CN1792545A - 激光冲击焊接制备梯度材料的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及梯度材料制备领域，特指一种基于激光冲击波技术和粉末冶金技术的梯度材料制备方法和装置，尤其适合大面积大厚度梯度材料的批量生产。本方法包括：制片、焊接、固溶三个步骤，其特征在于在片材焊接中利用激光冲击波作为冲击焊接成形的力源，利用激光参数的可控性实现精密焊接成形。且焊接装置由激光发生器及导光系统、激光发生器控制装置、吸收层材料和工件夹具系统构成，工件夹具系统包括片材、夹具、工作台及工作台控制装置。由于激光参数精确可控，因此材料焊接界面强度和结合深度易于控制，从而保证了梯度材料的质量。
Description
技术领域：
本发明涉及梯度材料制备领域，特指一种基于激光冲击波技术和粉末冶金技术的激光冲击焊接制备梯度材料的方法和装置，尤其适用于大面积大厚度梯度材料的批量生产。
背景技术：
常见的梯度材料制备方法有气相沉积法、自燃烧合成法、等离子喷涂法、薄膜积层法、离心铸造法、粉末冶金法等。气相沉积法主要用于制备薄膜梯度材料，其主要的缺点是不能制备大厚度的块材，设备要求高，且合成速度低。自燃烧合成法能够制备大体积的梯度材料，但制得的功能梯度材料孔隙率较大，机械强度较低。等离子喷涂法可以方便的控制粉末成分的组成，沉积效率高，比较容易得到大面积的块材。但得到的功能梯度材料孔隙率高，层间结合力低，容易剥落，材料强度不高。薄膜积层法比较适合于制备密度梯度材料，制得的材料孔隙率比较高，材料的机械性能偏低。离心铸造法能制备高致密度、大尺寸的梯度材料，但不能制备高熔点的陶瓷系功能梯度材料。粉末冶金法是梯度材料制备技术中最简单实用的一种方法.其基本过程是将金属、陶瓷、晶须等颗粒状原料沿梯度方向分成若干层，每层都具有依需要而事先确定的组分配比，然后按一般电子陶瓷制备工艺，经压制后烧结而成.层的厚度愈薄，组分分布就愈逼近一条曲线，同时由于烧结的扩散输运作用，这些界面亦变得更加模糊.这种工艺比较适合制备大体积的材料。其主要缺点是工序比较复杂。制得的梯度材料有一定的孔隙率。
本发明最为接近的技术是粉末冶金法制备梯度材料技术，粉末冶金法将分层铺好的粉末压制成形，然后进行烧结、固溶使梯度阶跃的分层边界模糊化得到一维梯度功能材料，该法一方面分层铺粉时层的厚度控制较难，另一方面由于是由粉末直接压制成形，而干粉很难压得很致密，因此不可避免的具有较大的孔隙率。
发明内容：
本发明的目的是要提供一种激光冲击焊接制备梯度材料的方法和装置，尤其适用于大厚度梯度材料的批量生产。
本发明将梯度材料的制备分为三步：制片、焊接、固溶，其中制片是根据厚度方向的梯度要求将梯度材料分层，按各层中的成分平均含量进行混粉、压坯、烧结、轧制；而固溶则是把焊接好的块状梯度材料毛坯放入加热炉内在一定温度下保温一段时间，毛坯中的材料组分通过焊接边界相互扩散，使层间阶跃的梯度变得柔和形成渐变的梯度从而得到理想的梯度材料，其特征在于在片材焊接中利用激光冲击波作为冲击焊接成形的力源，利用激光参数的可控性实现精密焊接成形。
实施该方法的装置包括压坯装置、轧制装置和电阻炉，其特征在于设有激光冲击焊接装置，其由激光发生器控制装置、激光发生器、吸收层材料和工件夹具系统依次连接组成，工件夹具系统由片材、夹具以及放置片材的工作台及工作台控制装置依次组成。
其中吸收层是根据焊接强度要求混合能量转换体和炸药配置而成。
