摘要：在綜述國內外鎂合金激光切割、激光焊接、激光表面改性等技術的基礎上，對鎂合金的激光加工技術進行了研究。結果表明：激光切割AZ31B鎂合金，切縫窄細平直，垂直度為0.05mm，切面波紋小且分布規律，熱影響區不明顯；激光焊接鎂合金，焊縫成形好，氣孔少，熱影響區小；AZ31B鎂合金激光熔凝處理后，晶粒得到細化，硬度和耐磨性都得到提高。 引言 鎂的密度是1.78×103kg/m3，為鋁的2/3，鋼的1/4。鎂合金具有高的比強度、比剛度、導熱性、可切削加工性和可回收性，被稱為21世紀的“綠色”工程材料。近年來，鎂合金材料在各種機殼、“陸海空”交通運載工具、國防工業等方面獲得了廣泛的應用，隨著鎂的提煉及深加工技術的發展，鎂合金材料已成為繼鋼鐵和鋁之后的第三大類金屬材料，在全球范圍內得到快速發展。 本文在綜述國內外鎂合金激光切割、激光焊接、激光表面改性等技術的基礎上，對鎂合金的激光加工技術進行了研究。 1 激光與鎂臺金材料的作用機理 鎂合金材料的激光加工是基于光熱效應的熱加工，前提是激光被鎂合金材料吸收并轉化為熱能。從原子結構理論分析，激光對金屬材料的作用是高頻電磁場對物質中自由電子的作用，材料中的自由電子在激光誘導作用下發生高頻振動，通過韌致輻射，部分振動能量轉變為電磁波向外輻射，其余轉化為電子的平均動能，再通過電子與晶格之間的馳豫過程轉變為熱能。 不同材料對于不同波長的激光的吸收有很大的差別，吸收率AN，表示為：其中：c0為光速，c0=3×108m/s為入射激光的波長；為金屬材料的導電率。從式（1）可以看出，被加工材料一定時，激光的波長越短，材料對激光的吸收越多。金屬中的大量自由電子由于集膚效應的作用，阻礙激光能量深入材料內部，使之大部分被反射掉，所以一般材料對CO2氣體激光（λ=10.6μm）的吸收比對YAG固體激光（λ=1.06μm）的吸收低。當激光波長為一恒定值時，材料對該激光束吸收率的大小取決于材料的導電率，導電率越大，材料對激光的吸收越少。所以，鎂合金材料對激光的吸收比一般金屬材料對激光的吸收要低．這是對鎂合金材料進行激光加工的難點之一。 ２鎂合金的激光切割技術 切割是鎂合金材料深加工的首要環節，良好的切割質量是材料深加工的保證。與傳統切割方法相比，激光切割具有更高的切割精度、更低的粗糙度和更高的生產效率。目前，國內外對鎂合金激光切割的研究尚屬鮮見。 我們利用500W固體脈沖Nd：YAG激光對4mm厚AZ31B鎂合金板材進行了切割工藝研究。激光切縫窄細，上縫寬0.45mm、中縫寬0.22mm、下縫寬0.35mm，切縫垂直度為0.05mm，切面波紋小且分布規露。熱影響區不明顯，切縫的整體寬度約為空氣等離子弧切割的1/4。但是，切縫的下表面有輕微的氧化現象，切面有80μm厚的組織形貌為等軸晶的重熔層。工藝研究得出的結論是:切縫寬度隨著放電電壓、脈沖寬度、脈沖頻率的增大而增大，切割速度與輔助氣體對切縫寬度的影響不大。圖1為AZ31B鎂合金激光切割宏觀形貌和微觀組織照片。 圖1 AZ31B鎂合金激光切割宏觀形貌及微觀組織3 鎂合金的激光焊接技術 鎂合金的焊接性能不好，是制約鎂合金應用的技術瓶預之一。相比傳統焊接方法，激光焊接具有焊接速度快、熱輸人低、焊接變形小的特點。鎂合金激光焊接技術的研究處于起步階段，國內外對鎂合金的激光焊接研究主要集中在鎂合金的連續CO2激光焊接和固體脈沖YAG激光焊接兩個領域。 德國的R.S.Coe1h。等Coelho用2.2kW的Nd:YAG激光器焊接了2mm厚的AZ31B鎂合金。得到了表面成形好、氣孔少、HAZ區小且無品粒明顯長大的焊縫。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。焊接過程中激光功率過高或過低都會導致加工表面功率密度降低，問時焊接形式從小孔聚焦轉變為部分聚焦，最后為熱傳導模式。 