過程中，被焊材料需施加較大的壓力，容易造成母材與增強相的接合界面復合材料或增強相本身發生破壞。
[0013]而對于釬焊，與其他焊接方法相比，釬焊加熱溫度低，母材不熔化，不易引起基體與增強相間的界面反應；且釬焊變形小，接頭美觀，但增強相顆粒的存在，嚴重阻礙釬料在母材表面的潤濕與鋪展，同時存在基體-增強相、增強相-增強相間的弱連接，嚴重影響接
生會bo

【發明內容】

[0014]本發明的目的是為了解決金屬基復合材料焊接時增強相燒損、氣孔缺陷傾向大、易生成脆性金屬間化合物，激光填粉焊接過程又存在前期準備過程相對復雜、增強相在高溫液態金屬中溶解較多等問題。而提供了一種激光沉積-熔注同步復合連接方法。
[0015]本發明的一種激光沉積-熔注同步復合連接方法，它是按照以下步驟進行的:
[0016]步驟一:將待焊工件的待焊部位加工成V型坡口 ；
[0017]步驟二:對坡口及附近位置表面進行清理、打磨，并用夾具將待焊工件裝夾固定在工作臺上；
[0018]步驟三:安裝同軸和旁軸送粉頭，設置焊接工藝參數:
[0019]激光功率為600W?5000W，光斑直徑為1mm?4mm，焊接速度為3mm/s?15mm/s ；送粉速度為2g/min?15g/min，送粉載氣流量為3L/min?20L/min，增強相顆粒注入速度為2g/min?20g/min，注入角度為30°?70°，保護氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5° ；
[0020]步驟四:采用同軸送粉頭向焊縫位置送入填充粉末，控制激光發生裝置執行步驟三的工藝參數，產生激光束，在激光輻照下熔化粉末形成熔池；
[0021]步驟五:在同軸送入填充粉末焊接的同時，在熔池的后部通過旁軸送粉頭向熔池中注入增強相顆粒，即完成所述的激光沉積-熔注同步復合連接。
[0022]本發明將填充粉末與增強相顆粒粉末用球磨機混合均勻，制得混合填充粉末；將混合填充粉末裝入送粉機中；其中，混合填充粉末的體積大于待焊工件焊縫坡口位置的體積。
[0023]混合填充粉末中填充粉末與增強相顆粒的比例根據待焊工件中基體材料與增強相的比例來確定，即混合填充粉末的體積大于待焊金屬基復合材料中基體與增強相的體積。
[0024]本發明填充粉末材料根據待焊材料的不同而不同，一般選擇與焊接母材成份相匹配的合金粉末。
[0025]本發明的增強相顆粒與母材增強相顆粒相同；以避免增強相顆粒與激光或高溫熔池直接作用而發生燒損，并在焊縫形成新的復合材料層而連接兩母材。
[0026]本發明包含以下有益效果:
[0027]采用激光填粉沉積-熔注的方法，將填充粉末與增強相顆粒分開送入焊縫，避免了實驗準備過程中混合粉末球磨過程，并且可以根據實驗情況實時調節填充粉末與增強相顆粒的送入速度與送入量。
[0028]本發明的方法能量輸入精確可控；方便調節材料組分；柔性大、自動化程度高?’最小特征尺寸和熱輸入僅受限于最小光斑尺寸。另外最顯著特點是增強相采用熔注的方法填充到焊縫熔池后方，不與激光能量直接作用，能盡量避免增強相顆粒燒損，同時增強相從溫度較低的熔池后方送入，能有效的抑制增強相顆粒在液態金屬中的溶解。
【附圖說明】
[0029]圖1為本發明激光沉積-熔注同步復合連接示意圖；
[0030]圖2為實施例1的焊接接頭金相圖；
[0031]圖3為實施例1的焊接接頭微觀組織圖；
[0032]圖4為實施例2的焊接接頭金相圖；
[0033]圖5為實施例2的焊接接頭微觀組織圖。
【具體實施方式】
[0034]【具體實施方式】一:本實施方式的一種激光沉積-熔注同步復合連接方法，它是按照以下步驟進行的:
[0035]步驟一:將待焊工件的待焊部位加工成V型坡口 ；
[0036]步驟二:對坡口及附近位置表面進行清理、打磨，并用夾具將待焊工件裝夾固定在工作臺上；
[0037]步驟三:安裝同軸和旁軸送粉頭，設置焊接工藝參數:
[0038]激光功率為600W?5000W，光斑直徑為1_?4mm，焊接速度為3mm/s?15mm/s ；送粉速度為2g/min?15g/min，送粉載氣流量為3L/min?20L/min，增強相顆粒注入速度為2g/min?20g/min，注入角度為30°?70°，保護氣以及束流氣流量均為5L/min ;激光頭沿焊接方向前傾5° ;
[0039]步驟四:采用同軸送粉頭向焊縫位置送入填充粉末，控制激光發生裝置執行步驟三的工藝參數，產生激光束，在激光輻照下熔化粉末形成熔池；
[0040]步驟五:在同軸送入填充粉末焊接的同時，在熔池的后部通過旁軸送粉頭向熔池中注入增強相顆粒，即完成所述的激光沉積-熔注同步復合連接。
[0041]本實施方式將填充粉末與增強相顆粒粉末用球磨機混合均勻，制得混合填充粉末；將混合填充粉末裝入送粉機中；其中，混合填充粉末的體積大于待焊工件焊縫坡口位置的體積。
[0042]混合填充粉末中填充粉末與增強相顆粒的比例根據待焊工件中基體材料與增強相的比例來確定，即混合填充粉末的體積大于待焊金屬基復合材料中基體與增強相的體積。
[0043]【具體實施方式】二:本實施方式與【具體實施方式】一不同的是:發射激光的激光器為半導體激光器、C02氣體激光器