納秒激光直寫表面輔助下紫銅的激光焊成形及接頭組織和性能

周廣濤，鄺景臻，溫秋玲，蔡祖鵬，蘇禮季

(1.華僑大學(xué),福建省特種能場(chǎng)制造重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,廈門,361021；2.華僑大學(xué),制造工程研究院,廈門,361021；3.廈門宏發(fā)電力電器有限公司,廈門,361021)

0 序言

紫銅具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，在機(jī)械、電子和化工等領(lǐng)域得到廣泛地應(yīng)用，尤其是精密儀器的散熱器上.目前焊接是紫銅結(jié)構(gòu)制造主要加工方式，激光焊作為一種先進(jìn)的焊接方式，成為精密儀器中紫銅部件最高效的連接方式.但銅合金屬于面心立方晶體，其對(duì)常見的紅外激光光源具有極高的反射率，反射率高達(dá)95%[1-2]，導(dǎo)致激光輻射能難以被紫銅吸收，并且紫銅熱導(dǎo)率較高，在焊接過(guò)程中焊縫將激光的熱輸入迅速向四周傳遞，導(dǎo)致熱量難以聚集[3-5]，熱輸入極低難以形成熔池，導(dǎo)致常規(guī)的低功率激光焊難以實(shí)現(xiàn)對(duì)紫銅的激光焊.這些因素極大程度地限制了紫銅在高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用，因此如何提高紫銅表面對(duì)激光的吸收率成為急需解決的問(wèn)題.

很多學(xué)者開展了降低紫銅對(duì)激光反射率的研究，包括短波長(zhǎng)激光焊[6-8]、表面涂覆法[9-10]、添加輔助材料法[11-12]以及黑化處理[13-15]等，如在紫銅待焊區(qū)表面涂覆一層石墨[9]，但石墨層的均勻度難以保證，使得待焊區(qū)不同區(qū)域的反射率存在差異，造成焊縫成形不均勻，同時(shí)石墨還會(huì)滲入焊縫中，使得強(qiáng)度下降.雷玉成等人[12]在紫銅待焊區(qū)表面放置不銹鋼薄片，利用鋼對(duì)激光的吸收，但同樣引起上述的焊縫金屬異質(zhì)的問(wèn)題.黑化處理也是常采用手段，利用能量密度更高的納秒激光對(duì)紫銅待焊區(qū)表面進(jìn)行黑化處理生成氧化膜和不規(guī)則凹坑，將反射率降至15.5%，并實(shí)現(xiàn)了0.4 mm 厚的紫銅薄板焊接[13]，但由于凹坑的不規(guī)則性，可能引起待焊區(qū)反射率不均勻.李華晨等人[15]提出了一種分步氣體介質(zhì)下低功率薄板紫銅激光焊方法，即對(duì)紫銅表面在氧氣介質(zhì)下利用YAG 激光進(jìn)行黑化處理，然后在氧氣介質(zhì)下進(jìn)行激光焊，該方法具有較高的可行性，但容易引入較多的O 元素導(dǎo)致焊縫脆化.

針對(duì)改善表面反射率的研究中存在的紫銅激光焊吸收率過(guò)低、成形較差、焊縫金屬引入雜質(zhì)的難題，文中提出了一種基于納秒激光直寫表面輔助下激光焊紫銅的新方法，即采用納秒激光直寫在紫銅板待焊區(qū)表面進(jìn)行表面微加工，從而降低紫銅對(duì)激光的反射率，并在氬氣介質(zhì)保護(hù)下利用光纖激光對(duì)紫銅進(jìn)行激光焊.研究了不同納秒激光直寫參數(shù)下待焊區(qū)表面的反射率、不同焊接參數(shù)下焊縫熔深和熔寬及接頭的組織和力學(xué)性能，為適配功率下實(shí)現(xiàn)紫銅的激光焊提供新思路，具有較強(qiáng)的理論價(jià)值和工程意義.

