在綜述國(guó)內(nèi)外鎂合金激光切割、激光焊接、激光表面改性等技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)鎂合金的激光加工技術(shù)進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：激光切割az31b鎂合金，切縫窄細(xì)平直，垂直度為0.05mm，切面波紋小且分布規(guī)律，熱影響區(qū)不明顯；激光焊接鎂合金，焊縫成形好，氣孔少，熱影響區(qū)??；az31b鎂合金激光熔凝處理后，晶粒得到細(xì)化，硬度和耐磨性都得到進(jìn)步。
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(qiáng)度、比剛度、導(dǎo)熱性、可切削加工性和可回收性，被稱為21世紀(jì)的“綠色”工程材料。近年來，鎂合金材料在各種機(jī)殼、“陸?？?rdquo;交通運(yùn)載工具、國(guó)防產(chǎn)業(yè)等方面獲得了廣泛的應(yīng)用，隨著鎂的提煉及深加工技術(shù)的發(fā)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，在范圍內(nèi)得到快速發(fā)展。
本文在綜述國(guó)內(nèi)外鎂合金激光切割、激光焊接、激光表面改性等技術(shù)的基礎(chǔ)上，對(duì)鎂合金的激光加工技術(shù)進(jìn)行了研究。
1激光與鎂臺(tái)金材料的作用機(jī)理
鎂合金材料的激光加工是基于光熱效應(yīng)的熱加工，條件是激光被鎂合金材料吸收并轉(zhuǎn)化為熱能。從原子結(jié)構(gòu)理論分析，激光對(duì)金屬材料的作用是高頻電磁場(chǎng)對(duì)物質(zhì)中自由電子的作用，材料中的自由電子在激光誘導(dǎo)作用下發(fā)生高頻振動(dòng)，通過韌致輻射，部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ㄏ蛲廨椛?，其余轉(zhuǎn)化為電子的均勻動(dòng)能，再通過電子與晶格之間的馳豫過程轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?br>不同材料對(duì)于不同波長(zhǎng)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為進(jìn)射激光的波長(zhǎng)；為金屬材料的導(dǎo)電率。
從式（1）可以看出，被加工材料一定時(shí)，激光的波長(zhǎng)越短，材料對(duì)激光的吸收越多。金屬中的大量自由電子由于集膚效應(yīng)的作用，阻礙激光能量深進(jìn)材料內(nèi)部，使之大部分被反射掉，所以一般材料對(duì)co2氣體激光（λ=10.6μm）的吸收比對(duì)yag固體激光（λ=1.06μm）的吸收低。當(dāng)激光波長(zhǎng)為一恒定值時(shí)，材料對(duì)該激光束吸收率的大小取決于材料的導(dǎo)電率，導(dǎo)電率越大，材料對(duì)激光的吸收越少。所以，鎂合金材料對(duì)激光的吸收比一般金屬材料對(duì)激光的吸收要低．這是對(duì)鎂合金材料進(jìn)行激光加工的難點(diǎn)之一。
2鎂合金的激光切割技術(shù)
切割是鎂合金材料深加工的首要環(huán)節(jié)，良好的切割質(zhì)量是材料深加工的保證。與傳統(tǒng)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(chǎn)效率。目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)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(duì)4mm厚az31b鎂合金板材進(jìn)行了切割工藝研究。激光切縫窄細(xì)，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(guī)露。熱影響區(qū)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，切縫的下表面有稍微的氧化現(xiàn)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(jié)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(duì)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1az31b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(shù)
鎂合金的焊接性能不好，是制約鎂合金應(yīng)用的技術(shù)瓶預(yù)之一。相比傳統(tǒng)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(diǎn)。鎂合金激光焊接技術(shù)的研究處于起步階段，國(guó)內(nèi)外對(duì)鎂合金的激光焊接研究主要集中在鎂合金的連續(xù)co2激光焊接和固體脈沖yag激光焊接兩個(gè)領(lǐng)域。