激光復合熱源焊接作為新型焊接技術日益受到關注，宋剛等用400W固體脈沖YAG激光加旁軸式TIG作為焊接復合熱源，首次成功焊接2.5mm厚AZ31B鎂合金板材，復合焊接的熔深可達TIG單獨焊接的2倍、激光單獨焊接的4倍，且焊縫與母材抗拉強度（240MPa）相當。為了提高鎂合金材料在焊接過程中對激光的吸收率，孫昊等用500W固體脈沖YAG激光器研究了活性劑對鎂合金激光焊接過程的影響，氧化物和氯化物能夠增加鎂合金激光焊接的熔深和深寬比，原因是活性劑微細粉末在激光作用初期增加了對激光能量的吸收。 我們已經進行了鎂合金薄板的激光焊接和激光復合焊接，目前正在研究中厚板的激光焊接，為工程實踐提供理論支持。 4 鎂合金的激光表面改性技術 隨著激光表面改性技術的不斷完善，鎂合金激光表面處理在鎂合金表面耐蝕性、耐磨性等方面的應用越來越受到國內外研究者的重視。激光表面改性技術分為激光表而重熔、激光表面合金化及激光表面熔覆等。 4.1 激光表面重熔 鎂合金激光表面重熔使材料表面組織晶粒細化、顯微偏析減少、生成非平衡相，進而引起表面強化，使合金表面耐磨性增加。 巴基斯坦的Ghazanfar Abbas等利用1.5kW的半導體激光器對AZ31和AZ61鎂合金進行表面熔凝處理，AZ31的硬度由基體的65HV提高到熔凝層的120HV, AZ61的硬度由基體的70HV提高到熔凝層的140HV，且磨損量都降低了一半，提高了其耐磨性。 高亞麗等用800W的CO2激光器對AZ91HP鎂合金進行了激光表面熔凝處理。與原始鎂合金相比，熔凝層的硬度約提高90%左右，耐磨性提高78%，耐蝕性顯著提高。這是枝晶細化和熔凝層中相對較多的共同作用。我們用5kW橫流CO2激光器研究了AZ31B的激光熔凝技術，微觀組織見圖2，可以看出，熔凝區晶粒比母材明顯小很多。 圖2 AZ31B鎂合金激光熔凝微觀組織4.2 激光表面合金化 國內外在鎂合金表面采用合金化處理的研究較少，主要的研究是利用注人硬質顆粒來提高合金化層的耐磨性。印度的Majurndar J D等利用l0kW連續CO2激光器對MEZ采用Al+Mn，SiC和Al+Al2O3合金粉末進行表面合金化處理，硬度由基體的35HV提高到合金化層的270HV，由于硬質相SiC的存在，同時耐磨性得到了提高。 陳長軍等使用5kW的CO2激光器對表面上預置了Al-Y粉末的ZM5進行了合金化處理，涂層硬度可達到250HV-325HV，而基材的硬度僅為80HV-l00HV。同基材相比，激光處理后的涂層耐蝕性得到顯著提高。 4.3 激光表面熔覆 與激光熔凝、激光合金化相比，國內外對于鎂合金激光熔覆研究相對較活躍，鎂合金激光熔覆主要圍繞提高鎂合金的耐磨和耐蝕性進行。 德國Maiwald T等用Al+Cu，Al+Si和AlSi30合金粉末對AZ91E和NEZ210進行激光熔覆，Al+Si熔覆層的耐蝕性好于Al+Cu熔覆層，AlSi30熔覆層的耐蝕性最好。德國Bakkar A在碳纖維強化的AS41表面上激光熔覆Al-S，粉末，得到了與基休有良好交界區的熔覆層，且熔覆層的耐蝕性提高了。 黃開金等采用3.5kW激光器在AZ9ID表面有效地熔覆了非晶復合粉末Zr-Cu-Ni-Al/TiC，在非晶和金屬間化合物的作用下，熔覆層的硬度由基材的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，同時熔覆層的耐磨性較基材提高了16倍。 通過表面改性來改善鎂合金結構服役性能是一個重要的手段，將會成為鎂合金研究的重要方向之一，但這方面的工作，還遠遠做得不夠，可供實際借鑒的研究更是屈指可數。 5 鎂合金激光加工的進一步研究 鎂合金材料已經引起了世界各國研究與開發的興趣，但是70%左右的鎂合金材料主要以鑄件或壓鑄件的形式被應用，只有10%左右用壓力加工方法加工成厚板、薄板、棒材和型材、鍛件和模鍛件等，因此，開發鎂合金的深加工是必然趨勢。