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(chēng)為21世紀(jì)的“綠色”工程材料。近年來(lái)，鎂合金材料在各種機(jī)殼、“陸海空”交通運(yùn)載工具、國(guó)防工業(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(lèi)金屬材料，在全球范圍內(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，前提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(guò)韌致輻射，部分振動(dòng)能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶挪ㄏ蛲廨椛洌溆噢D(zhuǎn)化為電子的平均動(dòng)能，再通過(guò)電子與晶格之間的馳豫過(guò)程轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/SPAN>
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為入射激光的波長(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，阻礙激光能量深入材料內(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(jiàn)。
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，切縫的下表面有輕微的氧化現(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。
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(wú)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(guò)程中激光功率過(guò)高或過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致加工表面功率密度降低，問(wèn)時(shí)焊接形式從小孔聚焦轉(zhuǎn)變?yōu)椴糠志劢?，最后為熱傳?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，首次成功焊接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)。為了提高鎂合金材料在焊接過(guò)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(guò)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(lái)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、生成非平衡相，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Ghazanfar Abbas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(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，熔凝層的硬度約提高90%左右，耐磨性提高78%，耐蝕性顯著提高。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(jiàn)圖2，可以看出，熔凝區(qū)晶粒比母材明顯小很多。
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(lái)提高合金化層的耐磨性。印度的Majurndar J D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提高到合金化層的270HV，由于硬質(zhì)相SiC的存在，同時(shí)耐磨性得到了提高。
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(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提高鎂合金的耐磨和耐蝕性進(jìn)行。
德國(guó)Maiwald T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熔覆層的耐蝕性最好。德國(guó)Bakkar A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，且熔覆層的耐蝕性提高了。
黃開(kāi)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(shí)熔覆層的耐磨性較基材提高了16倍。
通過(guò)表面改性來(lái)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)際借鑒的研究更是屈指可數(shù)。
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(kāi)發(fā)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(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(kāi)發(fā)鎂合金的深加工是必然趨勢(shì)。
