光辉文献翻译

毕业设计（论文）译文

题目名称：不同含量FAgCuZnCdSn和烧结工艺对金刚

石胎体性能的影响

学院名称：材料与化工学院

班 级：材控092

学 号：[1**********]8

学生姓名：刘光辉

指导教师：史光远 张冠星

2013 年 03月

铜基钎料激光钎焊中激光能量输入模式对接合界面特性的影响

李俐群 封小松 陈彦宾

摘要：在不同的激光加热模式下，可以用CuSi3作为填充金属的钎焊对1mm厚的镀锌钢板的凸缘对接接头进行焊接。这种接头界面的微观结构和元素分析可以用扫描电子显微镜进行研究。研究结果表明：圆形单光束激光光斑加热区没有发现明显界面，而在双光束激光光斑加热发现了层状Fe-Si系金属间化合物层的界面层。随着矩形激光光斑的照射，该接合界面层形成。该层的厚度大于双束钎焊层，而且形状是平坦的，这使得金属间化合物趋向蜂窝状晶体发展。此外，界面层的形状也取决于它在接头上的位置。在高的热输入模式下，树枝状或粒状的金属间化合物分散分布在相邻的接口，这种现象是由基体金属熔化引起的。根据结果，钎焊质量可以通过激光加热模式和过程处理来控制。

关键词：激光钎焊；界面特性；激光能量输入模式；焊接；镀锌铜板

1 引言

镀锌钢板的焊接相当困难，因为存在的Zn涂层具有低的熔点和气化温度。激光钎焊方法的发展提高了焊接效率和接头质量，比如接头强度，孔隙率，焊缝外观和抵抗腐蚀能力。在激光钎焊中，由于快速加热和低的能量输入而获得大的温度梯度。而在基体金属表面短时间存在的熔化的填充金属可在填充材料的润湿性和铺展性上导致一些问题，而且界面上的液体钎焊合金和基体金属会发生反应。

镀锌铜板的钎焊过程常用铜基钎焊合金作为填充金属，包括CuSi3,Cu3Si1Mn和56Cu8Mn26Zn。在金属惰性气体保护焊钎焊CuSi3中，再接合界面会发现Si元素，而且Fe2Si和Fe5Si3等金属间化合物将会在界面形成。Zn-Al系这类具有较低熔点的钎焊合金也常被用来作为填充金属，以保护锌涂层。用铜基钎焊合金可以获得更高的接头强度，但这个过程需要更严格的钎焊参数。提高激光能量输入模式以获得好的表面，并和保护锌涂层相结合以改善钎焊焊缝，这是激光钎焊研究的重点。

在传统的激光钎焊过程中，接头质量完全依赖于过程参数，比如激光能量和钎焊速度。随着激光光束形状技术的发展，在钎焊过程中控制激光能量密度在空间的分布成为可能，这可能提高钎焊质量和扩展焊接条件。在这项研究中，一束二氧化碳激光光束被形成圆形单光光束光斑，双光束光斑和矩形光斑，它提供了不同激光能量密度在空间的分布。在三种激光能量的照射下，钎焊过程完成，而且接口界面特性，表面元素分布和钎焊能量密度之间的关系都被进行了研究。

2 实验

用CuSi3丝作为填充金属。直径为1mm的CuSi3丝填充金属的组合物列于表1

中。

表1 CuSi3填充金属的组成物（质量分数 %）

用热镀锌钢板作为基体金属，薄板的厚度是1mm，锌涂层的厚度是0.75mm。镀锌钢板常在汽车行业被组装成为凸缘对接接头。图1显示了激光钎焊过程的草图

图1 填 丝 激 光 钎 焊

用一个三千瓦的CO2激光板作为钎焊的热源。单光束激光和高斯能量分布是由一个抛物面形的镜子形成的，双光束光斑由一个分离反射镜形成，其中两个激光束的焦点距离是2mm。集成反射镜主要用于获得光斑尺寸为2x4mm的矩形光斑。表2显示了三种模式光束的能量分布草图。

图2 三种激光光束的能量密度分布

（a）单光束光斑 （b）双光束光斑 （c）矩形光斑

3 结果与分析

在填丝激光钎焊中，不同的激光光斑对应不同的能量密度分布和不同的过程参数。实验结果表明激光钎焊过程中，随着激光光束能量的空间分布的变化而呈现不同的性能。因此，通过比较三种激光加热模式，在选择过程参数时，要求钎焊过程稳定，并且可以获得好的钎缝外观。针对接合界面的特性，这三种激光光束的能量密度在空间分布对钎焊过程的影响被进一步研究。

