激光焊接金刚石锯片工艺分析

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欢迎访问e展厅 展厅 5 刀具相关产品展厅 刀柄, 刀具管理系统, 成型刀具, 复合刀具, 非标刀具, ... 金刚石锯片广泛应用于石材加工、建筑施工、高速公路和飞机场跑道等领域的切割或切缝。金刚石锯片是在钢材刀体上焊接一些由金刚石颗粒与粘结金属烧结在一起的刀头，其焊接属于不同材料、不同组织之间的异种金属焊接，焊接的关键在于其结合强度的高低。传统焊接方法是烧结焊及钎焊，此两种方法焊接焊缝的结合强度（尤其是高温时）不够高，锯切过程中易发生刀头飞崩伤人等事故，锯片的安全可靠性不好。激光焊接的金刚石锯片是中、小型金刚石锯片的发展方向。激光焊接使金刚石锯片的结合强度大大增加，能最大限度地满足其各种需要，焊接工艺先进、可靠，取代传统的中、小直径金刚石锯片焊接片势在必行。激光焊接系统示意图如图1所示。激光束由激光器窗口输出之后，经一与光束成45°的反射镜垂直折射后，进入透射式聚焦系统，成为一极细的光斑照射到被焊工件上。下面对激光焊接金刚石锯片工艺进行分析，以供石材加工工具制造厂商借鉴和参考。 1 焊接过渡层材料 金刚石锯片由钢基体和圆弧形刀头两部分组成。钢基体以碳钢和合金钢为主，但适用于激光焊接金刚石锯片的基体材料一般应选用高强度特种低碳合金钢，传统的40Cr和45钢因基体强度不够容易变形而不主张使用；传统的65Mn高碳钢因在激光焊接基体热影响区部位容易产生大量的高脆性针状马氏体也不主张使用。刀头为铜基、铁基、镍基、钴基、钨基和铝基粉末掺金刚石热压烧结成型。如何将二者可靠地焊接在一起，是激光焊接金刚石锯片工艺的关键技术之一。为了避免刀头中金刚石颗粒在激光焊接高温下石墨化（人造金刚石的碳化温度为740℃-838℃）和因刀头与钢基体的热膨胀相差过大而产生焊接裂纹，通常需要在刀头内侧设置一层无金刚石颗粒的过渡层（见图2），其厚度在1.0mm-2.0mm范围内，其中过渡层与刀头则是通过冷压成型+热压烧结工艺连接在一起。激光焊接时，过渡层与钢基体焊接在一起，因此，刀头过渡层材料的选取将严重影响激光焊接金刚石锯片的外观和焊缝强度。根据激光焊接金刚石锯片使用性能与生产工艺要求，激光焊接刀头过渡层须满足下列要求：够高的焊接强度、良好的焊缝质量、合理的配方组分最优的烧结温度和低廉的成本。目前选作刀头过渡层材料成分的元素可分为单元素（Co,Ni），双元素（如FeCo,FeNi,CoNi,FeCu）和3元素（如FeCoNi,FeCoCu）3种情况，但过渡层中不能含有熔点金属如锡等元素，原因在于这些元素容易蒸发汽化而产生气孔，但可加入少量的起固溶强化、增加磨性和减少焊接气孔作用的Mn和Cr元素。大量实际配方表明：Co作为过渡层材料成分十分有利的，因为钢基体和钴基材料之间能形成和Fe的无限固溶体，实现钢基体与过渡层之间良好冶金结合，但因价格因素则必须设法减少或降低其用量，这也是过渡层材料配方研究的主要目标。 2 焊接工艺 金刚石锯片的激光焊接属于不同厚度的异种材料焊接，影响其焊接质量的因素很多，包括焊前准备、激光光束质量、激光功率、焊接速度、焦点位置、激光束偏移量、激光束的入射角、保护气体流量等，而目前有关这方面的研究应该说是比较成熟的。 2.1 光束质量 目前国内外激光焊接金刚石锯片所用激光器主要为1000-5000W的C02激光器。其模式多为基模、准基模或者低阶模。评价光束质量通常以光束模式来表征，光束模次越高，发散角越大，光束质量越差。就焊接而言，光束质量主要影响焊缝熔深和形状，在相同条件下，模式不同，则焊接深度明显不同；光束模式对焊缝形状也有影响，高阶模式焊接焊缝较宽且不均匀，这是由于高阶模（TEM00）的光束能量分布不均匀引起的；低阶模（TEM01）焊接，焊缝较细且平直均匀。因此，应采用基模或低阶模，若模次偏高，则难以满足焊接质量的要求。 2.2 功率 激光功率是影响焊接的最重要因素，一定的功率对应一定的功率密度，决定一定的熔深。产生小孔效应、进行深熔焊接的前提是聚焦激光焦斑有足够高的功率密度。根据激光功率密度的大小，激光焊接有两种方式：（1）热传导焊，（2）深熔穿透焊。功率密度较低时（<106W/cm2），材料表面熔化，焊缝很浅（<0.5mm），焊接时不产生等离子体，这就是热传导焊。功率密度大于106W/cm2,则被焊金属急剧气化，形成匙状深孔，出现等离子体，从而实现激光深穿透焊接，此时熔深急剧增加。随着激光功率的增加，焊缝深度也随之增加，功率大于0.7kW时，焊接方式由热传导焊向深穿透焊过渡。 2.3 焊接速度 激光深穿透焊时，焊速因小孔效应而受到限制。当激光功率一定时，焊接速度决定了焊接深度，进而影响焊接强度。焊接速度过快，一方面熔深浅，另一方面熔池中的气体来不及逸出，焊缝中就存在大量气孔，有效承载面积减小，焊接强度降低；焊接速度过慢，一方面过渡层烧损严重，另一方面热影响区增大，组织粗化严重，也使焊接强度降低。