首先按照某一成分递增(或递减)的顺序将片材逐层相叠，层间留有一定空隙，然后通过夹具将相叠的片材安装到工作台上，在最外层片材表面涂布含炸药的吸收层材料。由激光发生器控制装置控制激光发生器产生预定参数的激光脉冲，激光束照射到最外层片材表面的吸收层材料上，诱导产生冲击波和爆轰波，片材在冲击波作用下相互撞击形成焊点，通过工作台控制装置控制工作台带动片材按预定轨迹移动，可采取逐片焊接或多片焊接。
本发明的实施过程如下：
1.根据需要的梯度材料的梯度要求制片，制片包含混粉、压制、烧结、轧片四步。混粉：根据梯度材料中某种成分A的梯度将整块梯度材料平均划分成N层，每层厚度为d，计算每一层中该组分的平均含量。根据计算结果，按每层中成分A的平均含量将成分A和基材粉末混合，制得N份按成分A含量递增(或递减)的混合粉末。压制：将混合粉末在压坯装置上压实成N块坯料。烧结：将压实的坯料放入电阻炉烧结，烧结的目的是增强材料的结合力，便于轧制。轧制：把烧结后的坯料在轧制装置上轧制成厚度为d的薄片。
2.根据片材之间焊接强度要求，将选定的炸药和激光能量转换体混合制成的吸收层材料。
3.按照成分A递增(或递减)的顺序将片材相叠，片与片之间保留适当距离，在最外层片材上涂布(或粘贴)吸收层材料。
4.根据焊接强度要求调整激光能量和光斑直径。激光发生器产生的激光脉冲照射到吸收层表面使吸收层汽化产生冲击波，而激光的热效应和冲击波效应又引起吸收层中的炸药爆炸产生爆轰波，在冲击波和爆轰波共同作用下，片材高速抛飞，相互撞击，使碰撞点材料发生溅射从而焊接起来。利用工作台控制装置控制片材按一定轨迹移动，逐点焊接直至整个片材全部焊接在一起。根据激光能量大小和炸药含量不同可采取逐片焊接或多片焊接，最终使N层片材按成分A递增(或递减)的顺序全部焊接在一起。
5.把焊接好的材料放入电阻炉，加热到适当温度进行固溶，使焊接界面两边的成分互相渗透、扩散，形成柔和的梯度。
本发明采用焊接固溶方法，烧结后的坯料经过压制既使材料变得更致密，减小了孔隙率，又使片材的厚度变得容易控制，而冲击焊接在层间形成的溅射又使不同梯度的两层材料进行混合，再加上最后的固溶，使层间梯度阶跃变得极其微弱，从而形成梯度变化和缓的梯度材料。克服了粉末冶金法制备梯度材料的孔隙率大，层间梯度有跃变的缺点，而且能够制备大面积和大厚度的梯度材料，特别适宜批量生产。
附图说明：
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图1为本发明提出的梯度材料制备工艺流程图。
图2为本发明提出的激光冲击焊接装置示意图。
图3为梯度材料中成分梯度示意图，虚线为理想梯度，折线为分层后每层中两种成分的平均含量，曲线使本方法制备的梯度材料可以达到的实际梯度。
1.激光发生器控制装置2.激光发生器3.激光束4.吸收层材料5.片材6.夹具7.工作台8.工作台控制装置9.数字控制装置10.计算机
具体实施方式：
下面结合附图详细说明本发明提出的具体装置的细节和工作情况。
用本方法制备梯度材料的装置包括压坯装置、轧制装置、激光冲击焊接装置和电阻炉。其核心装置为激光冲击焊接装置，是由激光发生器(2)、激光发生器控制装置(1)、吸收层材料(4)和工件夹具系统构成，工件夹具系统包括片材(5)、夹具(6)、工作台(7)及工作台控制装置(8)。
