脈沖激光逐層釬焊金剛石-鎳鉻合金工藝研究

李時(shí)春 周 磊 周妃四 孫 卓

1.湖南科技大學(xué)難加工材料高效精密加工湖南省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湘潭，411201 2.湖南科技大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湘潭，411201

0 引言

激光釬焊制備砂輪因其加熱時(shí)間短、加工熱影響區(qū)小等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛關(guān)注和研究[1-2]。HUANG等[3]采用激光釬焊制備金剛石工具進(jìn)行磨削試驗(yàn)，結(jié)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(jìn)行了加工試驗(yàn)，結(jié)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(xiàn)還對單層金剛石磨粒砂輪開展了激光釬焊工藝和釬焊機(jī)理的研究，包括工藝參數(shù)對單層磨粒釬焊表面質(zhì)量和微觀組織形態(tài)的影響、金剛石與釬料的冶金結(jié)合等[6-11]。然而，目前有關(guān)多層金剛石磨粒砂輪的激光釬焊研究報(bào)道甚少。文獻(xiàn)[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(shí)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(zhì)量好。磨損試驗(yàn)結(jié)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(jìn)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(shí)間間隔，有利于釬焊過程中熱量的擴(kuò)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(jìn)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(jìn)行了脈沖激光試驗(yàn)研究。該仿真結(jié)果顯示，脈沖激光釬焊金剛石過程中要適當(dāng)?shù)亟档头逯倒β剩⒃龃竺}寬和脈沖頻率；在優(yōu)選參數(shù)條件下進(jìn)行脈沖激光釬焊可實(shí)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(xué)冶金結(jié)合。然而，現(xiàn)有文獻(xiàn)僅限于對單層磨粒進(jìn)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(bào)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(zhì)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(yīng)用提供試驗(yàn)指導(dǎo)及工藝基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)(材料、設(shè)備、過程)

試驗(yàn)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(yàn)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?jǐn)?shù)為25%。

表1 鎳鉻合金粉末與45鋼材料成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

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

試驗(yàn)開始之前對鎳鉻合金和金剛石混合粉末進(jìn)行烘干處理，用無水乙醇對基板進(jìn)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(jìn)行多層釬焊時(shí)，考慮粉末厚度的收縮，鋪粉過程中采取等差添加墊片進(jìn)行鋪粉，保證每一層的粉厚為40 μm。根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)所述脈沖激光釬焊時(shí)要適當(dāng)?shù)卦龃竺}寬，所以本文試驗(yàn)設(shè)定脈寬為120 ns。釬焊試驗(yàn)時(shí)將金剛石和鎳鉻合金混合粉末預(yù)先平鋪在45鋼基板上。單層釬焊和多層釬焊試驗(yàn)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(shè)計(jì)了單道釬焊、單層釬焊、多層釬焊的成形試驗(yàn)。本文通過設(shè)置不同的工藝參數(shù)進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，分析不同工藝參數(shù)對成形質(zhì)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(yàn)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(shè)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(jìn)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(zhì)量間的關(guān)系復(fù)雜，各參數(shù)對成形質(zhì)量影響存在關(guān)聯(lián)性，成形質(zhì)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(zhì)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(jì)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(jìn)行打點(diǎn)試驗(yàn)，測量得到在離焦量L=3 mm、5 mm、10 mm時(shí)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(jié)合強(qiáng)度，本文對多層釬焊件進(jìn)行三點(diǎn)式抗彎曲強(qiáng)度試驗(yàn)。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(yàn)的跨距長度為22 mm，載荷的加載速度為0.5 mm/min。