在保证焊接深度的前提下，应该选择高的焊接速度，以提高生产效率，降低成本。另外，过低的焊速会导致热能输入过大（J=P/V,式中，J一输入热能，P-激光功率，V-焊速），焊缝的组织和性能恶化，甚至会出现宏观裂纹。熔深、缝宽随焊速的增加而减小，当焊速大于15mm/s时，焊缝深宽比大于1,适当提高焊速，可以提高深宽比。 2.4 离焦量 激光束的焦斑功率密度并不等于作用于工件的光斑功率密度，后者还取决于焦斑平面与件表面的相对位置（离焦量），此位置对激光焊接过程有显着的影响。离焦量严重影响金刚石锯片的焊接熔深。大量的研究结果表明，激光焊接金刚石锯片时，一般采用负离焦，且离焦量约为板厚的1/3,此时获得的熔深最大。由于激光焊接金刚石锯片属于小孔效应焊接机制，而小孔的形成常伴有明显的声、光特征，若未形成小孔，则焊接火苗是橘红色或白色；若形成小孔，则焊接火苗为蓝色，并伴有爆炸声，故常据此确定和调整离焦量。 2.5 惰性保护气体 激光焊接金刚石锯片时需要使用惰性保护气体，其作用有：避免焊件的氧化；保护聚焦透镜，避免受到金属蒸汽污染和熔化液滴的溅射；吹散激光焊接过程中可能产生的等离子体。有关惰性保护气体涉及保护气体种类选择、流量大小控制、吹气方式3个问题。根据焊接质量和气体成本的要求，一般选用氢气。气体流量大小的控制与喷嘴口径、喷嘴与工件距离有关。气流量太小，起不到保护作用，焊缝氧化严重，呈脆性；气流量太大，一方面周围的空气反而被裹进焊接熔池，焊缝照样氧化严重，另一方面，大的气流量会吹翻焊接熔池，使得焊接过程的稳定性被破坏，焊缝成型性差，焊接强度降低。实际中常采用侧吹氢气的方法来吹散等离子体。 2.6 激光束偏移量与激光束入射角 金刚石锯片的激光对焊焊接的是厚度不同的两种材料，属于角焊，因此光斑横向位置（偏移量）及激光入射方向对焊接质量有较大影响。激光焊接金刚石锯片时，由于刀头比基体厚（见图4，其中为光束倾斜的角度，△为激光束的偏移量，h为离焦量，s为工件厚度），以及刀头过渡层的粉末材料特性（因过渡层不可避免存在孔隙，且极易吸收空气中水分而产生焊接气孔），因此要求激光束偏向基体一侧，并保持一定的偏移量，同时也要倾斜一定角度，以获得最佳角焊效果。大量的研究结果表明：焊缝中的气孔量与激光束偏移量密切相关，合适的偏移量可以减少焊缝中的气孔，从而提高焊接强度。偏移量太大焊缝外观很漂亮，但刀头过渡层未焊上或焊得很少，实为虚焊；偏移量太小，气孔多，影响外观质量，也降低焊接强度。另外，角焊时，为避免发生激光束垂直入射时，光束被凸起的过渡层遮挡，激光束需要倾斜射向焊接部位。总之，只有在合适的入射角和偏移量下，钢基体材料首先熔化，然后依靠熔化的钢基体材料再加热熔化刀头过渡层材料，由于过渡层中的钻和钢基中的铁可形成无限固溶体，因此钢基体就可与刀头过渡层形成良好的冶金结合。目前激光束偏移量的合适值为0.1mm-0.3mm；激光入射角的合适值则为5°-15°。 3 焊件检测 对于激光焊接的金刚石锯片而言，需要进行外观、显微组织和焊接强度等参量的检测。外观检测主要检测是否存在焊接宏观缺陷如孔洞裂纹、咬边和未焊透等，通常需要进行100%的检测，显观组织检测主要检测焊接部位的化学成分、显观组织和相结构的变化，研究表明，熔化区组织细小化学成分出现梯度扩散、过渡层硬度比基体低，比刀头高，呈现梯度变化。焊接强度检测主要检测焊件的拉仲强度、弯曲强度、冲击韧性和残余应力等，通常需要进行100%的焊接强度检测，而且国内外都发展了不同的专门检测工具，如德国的SPE623焊接强度检测机和中国的扭力扳手目前对于焊件的残余应力检测基本未涉及，而焊接后的残余应力大小及分布严重影响金刚石锯片的使用寿命。 4 结束语 光束质量对金刚石锯片激光焊接的表观质量有很大影响，采用TEM01以下的低阶模较合适。激光功率、焊接速度、离焦量及等离子体的控制等工艺参数影响焊接熔深。在合适的工艺条件下，可以一次焊透厚2.4mm的40Cr钢板，焊缝宽度为0.8-1.2mm,深度比为1.7-3.0mm.光束偏移量是偏片激光焊接的一个重要工艺参数。锯片焊接时应将光束偏向据片钢基一侧。目前，激光焊接金刚石锯片工艺还存在一些问题，需要我们进行更进一步的研究，开展专用激光焊接金刚石锯片胎体或过渡层材料配方的研究、开展新型超细或纳米预合金粉末的研究、开展激光焊接金刚石锯片的机理研究，特别是开展激光焊接金刚石锯片过程中的温度场、流场、质场和应力场的研究和开展激光焊接金刚石锯片过程的在线质量监测技术的研究。事实上，只有全面理解了激光焊接金刚石锯片的机理，才可能据此开发出新的在线质量监测技术；只有掌握了预合金粉末的理论，才可能开发出新型超细或纳米预合金粉末以及更好地利用新型超细或纳米预合金粉末开发出专用的金刚石锯片。

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