片材(5)逐层相叠，层间留有一定空隙，然后通过夹具(6)将相叠的片材安装到工作台上(7)，在最外层片材表面涂布含炸药的吸收层材料(4)。由激光发生器控制装置(1)控制激光发生器(2)产生预定参数的激光脉冲(3)，激光束(3)照射到最外层片材(5)表面的吸收层材料(4)上，诱导产生冲击波和爆轰波，片材(5)在冲击波作用下相互撞击形成焊点，通过工作台控制装置(8)控制工作台(7)带动片材按预定轨迹移动，逐点焊接。
按不同配比混合的粉末经压坯、烧结后的坯材内部孔隙较多，组织不致密，直接用于制备梯度材料将影响材料的性能，因此增加一道轧制工序，一方面使材料密实，另一方面提高薄片厚度的尺寸精度。
在焊接工序中，通过激光发生器控制装置调节激光脉冲的能量和光斑直接，与要求的焊接强度(或片材结合界面溅射区厚度)相适应。激光束经导光系统照射到粘贴在外层片材表面的吸收层材料上，使吸收层材料汽化、电离产生冲击波，同时激光的热效应和冲击波效应又使吸收层中的炸药发生爆炸产生爆轰波，二者共同作用使片材高速抛飞，相互撞击，在撞击点的材料产生溅射从而使相互撞击的片材形成焊接，工件在工作台控制装置的控制下按一定工件运动，逐点焊接，直到片材所有区域全部焊接好为止。根据激光能量和炸药含量不同可采取逐片焊接或多片焊接，直至N层片材全部按其中一种成分A含量递增(或递减)的次序焊接在一起。
焊接后的材料在结合界面区域内由于材料的溅射相互包覆，两种成分混合不均匀，故而采用固溶方法使两种成分通过结合界面相互渗透、扩散，达到组分混合均匀并形成一定梯度的目的。最后整块材料在厚度方向形成如图3中曲线所示的梯度。
本方法在焊接时由于采用激光冲击波和炸药爆轰波作为压力焊接的力源，基于已制好的吸收层材料，通过改变激光能量和光斑直径，即可控制冲击波的峰压和作用时间，因此片材焊接界面的包覆深度和焊接强度精确可控，以适应不同梯度材料的加工要求。
Claims (4)
1.激光冲击焊接制备梯度材料的方法，分为三步：制片、焊接、固溶，其中制片是根据厚度方向的梯度要求将梯度材料分层，按各层中的成分平均含量进行混粉、压坯、烧结、轧制；固溶是把焊接好的块状梯度材料毛坯放入加热炉内在一定温度下保温一段时间，毛坯中的材料组分通过焊接边界相互扩散，使层间阶跃的梯度变得柔和形成渐变的梯度从而得到理想的梯度材料，其特征是在片材焊接中利用激光冲击波作为冲击焊接成形的力源，利用激光参数的可控性实现精密焊接成形。
2.根据权利要求1所述的激光冲击焊接制备梯度材料的方法，其特征在于首先按照某一成分递增或递减的顺序将片材逐层相叠，层间留有一定空隙，然后通过夹具将相叠的片材安装到工作台上，在最外层片材表面涂布含炸药的吸收层材料。由激光发生器控制装置控制激光发生器产生预定参数的激光脉冲，激光束照射到最外层片材表面的吸收层材料上，诱导产生冲击波和爆轰波，片材在冲击波作用下相互撞击形成焊点，通过工作台控制装置控制工作台带动片材按预定轨迹移动，可采取逐片焊接或多片焊接。
3.实现权利要求1所述的激光冲击焊接制备梯度材料的方法的装置，包括压坯装置、轧制装置和电阻炉，其特征在于设有激光冲击焊接装置，其由激光发生器控制装置(1)、激光发生器(2)、吸收层材料(4)和工件夹具系统依次连接组成，工件夹具系统由片材(5)、夹具(6)以及放置片材的工作台(7)及工作台控制装置(8)依次组成。
4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于激光冲击焊接时的吸收层材料(4)为能量转换体和炸药的混合物。
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