3.1 圆形激光光光斑加热时的接合界面

图3显示了单光束激光照射时的接合界面的扫描电子显微图像，在这些图像中，左侧是钎缝，P表示激光功率，V是钎焊速度。图3（a）表示的是接口观察位置的草图。图3（b）和（c）中，表示位置A在不同加工参数下的接口。图3（d）和（e）中，表示相同接头在不同位置A和B的接口。从图3中可以发现，对于单光束光斑加热，随着热量的增加，没有明显的金属间化合物界面层和界面过渡区宽度的增加。当钎焊热量输入较大时，在接头的上部基体金属开始熔化。在同一时间，接口底部的反应仍是不够的。由此可以得出结论，单光束加热时，硬钎焊的接合界面是不均匀的。

对于低功率的CO2激光束，能量密度在空间的分布通常被认为是高斯分布，这意味着光斑中心和边缘温差较大。和双光束光斑和矩形光斑相比，单光束光斑加热时间较短。在这个过程中，填充金属中的Si元素没有足够的时间扩散到接合界面。而且在接合界面处没有明显的金属间化合物。EDS元素分布结果表明，只有当热量输入很大时才会在接合界面上方出现Si元素。此外，如图3（d）所示，在基体金属稍微开始熔化的时候，在钎缝和相邻接口出现颗粒弥散分布的金属间化合物。

图3.单光束激光钎焊接头界面特性（a）接口观察位置（b）位置A（p=1500w,v=28.3mm/s）（c）位置A（p=1500w,v=20mm/s）（d）位置A（p=2000w,v=16.7mm/s）（e）位置B（p=2000w,v=16.7mm/s）

3.2双光束激光光斑加热时的接合界面

图4和图5显示的是扫描电子显微镜照片和双光束激光班斑加热时接合界面的元素分布，在这些图片中，左侧是基体金属。

图4.双光束激光钎焊的接头特性（p=850w,v=6.7mm/s）（a）接口和EDS的扫描位置（b）元素分布

图5.双光束钎焊接头的界面特性

(a)接口和EDS的扫描位置 (b)界面的元素分布

在图4中可以发现，当激光功率很小的时候会有明显的界面层，新涂层的烧损是不完整的，Zn和Si元素集中在界面上。用双光束光斑照射，热源的长度在钎焊方向上延伸，这意味着该时间内填充金属在高温区增加，而且Si元素可以扩散到界面与Fe元素组合成的金属间化合物。然而，因为热输入在较低的８５０ｗ，在界面处可获得较高的温度梯度。在这种情况下，只有Fe－Si（Cu）的金属间化合物层才可以形成。在接头底部，还发现具有较小厚度的界面层，从而可以在一定程度上提高接头底部组合物的质量。

图５显示的是在较高激光功率下接合界面的特性，可以发现基体金属开始渐渐熔化，由于融熔或溶解的基体金属，Fe元素可以进入钎缝与Si元素发生反应，这就是填充金属中出现金属间化合物的原因。但是在较短的加热时间内，，这些化合物不能生长而且形状是颗粒状的。

3.3矩形光斑加热时的接合界面

和圆形单束光斑相比，矩形光斑的能量密度分布更加均匀，加热面积更大，这时对填充金属和基体金属更为有利。

图6显示了典型的矩形光束钎焊在不同位置的接口特性。在图６中，可以发现，在接头的上部和底部有金属间化合物，在接头的底部，填充金属和基体金属的组合是令人满意的。至于接口层的形状，在位置A，基体金属开始稍微熔化，（图6（b））。在位置B界面层的形状是平坦的，在其上的金属间化合物部分长成熔融的填充金属，而且有形成蜂窝晶体的趋势。这种现象可能是当熔融的填充金属与冷的基体金属接触而产生较大的温度梯度引起的。在固化的初始阶段，由于较大的温度梯度，界面层在位置B层平面生长。随着激光加热的进行，界面处的温度梯度减小，由于Si和Fe的化合物造成填充金属中的Si元素在接合界面缺乏，当Fe元素存在时，Fe－Si系金属间化合物的结晶温度依赖于Si元素浓度的增加，因此，在接口位置B，过冷区出现金属间化合物，其中，Fe－Si系金属间化合物层可以长成熔融的填充金属。然而，由于高的冷却速度，这种增长在填充金属凝固之前是不够的。最后的形状如图6(c)

图6矩形光斑钎焊接头的接口（p=1500w,v=58mm/s）

在接口底部的位置c，填充金属的温度峰值较低，高的温度梯度和冷却速度，界面呈平坦形状生长，而界面层的厚度减小。此外，正如图6（b）和（c）所示，金属间化合物弥散的分布在钎缝的接口，这也被认为是和基体金属的熔化和溶解有关。进行EDS分析得到的位置A和B的组合物在图7中显示，结果在表2中列出