1 納秒激光直寫表面輔助激光焊原理模型

納秒激光直寫表面輔助下的激光焊模型如圖1 所示.首先利用納秒激光束按照一定的路徑對(duì)待焊區(qū)進(jìn)行激光直寫，表面金屬被燒蝕去除，局部熔化部分濺射到周圍形成納米顆粒層，并宏觀上形成深淺不一的覆蓋納米顆粒的周期性類條紋或其它花樣結(jié)構(gòu)，然后在氬氣保護(hù)下通過(guò)光纖激光進(jìn)行紫銅的焊接.該方法先后利用兩種激光協(xié)同實(shí)現(xiàn)紫銅適配功率的激光焊，光纖激光是焊接的實(shí)現(xiàn)方式，而納秒激光作為輔助，改善表面狀態(tài).

圖1 納秒激光直寫表面輔助下紫銅激光焊模型Fig.1 Model of laser welding of copper assisted by the surface pretreated by nanosecond laser direct writing.(a) pretreated by nanosecond laser direct writing;(b) laser welding assisted by the surface pretreated by nanosecond laser direct writing

圖2 為納秒激光直寫表面輔助降低反射率的原理.當(dāng)利用光纖激光進(jìn)行焊接時(shí)，激光入射至待焊區(qū)，周期微結(jié)構(gòu)表面的直徑大小不一、位向不同的納米顆粒對(duì)光束產(chǎn)生漫反射，而被反射的激光大部分會(huì)在周期微結(jié)構(gòu)的溝槽內(nèi)不斷反射，并被往復(fù)吸收，從而提高了紫銅待焊區(qū)對(duì)激光的吸收率.

圖2 納秒激光直寫表面輔助降低反射率原理Fig.2 Schematic illustration of reducing reflection assisted by the surface pretreated by nanosecond laser direct writing

2 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)材料選用T2 紫銅，其化學(xué)成分如表1 所示，試樣尺寸為100 mm × 50 mm × 1 mm.利用紅外納秒激光刻蝕機(jī)對(duì)紫銅待焊區(qū)表面進(jìn)行納秒激光直寫處理，納秒激光刻蝕機(jī)的最高功率為20 W，納秒激光的光斑直徑約為60 μm，其它激光直寫工藝參數(shù)如表2 所示.焊接方法為光纖激光焊，連續(xù)激光最高功率為6 kW，波長(zhǎng)為1 064 nm，保護(hù)氣體為氬氣，紫銅在常規(guī)焊(未表面處理)與納秒激光直寫表面輔助兩種條件下的焊接工藝參數(shù)如表3所示.采用JSM-6 510 型掃描電子顯微鏡（scanning electron microscope，SEM）對(duì)納秒激光直寫表面形貌進(jìn)行觀察；利用LSM700 型激光共聚焦顯微鏡對(duì)直寫表面三維形貌進(jìn)行觀察；采用SM645S 型體式顯微鏡對(duì)焊縫表面和橫截面進(jìn)行觀察，并測(cè)量熔深和熔寬；采用Leica-DM4M 型金相顯微鏡對(duì)接頭微觀組織進(jìn)行觀察；采用掃描電子顯微鏡內(nèi)置的能譜儀分析接頭的元素組成；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 2651—2008《焊接接頭拉伸試驗(yàn)方法》采用AG-Xplus 型萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，拉伸速率為1 mm/min；利用TH760 型數(shù)字式顯微硬度計(jì)對(duì)紫銅焊接接頭進(jìn)行硬度測(cè)量，試驗(yàn)時(shí)加載載荷為1 N，保載時(shí)間為10 s.