德國(guó)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(qū)小且無品粒明顯長(zhǎng)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(huì)導(dǎo)致加工表面功率密度降低，問時(shí)焊接形式從小孔聚焦轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠志劢梗瑉ui后為熱傳導(dǎo)模式。
激光復(fù)合熱源焊接作為新型焊接技術(shù)日益受到關(guān)注，宋剛等用400w固體脈沖yag激光加旁軸式tig作為焊接復(fù)合熱源，成功焊接2.5mm厚az31b鎂合金板材，復(fù)合焊接的熔深可達(dá)tig單獨(dú)焊接的2倍、激光單獨(dú)焊接的4倍，且焊縫與母材抗拉強(qiáng)度（240mpa）相當(dāng)。為了進(jìn)步鎂合金材料在焊接過程中對(duì)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(duì)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(xì)粉末在激光作用初期增加了對(duì)激光能量的吸收。
我們已經(jīng)進(jìn)行了鎂合金薄板的激光焊接和激光復(fù)合焊接，目前正在研究中厚板的激光焊接，為工程實(shí)踐提供理論支持。
4鎂合金的激光表面改性技術(shù)
隨著激光表面改性技術(shù)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(yīng)用越來越受到國(guó)內(nèi)外研究者的重視。激光表面改性技術(shù)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(xì)化、顯微偏析減少、天生非平衡相，進(jìn)而引起表面強(qiáng)化，使合金表面耐磨性增加。
巴基斯坦的ghazanfarabbas等利用1.5kw的半導(dǎo)體激光器對(duì)az31和az61鎂合金進(jìn)行表面熔凝處理，az31的硬度由基體的65hv進(jìn)步到熔凝層的120hv,az61的硬度由基體的70hv進(jìn)步到熔凝層的140hv，且磨損量都降低了一半，進(jìn)步了其耐磨性。
高亞麗等用800w的co2激光器對(duì)az91hp鎂合金進(jìn)行了激光表面熔凝處理。與原始鎂合金相比，熔凝層的硬度約進(jìn)步90%左右，耐磨性進(jìn)步78%，耐蝕性明顯進(jìn)步。這是枝晶細(xì)化和熔凝層中相對(duì)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(shù)，微觀組織見圖2，可以看出，熔凝區(qū)晶粒比母材明顯小很多。
圖2az31b鎂合金激光熔凝微觀組織
4.2激光表面合金化
國(guó)內(nèi)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(zhì)顆粒來進(jìn)步合金化層的耐磨性。
印度的majurndarjd等利用l0kw連續(xù)co2激光器對(duì)mez采用al+mn，sic和al+al2o3合金粉末進(jìn)行表面合金化處理，硬度由基體的35hv進(jìn)步到合金化層的270hv，由于硬質(zhì)相sic的存在，同時(shí)耐磨性得到了進(jìn)步。
陳長(zhǎng)軍等使用5kw的co2激光器對(duì)表面上預(yù)置了al-y粉末的zm5進(jìn)行了合金化處理，涂層硬度可達(dá)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明顯進(jìn)步。
4.3激光表面熔覆
與激光熔凝、激光合金化相比，國(guó)內(nèi)外對(duì)于鎂合金激光熔覆研究相對(duì)較活躍，鎂合金激光熔覆主要圍繞進(jìn)步鎂合金的耐磨和耐蝕性進(jìn)行。
德國(guó)maiwaldt等用al+cu，al+si和alsi30合金粉末對(duì)az91e和nez210進(jìn)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。德國(guó)bakkara在碳纖維強(qiáng)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(qū)的熔覆層，且熔覆層的耐蝕性進(jìn)步了。
黃開金等采用3.5kw激光器在az9id表面有效地熔覆了非晶復(fù)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進(jìn)步到850hv0.1左右，硬度進(jìn)步了7倍左右，加人tic后，硬度更是進(jìn)步了9倍左右，同時(shí)熔覆層的耐磨性較基材進(jìn)步了16倍。
通過表面改性來改善鎂合金結(jié)構(gòu)服役性能是一個(gè)重要的手段，將會(huì)成為鎂合金研究的重要方向之一，但這方面的工作，還遠(yuǎn)遠(yuǎn)做得不夠，可供實(shí)際鑒戒的研究更是。
5鎂合金激光加工的進(jìn)一步研究
鎂合金材料已經(jīng)引起了世界各國(guó)研究與開發(fā)的愛好，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(yīng)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(fā)鎂合金的深加工是必然趨勢(shì)。