2 結(jié)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(shí)，不同離焦量(離焦量L分別為3 mm、4 mm和 5mm,所對應(yīng)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(yīng)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(dāng)離焦量為3 mm時(shí)，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(shí)的峰值功率密度和線能量密度均相對較大，在激光釬焊時(shí)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(dāng)離焦量為4 mm時(shí)，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(dāng)離焦量為5 mm時(shí)，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(dǎo)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(dǎo)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(shí)，不同激光功率(激光功率P分別為70 W、80 W和90 W，所對應(yīng)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(yīng)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(dāng)激光功率為70 W和80 W時(shí)，熔覆道較連續(xù)，而當(dāng)激光功率為90 W時(shí)，熔覆道偶爾出現(xiàn)斷續(xù)現(xiàn)象。原因是，當(dāng)激光功率增大時(shí)，釬焊時(shí)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(dǎo)致釬焊過程的不穩(wěn)定，進(jìn)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(jìn)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(shí)，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(shí)，對應(yīng)的峰值功率密度均為1.36×106W/cm2，對應(yīng)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(dāng)掃描速度(5 mm/s和10 mm/s)較低時(shí)，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(shí)，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(shí)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(dāng)脈沖頻率為100 kHz和200 kHz時(shí)，因峰值功率密度過大，加工過程中的熱沖擊作用導(dǎo)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(shí)，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(zhì)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(zhì)量的關(guān)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(shí)飛濺現(xiàn)象嚴(yán)重，熔道上粉末較少，燒黑現(xiàn)象比較嚴(yán)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(shí)同樣不能獲得連續(xù)熔覆道。綜合單道試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)線能量密度為14～25 J/mm2、峰值功率密度不大于1.8×106W/cm2時(shí)，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(jì)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(shí)，激光釬焊所得的單層釬焊表面形貌，此時(shí)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(dāng)線能量密度較小時(shí)，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(shí)，激光釬焊所得的單層釬焊表面形貌，此時(shí)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(shí)，激光釬焊所得的單層釬焊表面形貌，此時(shí)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?yàn)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(dǎo)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(yán)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(dǎo)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(dāng)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(yīng)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(yīng)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(shí)，激光釬焊單層表面形貌結(jié)果分別如圖9～圖 12所示。由圖9可以看出，當(dāng)激光功率為70 W時(shí)，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(dāng)激光功率為80 W時(shí)，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(dāng)激光功率為90 W時(shí)，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(dāng)激光功率為100 W時(shí)，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(shí)，金剛石損傷明顯。原因是，較大激光功率對應(yīng)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(yán)重。

2.2.3脈沖頻率對單層釬焊成形的影響

當(dāng)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(shí)線能量密度均為30.17 J/mm2，而對應(yīng)的峰值功率密度依次為2.17×106W/cm2、1.45×106W/cm2和9.66×105W/cm2)時(shí)，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(dāng)脈沖頻率為400 kHz時(shí)，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(yán)重?fù)p傷形態(tài)。由圖14可以看出，當(dāng)脈沖頻率為600 kHz時(shí)，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(yán)重?fù)p傷形態(tài)。由圖15可以看出，當(dāng)脈沖頻率為900 kHz時(shí)，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(shí)更低峰值功率密度時(shí)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(dāng)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(shí)峰值功率密度均為1.39×106W/cm2，而對應(yīng)的線能量密度依次為18.10 J/mm2、16.09 J/mm2和14.48 J/mm2)時(shí)，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(dāng)掃描速度為40 mm/s時(shí)，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(dāng)掃描速度為45 mm/s時(shí)，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(dāng)掃描速度為50 mm/s時(shí)，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(jié)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(dāng)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(shí)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(shí)，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(shí)的能量輸入大小無變化。當(dāng)掃描間距分別為0.18 mm、0.20 mm和0.23 mm時(shí)，所對應(yīng)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(shí)，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(dǎo)致下一熔覆道在相近位置出現(xiàn)更加嚴(yán)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(jìn)而呈現(xiàn)出較大的表面高度差。當(dāng)掃描間距大于熔覆道寬度時(shí)，熔覆道之間形成溝壑，導(dǎo)致整個(gè)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(shí)線能量密度、峰值功率密度、掃描間距與表面高度差的關(guān)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(yīng)彩色圖形圖例在三個(gè)坐標(biāo)軸上的投影。結(jié)合圖22和試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，當(dāng)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(shí)，單層釬焊表面平整性較好。當(dāng)線能量密度和峰值功率密度相對較小時(shí)，釬焊層表面融化不充分，易形成熔融球；當(dāng)線能量密度和峰值功率密度相對較大時(shí)，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(jì)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(guān)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(yán)重?fù)p傷形態(tài)或者金剛石大量聚集)。結(jié)合圖23和試驗(yàn)結(jié)果可知，線能量密度太小時(shí)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(shí)易產(chǎn)生嚴(yán)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(jié)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(shí)，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(nèi)進(jìn)一步選擇適當(dāng)參數(shù)，以同時(shí)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(jì)圖Fig.23 Single diamond statistics diagram