表1 T2 紫銅的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)Table 1 Chemical compositions of T2 copper

表2 納秒激光直寫的工藝參數(shù)Table 2 Process parameters of nanosecond laser direct writing

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 納秒激光直寫表面形貌和表面反射率

利用激光共聚焦顯微鏡對(duì)納秒激光直寫表面的三維形貌進(jìn)行觀察，表面形貌如圖3 所示.從圖3可以發(fā)現(xiàn)，周期微結(jié)構(gòu)呈較為規(guī)則的條紋狀，溝槽深度和條紋寬度尺寸很均勻，這對(duì)紫銅待焊區(qū)的反射率一致性有極大益處.同時(shí)，周期微結(jié)構(gòu)的溝槽深度對(duì)納米顆粒的分布起著極其關(guān)鍵的作用，當(dāng)溝槽深度越大，納米顆粒分布的面積越大，并且更容易將入射激光限制于溝槽內(nèi)，使激光能夠被重復(fù)吸收，從而降低紫銅待焊區(qū)的反射率.

圖3 納秒激光直寫表面三維形貌Fig.3 Three-dimensional topography of the surface pretreated by nanosecond laser direct writing

對(duì)不同納秒激光參數(shù)下直寫表面周期微結(jié)構(gòu)的溝槽深度以及納秒激光直寫表面的反射率進(jìn)行分析，結(jié)果如表4 所示.圖4 為不同納秒激光參數(shù)下直寫表面的形貌.結(jié)合表4 和圖4a～ 圖4c 可以發(fā)現(xiàn)，隨著掃描速度的增加，周期微結(jié)構(gòu)的溝槽深度不斷減小，而反射率不斷提高，這是因?yàn)橹芷谖⒔Y(jié)構(gòu)的深度減小后，納米顆粒分布面積以及激光在周期微結(jié)構(gòu)的溝槽內(nèi)反復(fù)吸收的次數(shù)減少.從圖4d～ 圖4f 可知，當(dāng)直寫激光功率較小時(shí)，熱輸入變小，刻蝕過(guò)程中母材熔化后受激光沖擊向上堆積的重鑄層厚度及寬度減小，同時(shí)納秒激光束所能刻蝕的寬度減小，有部分紫銅母材外露未被納米顆粒覆蓋，這一部分外露的母材導(dǎo)致激光反射率較大.當(dāng)掃描次數(shù)增加時(shí)，溝槽深度明顯增加，多次激光刻蝕累加使得其表面覆蓋的納米顆粒更加細(xì)致均勻，反射率降低.當(dāng)掃描次數(shù)為5 次時(shí)，待焊區(qū)的反射率降至11.33%，如圖4g～ 圖4i 所示.

表4 不同納秒激光參數(shù)下周期微結(jié)構(gòu)的溝槽深度和表面反射率Table 4 Groove depths of periodic microstructure and surface reflectivity under different nanosecond laser parameters

圖4 不同納秒激光參數(shù)下周期微結(jié)構(gòu)的SEM 圖Fig.4 SEM images of periodic microstructure under different parameters of nanosecond laser.(a) v1=50 mm/s;(b)v1=100 mm/s;(c) v1=150 mm/s;(d) P1=10 W;(e) P1=15 W;(f) P1=20 W;(g) n=1;(h) n=3;(i) n=5;(j) d=30 μm;(k) d=50 μm;(l) d=70 μm

隨著掃描線間距的增加，周期條紋結(jié)構(gòu)數(shù)量及納米顆粒的分布密度逐漸減少，反射率增加，且當(dāng)納秒激光掃描線間距大于激光斑點(diǎn)直徑60 μm 時(shí)，存有部分母材外露未被納米顆粒所覆蓋，但掃描線間距過(guò)小時(shí)，增加掃描次數(shù)后條紋結(jié)構(gòu)消失，變?yōu)椴痪鶆虻陌伎?，反射率不降反?如圖4j～ 圖4l 所示，經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)后發(fā)現(xiàn)當(dāng)掃描線間距為50 μm時(shí)，在增加納秒激光掃描次數(shù)后仍能保持條紋結(jié)構(gòu)，因此最終選用50 μm 作為理想的掃描線間距.采用納秒直寫激光功率20 W、掃描線間距 50 μm、掃描速度 50 mm/s 和掃描次數(shù) 5 次作為預(yù)處理參數(shù)，此時(shí)紫銅待焊區(qū)反射率為11.33%.

