激光熔覆焊接青铜器文物研究.pdf

·280 文物保护与科技考古 激光熔覆焊接青铜器文物研究 叶心适，张津生，刘林西，陈静，甄刚，靳华强 (西安文物保护修复中心，西安) 摘妻：本文论述了搬光熔覆焊接青铜器的原理和焊接系统的组成；结合甘肃秦安县博物馆馆藏提 粱卣的激光熔覆焊接修复实例．说明了激光熔覆焊接修复青铜器文物的应用前景。 美键词：擞光熔覆青铜嚣 1激光熔覆焊接用于青铜器修复的特点 我国出土的青铜文物经常有断裂缺陷，而大多裂缝都有残缺或结合不紧密的现象。对于裂 缝有残缺的青铜文物，采用一般激光焊接方法，焊缝处易出现凹坑和塌陷。激光熔覆具有能量 密度大、加热速度快、工件变形小等许多突出优点。特别应注意的是，实施激光熔覆焊接工艺 时，在激光光斑作用在青铜文物裂纹处的同时，向激光光斑处送人青铜粉末。如果裂纹处有残 缺，熔化的青铜粉末就可以填补残缺部分。这一特点尤其适用于断裂和残缺青铜器文物的局部 焊接和修复。 2激光熔覆焊接青铜器的原理 激光熔覆的过程是激光束照射在基体材料的表面的同时向激光光斑处送入金属粉末，激光 能量被粉末和基体材料吸收变成热能，从而使粉末和基体表面熔化形成熔覆层。对于断裂青铜 器文物，如果裂缝结合紧密，采取激光热传导焊或深熔焊，可以获得满意的修复效果。但是我 国出土的青铜文物大多裂缝都有残缺或结合不紧密。特别应注意的是，实施激光熔覆焊接工艺 时，能在激光光斑作用在青铜文物裂缝处的同时，向激光光斑处送人青铜粉末。如果裂缝处有 残缺，熔化的青铜粉末就可以填补残缺部分。这一特点尤其适用于断裂和残缺青铜器文物的局 部焊接和修复。激光熔覆焊接法利用激光束与材料相互作用时的快速熔化和凝固过程，可以在 材料内部得到细小、均匀、致密的组织，消除成分偏析的不利影响，从而提高材料的力学和耐 腐蚀性能。利用激光熔覆的这一特点可以保证青铜器文物修复质量，以满足展出的要求和提高 观赏价值。 激光熔覆焊接青铜器工艺的关键是在激光束与焊接对象作用时，将特定的金属粉末连续、稳 定的送入激光束作用的区域。根据粉末送进方向与激光束辐射方向之间的关系，同步送粉方式 主要有两种，即同轴送粉法及侧向送粉法。前者指激光束与粉末同轴运动的送粉系统，粉末沿 一圆锥面以环行落下，激光束位于该圆锥面的中心轴线，送粉状态稳定。因而激光熔覆层各点 的粉末堆积厚度和形状得到控制，焊接精度得到保证。另外，由于同轴送粉方式中粉末流的外 围有一层与粉末运动方向平行的惰性气体流，在激光熔池的附近形成一个惰性气体保护气氛，因 此焊缝的氧化现象得到了较大改善。侧向送粉采用和激光束成一定夹角的方式把金属粉送人熔 敦光捌}覆期L|羹-11铜署歧物研究 ·281· 池，粉末流周围有惰性气体保护。侧向送粉 的喷嘴夹角以及和激光束的相对位置调整方 便。侧向送粉装置具有结构简单、不受激光 ． 头结构限制、可调性好等优点。 3激光熔覆焊接青铜器系统(见图1) 首先介绍一下激光熔覆焊接系统的各个 组成部分以及它们各自对激光熔覆工艺的影 响。对激光熔覆焊接系统而言，以下三部分 系统是必备的： 激光器(YAG激光器、CO：激光器、光 纤激光器等)和光路系统：产生并传导激光 ●●_-一v 束到焊接区域； 田1激光熔覆焊接青铜嚣系统示意圈 …耋竺复警控机床：按照程序进行运动得蒜瓮主未冀：差瓣篙嚣钺‘ 到所需的形状； 送粉系统(送粉器、粉末传输通道和喷嘴)：将粉末传输到熔池。 除上述必备的装置外，还可配有以下辅助装置： 气氛控制系统：保证加工区域的气氛达到一定的要求，该系统能够保证送进到液态熔池的 金属粉末不被氧化或烧损； 监控与反馈控制系统：对熔覆过程进行实时监测，并根据监测结果对熔覆过程进行反馈控制。 3．1激光器 激光器是激光熔覆焊接系统的一个核心部分，其性能将直接影响到文物的修复效果。目前 较为常用的主要是YAG激光器和CO：激光器，其能量范围从百瓦级到万瓦级不等。一般而言， 激光束的能量越大，所产生的熔池面积就越大，粉末堆积速率就可以越大，但是，熔池面积和 粉末堆积速率的增大必然导致修复后文物表面质量的降低。激光熔覆焊接青铜器研究所