图7 填充金属不同位置的EDS分析

表2：图7中和B的组成成分（质量分数，%）

从表2可以发现，和位置A的情况相比，在位置B，分散的黑色物质富含Fe和Si元素而且它的组合物也认为是Fe－Si系金属间化合物。在接头的上部，金属间化合物的数量很多，但在接头底部很少。此外，在接头上侧，填充金属中的金属间化合物的形状是颗粒状或小的树枝状。这种现象是由于接头上册的填充金属在熔化阶段和化合物生长阶段的时间更长引起的。在接头的底部，填充金属的凝固速度快而且金属间化合物没有时间成长。

4.结论

（1）通过选择激光光斑的能量密度分布，可以控制镀锌钢板在激光钎焊过程中的界面反应。

（2）用圆形单束激光光束加热，在接头的界面处没有明显的金属间化合物层。层状金属间化合物形成于双光束激光钎焊工艺。用矩形光束加热，在平坦的界面层，金属间化合物可以生长成熔融的填充金属，并有形成蜂窝晶体的趋向。

(3)界面反应不仅与钎焊参数有关，而且与接头的位置有关。当加热时间较长的矩形光斑在钎焊方向上作为热源时，界面反应在接头底部可能加强。

（4）用大的热量输入时，颗粒状或小的树突状金属间化合物弥散分布在钎缝相邻的接口，这是由于Fe元素进入钎缝，或者进入熔融或溶解的基体中引起的。 参考文献

[1] HEINRICH H. MIG-brazing of galvanized thin sheets and profiles [J]. Schweissen-Schneiden, 1998, 50(6): E102−E104.

[2] BELKACEM B. Low-heat process enhances joining of coated sheet metals [J]. Welding Journal, 2003, 82(1): 26−30.

[3] BERGMANN J P, WILDEN J, DOLLES M. Working zinc-coated

steels and making steel-aluminium alloy joints using high power lasers-brazing and braze welding

[J]. Welding International, 2006, 20(1): 37−44.

[4] HANEBUTH H, HOFFMANN P, GEIGER M. Laser beam brazing using the twin spot technology [C]// Proceedings of the International Society of Optical Engineer. Vienna, Austria, 1994: 146−153.

[5] FENG Xiao-song, LI Li-qun, CHEN Yan-bin, ZHOU Shan-bao.

Laser brazing with filler wire for galvanized steel sheets [J]. China Welding, 2005, 14(1): 9−14.

[6] YU Zhi-shui, QIAN Yi-yu, WANG Feng-jiang, QI Kai, LI Xiao-

quan. Joint strength and fracture analysis of arc brazing with Cu-base filler metals [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2001, 37(10): 88−92. (in Chinese)

[7] YU Zhi-shui, ZHOU Fang-ming, QI Kai, WU Ming-fang. Fracture behavior analysis of MIG brazed joint with Cu-Based filler metals [J]. Transactions of the China Welding Institution, 2001, 22(6): 29−32. (in Chinese)

[8] LI Rei-feng, YU Zhi-shui, QI Kai. Interfacial structure and joint strengthening in arc brazed galvanized steels with copper based filler [J]. Trans Nonferrous Met Soc China, 2006, 16(2): 397−401.

[9] YU Zhi-shui, LI Rei-feng, QI Kai. Growth behavior of interfacial compounds in galvanized steel joints with CuSi3 filler under arc brazing [J]. Trans Nonferrous Met Soc China, 2006, 16(6): 1391− 1396.

[10] WILDEN J, BERGMANN J P. Low temperature brazing of zinc

coated steel [C]// Brazing, High Temperature Brazing and Diffusion Welding. Aachen, Germany, 2004: 217−222

[11] WILDEN J, BEEFMANN J P, DOLLES M. Use of zinc-alloys for

low temperature soldering of zinc coated steels [C]// Sheet Metal 2005/Proceedings of the 11th International Conference on Sheet Metal. Eriangen-Nuremberg, Germany, 2005: 127−134.

[12] MATHIEU A, SHABADI R, DESCHAMPS A, SUUERY M, MATTEI S, GREVEY D, CICALA E. Dissimilar material joining using laser (aluminum to steel using zinc-based filler wire)

[J]. Optics & Laser Technology, 2007, 39(3): 652−661.

[13] SAIDA K, SONG W, NISHIMOTO K. Laser brazing phenomena of

heat-resistant alloys with brazing filler metals [J]. Materials Science Forum, 2007, 539(4): 4053−4058.

[14] LI L. The advances and characteristics of high-power diode laser materials processing [J]. Optics and Lasers in Engineering, 2000, 34(4/6): 231−253.

[15] LAUKANT H, WALLMANN C, KORTE M, GLATZEL U.

Flux-less joining technique of aluminium with zinc-coated steel sheets by a dual-spot-laser beam

[C]// Sheet Metal 2005/Proceedings of the 11th International Conference on Sheet Metal. Eriangen- Nuremberg, Germany, 2005: 163−170.