3.2 焊縫成形

3.2.1 常規(guī)焊和納秒激光直寫表面輔助下焊縫形貌

紫銅常規(guī)條件和納秒激光直寫表面輔助下的焊縫宏觀形貌如圖5 所示.在常規(guī)條件下，盡管焊接激光功率已經(jīng)達(dá)到2 kW，但僅能形成部分凹凸不平的焊縫，且焊縫不連續(xù)，焊縫成形極差，這主要是由于紫銅對(duì)激光的反射率過(guò)高，高達(dá)95%的激光能量被反射，并由于紫銅自身的高導(dǎo)熱率，極低熱輸入造成母材難以熔化并形成熔池.而在納秒激光直寫表面輔助下，待焊區(qū)表面對(duì)激光的吸收高達(dá)89%，能夠吸收極大部分激光能量并加熱母材且形成熔池.焊縫表面呈現(xiàn)規(guī)則的魚鱗紋，外觀良好且具有均勻的熔寬，相比常規(guī)焊具有極大地改善.利用納秒激光對(duì)紫銅待焊區(qū)表面進(jìn)行加工產(chǎn)生周期微結(jié)構(gòu)并在其表面覆有密集的納米顆粒，使得極大部分激光能量多次漫反射被納米顆粒吸收，極大地提高了紫銅對(duì)激光能量的吸收率，初步證明納秒激光直寫表面可以有效降低紫銅反射率，可以實(shí)現(xiàn)在適配功率下對(duì)紫銅薄板的激光焊.

圖5 焊縫成形Fig.5 Weld appearance.(a) conventional welding;(b)welding assisted by the surface pretreated by nanosecond laser direct writing (P2=4 kW)

3.2.2 焊接參數(shù)對(duì)焊縫尺寸的影響

采用焊接激光功率為2～ 4.5 kW、焊接速度為1.5 mm/s 分別研究不同焊接激光功率對(duì)紫銅激光焊縫的尺寸，以高純氬氣作為保護(hù)氣體，在納秒激光直寫表面輔助下不同焊接激光功率下獲得的焊接宏觀形貌如圖6 所示.當(dāng)焊接激光功率較小時(shí)，焊縫表面較為粗糙，且熔寬不均勻，甚至有的焊縫出現(xiàn)氣孔，這是因?yàn)榈秃附蛹す夤β氏氯刍哪覆妮^少，熔化的金屬流動(dòng)性較低，熔化金屬凝固收縮時(shí)產(chǎn)生孔洞難以被填充；隨著焊接激光功率的提高，焊縫成形明顯發(fā)生變化.熱導(dǎo)焊時(shí)熱輸入的增加，熔化的金屬越來(lái)越多，且對(duì)兩側(cè)母材的潤(rùn)濕性也增強(qiáng)，焊縫表面均勻光亮，紋路一致，熔寬也相應(yīng)增加，且表面無(wú)氣孔，當(dāng)焊接激光功率為4.5 kW時(shí)，焊縫外觀良好.

圖6 不同焊接激光功率下焊縫宏觀形貌Fig.6 Macroscopic morphology of the final weld at different welding laser powers.(a) P2=2 kW;(b)P2=2.25 kW;(c) P2=2.5 kW;(d) P2=2.75 kW;(e)P2=3 kW;(f)P2=3.5 kW;(g) P2=4 kW;(h) P2=4.5 kW