2.3 多層釬焊

根據(jù)前述單層釬焊試驗(yàn)總結(jié)的參數(shù)選擇范圍，選擇了兩組參數(shù)進(jìn)行激光逐層釬焊，實(shí)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(shí)釬焊所得的多層釬焊表面形貌，此時(shí)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(shí)釬焊所得的多層釬焊表面形貌，此時(shí)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(xiàn)研究結(jié)果[12]相比，脈沖激光釬焊金剛石-鎳鉻合金時(shí)，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(yīng)的多層釬焊截面視圖及內(nèi)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(jié)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(jié)合強(qiáng)度。多層釬焊層截面圖中除了觀察到內(nèi)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(jìn)一步觀察內(nèi)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(shí)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(jìn)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(yīng)的多層釬焊件進(jìn)行抗彎曲試驗(yàn)后的截面圖，可以看出，釬焊層在彎曲試驗(yàn)中受拉應(yīng)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(jié)合界面。由于釬焊層與金屬基體在彎曲過程中承受的拉應(yīng)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(jié)合界面的剪切應(yīng)力。然而，試驗(yàn)結(jié)果表明，釬焊層與基體的結(jié)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(jié)合強(qiáng)度較大。圖27c為抗彎曲試驗(yàn)對應(yīng)的力學(xué)性能曲線圖?？箯潖?qiáng)度的計(jì)算公式為：δ=3FH/(2bh2)，其中δ為抗彎強(qiáng)度，F(xiàn)為彎曲負(fù)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(jì)算可得，試樣的最大抗彎強(qiáng)度為1013.4 MPa。圖27c中,當(dāng)抗彎曲線出現(xiàn)第一個(gè)拐點(diǎn)(箭頭所指)時(shí)，表明釬焊層開始出現(xiàn)裂紋，此時(shí)的強(qiáng)度為404.1 MPa。由此可知，釬焊層自身同樣具有較高的抗彎強(qiáng)度。

(a)截面低倍視圖

3 結(jié)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(shí)，線能量密度過大時(shí)易形成熔融球及不連續(xù)熔覆道；線能量太小時(shí)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(shí)粉末材料流失嚴(yán)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(dāng)峰值功率密度和線能量密度較小時(shí)，釬焊層易出現(xiàn)熔融球和磨粒聚集現(xiàn)象；當(dāng)峰值功率密度和線能量密度較大時(shí)，金剛石會出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)p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?；趩蔚篮蛦螌釉囼?yàn)總結(jié)得出，能同時(shí)實(shí)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(nèi)選擇工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)了多層結(jié)構(gòu)的激光逐層釬焊試驗(yàn)，得到了表面成形較好、金剛石形態(tài)較好的結(jié)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(jié)合強(qiáng)度。由抗彎曲試驗(yàn)結(jié)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(jié)合強(qiáng)度較高，且釬焊層自身也具有較好的抗彎強(qiáng)度。多層結(jié)構(gòu)內(nèi)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(jìn)一步研究。