熔深是體現(xiàn)紫銅激光焊對(duì)激光反射率改善的重要指標(biāo)，對(duì)不同激光焊參數(shù)下的熔深進(jìn)行了觀察，對(duì)焊縫的橫截面進(jìn)行磨拋處理，焊縫截面形貌及尺寸結(jié)果如圖7 所示，可以發(fā)現(xiàn)在納秒激光直寫表面輔助下紫銅能夠在適配功率下產(chǎn)生理想的熔深和熔寬.焊接激光功率為1.5～ 4.5 kW 下焊縫的熔寬和熔深如圖7 所示.當(dāng)焊接激光功率為1.5，2，2.5 kW 時(shí)，熔深分別為0.30，0.34，1.25 mm，熔寬分別為0.91，1.07，0.56 mm，表現(xiàn)出寬而淺的焊縫成形，且焊縫的余高較大，這是因?yàn)楹附蛹す夤β瘦^低時(shí)，熱輸入較小，導(dǎo)致熔化金屬量少，且金屬流動(dòng)性差，熔化金屬無(wú)法向兩邊流淌最終向上堆積.當(dāng)焊接激光功率增加至3 kW 時(shí)，熔深為0.71 mm，熔寬為1.49 mm，焊縫特征過(guò)渡為窄而深.焊接激光功率繼續(xù)增加至3.5 kW 時(shí)，焊縫熔深和熔寬繼續(xù)變大，熔深、熔寬分別達(dá)到0.78，1.83 mm；當(dāng)焊接激光功率增加至4.5 kW 時(shí)，紫銅板已被焊透，熔寬為2.28 mm，焊縫余高極小，成形較好，且沒有氣孔、咬邊等焊接缺陷.納秒激光直寫表面顯著提高了紫銅表面對(duì)激光的吸收率，熱輸入顯著提高，形成了穩(wěn)定的熔池，并產(chǎn)生了良好的熔池流動(dòng)和充分的冶金反應(yīng)，最終得到具有一定熔深和熔寬的優(yōu)質(zhì)焊縫.

圖7 不同焊接激光功率下焊縫橫截面形貌（mm）Fig.7 Cross-section morphology of welds under different welding laser powers.(a) P2=1.5 kW;(b) P2=2 kW;(c) P2=2.5 kW;(d) P2=3 kW;(e) P2=3.5 kW;(f) P2=4.5 kW

3.3 接頭微觀組織

圖8 為接頭不同截面的顯微組織.圖8a 為平行于板面方向截面的接頭組織，可以發(fā)現(xiàn)焊縫邊界處以熔合區(qū)的銅晶粒為晶核向內(nèi)呈樹枝狀生長(zhǎng)，由于溫度梯度和凝固速率較小，表現(xiàn)為密集的枝狀晶束，且柱狀晶尾部呈彎曲狀指向焊接方向，而非指向中截面生長(zhǎng)，樹枝狀束粗細(xì)均勻，這是因?yàn)樵谳^低的焊接速度下熔池呈橢圓形，而橢圓形熔池的尾部邊界為彎曲狀，柱狀晶向前推進(jìn)時(shí)為保持與熔池邊界垂直，柱狀晶也呈彎曲狀；同時(shí)，由于熱導(dǎo)焊過(guò)程中板厚方向溫差較小，樹枝狀束粗細(xì)基本一致.取圖8a 中A-A 橫截面對(duì)熔合區(qū)及焊縫中心組織進(jìn)行觀察，如圖8b 和圖8c 所示，可以發(fā)現(xiàn)熔合區(qū)組織為垂直于熔合線的柱狀晶，柱狀晶樹枝狀生長(zhǎng)向內(nèi)延伸，而焊縫中心則為均勻且極細(xì)小的顆粒狀晶粒，這是因?yàn)樵谌酆蠀^(qū)附近柱狀晶的方向與橫截面方向基本平行，組織形態(tài)為枝晶的縱切面形狀，表現(xiàn)為長(zhǎng)條的樹枝狀晶粒；而在焊縫中心處柱狀晶的方向基本垂直于橫截面方向，組織形態(tài)為枝晶的橫切面形狀，表現(xiàn)為細(xì)小的顆粒狀晶粒，但并非為等軸晶.

圖8 接頭的微觀組織Fig.8 Microstructure of joint.(a) section parallel to plate plane;(b) fusion zone;(c) weld center

經(jīng)過(guò)觀察納秒激光直寫處理區(qū)域的顏色發(fā)生變化，考慮到激光直寫過(guò)程中的環(huán)境氣氛是否與銅形成新的物質(zhì)(主要是銅的氧化物或氮化物)，通過(guò)線掃描來(lái)對(duì)比焊縫及周圍母材中的Cu，N，O 元素的含量，來(lái)探究在激光焊過(guò)程中對(duì)焊縫金屬是否引進(jìn)異質(zhì)，不同掃描方向的線掃描結(jié)果如圖9 所示.圖9a 為沿焊縫橫截面中心線自上而下方向的線掃描結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)焊縫的N 元素含量極低，同時(shí)僅在厚度約為53 μm 的焊縫表層區(qū)域有一定的O 元素的存在，這表明在焊縫表層有少量CuO 生成，而焊縫內(nèi)部不含O 元素，全部為Cu 元素，表明在焊縫內(nèi)部沒有異質(zhì)混入，均為紫銅的單相固溶體.焊縫表層O 元素較多主要是由于紫銅待焊區(qū)表面在大氣介質(zhì)下進(jìn)行納秒激光直寫處理，O 元素與銅熔滴形成氧化銅存在于納米顆粒中，在焊接過(guò)程中表層氧化物熔化，由于密度較小，在凝固過(guò)程中漂浮在熔池上部，凝固后覆于焊縫金屬表層，類似渣殼，內(nèi)部含有一定O 元素.如圖9b 所示，沿掃描方向2 對(duì)母材和焊縫區(qū)進(jìn)行線掃描，發(fā)現(xiàn)焊縫區(qū)與母材區(qū)的Cu 元素含量幾乎一致，同時(shí)O 元素和N 元素含量極低，證明焊縫區(qū)內(nèi)部沒有氮、氧等異質(zhì)引入；并結(jié)合圖9a 中結(jié)果可知，存于納米顆粒中的氧元素在焊接過(guò)程中并不會(huì)滲入焊縫內(nèi)部，即利用納秒激光進(jìn)行表面直寫對(duì)紫銅焊縫冶金行為幾乎沒有影響.

圖9 接頭不同位置的線掃描結(jié)果Fig.9 Line scan results of the joint at different positions.(a) weld center line;(b) interior of the joint

3.4 納秒激光直寫表面輔助下接頭的力學(xué)性能

3.4.1 拉伸性能分析

圖10 為納秒激光直寫表面輔助下紫銅激光焊接頭拉伸曲線.紫銅激光焊接頭的抗拉強(qiáng)度約為312 MPa，而母材抗拉強(qiáng)度約為383 MPa，納秒激光直寫表面輔助下得到的接頭抗拉強(qiáng)度為母材的81.4%，可以獲得紫銅良好的激光焊接頭.同時(shí)，可以發(fā)現(xiàn)激光焊接頭在受拉過(guò)程中沒有明顯的屈服階段，應(yīng)力值保持升高直到焊縫處發(fā)生斷裂，這是因?yàn)楹缚p比較窄，接頭區(qū)沒有明顯的頸縮.

圖10 納秒激光直寫表面輔助下焊接接頭應(yīng)力—應(yīng)變曲線Fig.10 Stress—strain curve of copper laser welded joint assisted by the surface pretreated by nanosecond laser direct writing

圖11 為納秒激光直寫表面輔助下激光功率為4.5 kW 時(shí)接頭的斷口形貌.從圖11 可以發(fā)現(xiàn)，焊縫斷口形貌呈現(xiàn)延性斷裂特征，有大量韌窩，但其斷口韌窩尺寸相對(duì)較小較淺，撕裂棱較淺，第二相粒子較多，所以接頭具有一定塑性，但輕微異于母材.

圖11 接頭的斷口形貌Fig.11 Fracture morphology of the joint

3.4.2 硬度分析

接頭不同區(qū)域的顯微硬度測(cè)試和接頭硬度分布如圖12 和圖13 所示.在納秒激光直寫表面輔助條件下，焊接接頭的顯微硬度從焊縫區(qū)向兩側(cè)到母材呈先減小后增大的趨勢(shì)，且熱影響區(qū)的硬度值最小，焊縫中心的硬度為65.8 HV0.1，母材側(cè)硬度為80.5 HV0.1.這是因?yàn)樽香~在軋制過(guò)程中其組織產(chǎn)生了較多的糾纏位錯(cuò)和晶界位錯(cuò)，因此硬度較高；而在納秒激光直寫表面輔助下的焊接過(guò)程中，熱影響區(qū)發(fā)生再結(jié)晶，消除了部分加工硬化現(xiàn)象，同時(shí)組織晶粒長(zhǎng)大，導(dǎo)致熱影響區(qū)硬度下降；但由于紫銅導(dǎo)熱率較高，冷卻速度較快，焊縫區(qū)在凝固過(guò)程中晶粒生長(zhǎng)速率大，焊縫區(qū)晶粒細(xì)化，使得焊縫區(qū)硬度較大且高于焊縫兩側(cè).而母材受熱量影響較小，組織基本不發(fā)生變化，所以其硬度要高于焊縫區(qū)以及熱影響區(qū).

圖12 試樣的顯微硬度Fig.12 Micro-hardness of sample.(a) fusion line;(b)weld center

圖13 納秒激光直寫表面輔助下紫銅接頭硬度分布Fig.13 Hardness distribution of laser welded joint of copper assisted by the surface pretreated by the nanosecond laser direct writing

4 結(jié)論

(1)利用納秒激光對(duì)紫銅待焊區(qū)表面進(jìn)行激光直寫處理可以有效提高紫銅對(duì)后續(xù)激光的吸收率，可實(shí)現(xiàn)紫銅的激光焊并獲得具有一定熔深、熔寬的焊縫，成形美觀無(wú)缺陷.且隨著焊接激光功率增加，焊縫特征逐漸由寬而淺過(guò)渡為窄而深，焊縫成形變好，當(dāng)焊接激光功率為4.5 kW 時(shí)，紫銅板完全熔透.

(2)焊縫結(jié)晶以熔合區(qū)的銅晶粒為晶核向內(nèi)呈樹枝狀生長(zhǎng)，由于溫度梯度和凝固速率較小，表現(xiàn)為密集的彎曲狀柱狀晶束，且柱狀晶尾部指向焊接方向，樹枝狀束粗細(xì)均勻，因此焊縫中心橫截面組織形態(tài)為枝晶的橫切面形狀，表現(xiàn)為細(xì)小的顆粒狀晶粒，但并非為等軸晶.對(duì)焊縫進(jìn)行線掃描發(fā)現(xiàn)僅在距離焊縫表面53 μm 范圍內(nèi)存在少量O 元素，而焊縫內(nèi)部幾乎不含O 元素，皆為紫銅的單相固溶體，表面納秒激光直寫處理對(duì)紫銅焊縫冶金行為幾乎沒有影響.

(3)紫銅激光焊接頭的抗拉強(qiáng)度為母材的81.4%.焊接接頭的顯微硬度從焊縫區(qū)向兩側(cè)到母材呈先減小后增大的趨勢(shì)，且熱影響區(qū)的硬度值最小，焊縫中心的硬度為65.8 HV0.1，母材側(cè)硬度為80.5 HV0.1.拉伸斷口形貌呈現(xiàn)延性斷裂特征，有大量韌窩，但其斷口韌窩尺寸相對(duì)較小，撕裂棱較淺，焊縫保持一定塑性.