5)激光釬焊 2 P& b7 S4 T' l' d& \8 H) t
激光作為一種新型的焊接熱源,具有加熱速度快、熱影響區(qū)窄、焊后變形及殘余應(yīng)力小等特點,特別是在減弱接頭熔合區(qū)脆化方面,具有獨特的優(yōu)點。這使其有可能應(yīng)用于硬質(zhì)合金的焊接【15】。據(jù)相關(guān)文獻報道,可采取激光的“深熔焊”和“熱導(dǎo)焊”模式進行硬質(zhì)合金的釬焊,用純Cu、Ag-Cu合金作為釬料。相關(guān)的工藝參數(shù)主要有激光功率、焊接速度、焦點位置、填充層厚度等【15-17】。由于硬質(zhì)合金與釬料之間的熔點相差很大, 在焊接中要嚴(yán)格控制工藝參數(shù), 既使釬料在瞬時內(nèi)充分熔化, 以浸潤硬質(zhì)合金, 又能將硬質(zhì)合金基體加熱到較高的溫度而不致熔化, 使其能夠更好地被液態(tài)釬料所潤濕, 形成理想的釬焊接頭【16】。! }+ N/ q6 I7 h+ u$ \
在激光“深熔焊”過程中, 激光功率密度很高,在激光直接作用的區(qū)域, 硬質(zhì)合金瞬間可達很高溫度, 并與釬料中的Cu發(fā)生劇烈的“親合”作用,還容易發(fā)生釬料的蒸發(fā)和過度燒損,使表面出現(xiàn)嚴(yán)重的凹陷現(xiàn)象【15】,因此必須通過適當(dāng)調(diào)整工藝參數(shù)來減少釬料的燒損。另外由于硬質(zhì)合金中Co的含量一般都很低, 在激光“深熔焊”的高溫作用下極易逸失, 而使WC以疏松的狀態(tài)存在, 此時的硬質(zhì)合金將不能保持原有的致密燒結(jié)組織和性能, 導(dǎo)致接頭不可避免地出現(xiàn)一些裂紋、氣孔等缺陷【17】。' E) M9 o: o- C9 c; `0 k
在“熱導(dǎo)焊”過程中,激光束直接作用在釬料上,需采用表面涂料來提高釬料對激光的吸收率。另外,為了使釬料在瞬間盡量多地吸收激光能而熔化,應(yīng)采用小直徑光斑【15】。焊接時,激光束的大部分能量被釬料吸收,吸收的能量在極短的時間內(nèi)迅速向下傳導(dǎo),使其完全熔化,從而浸潤硬質(zhì)合金。這種方式較易獲得沒有凹陷的完整釬焊接頭【15】。
' [* f/ r4 f# _: L7 Z 在激光釬焊過程中, 由于熱過程極短,一般只存在硬質(zhì)合金中的Co向液態(tài)釬料的溶解和短距離擴散,而釬料中的Cu則基本上未向硬質(zhì)合金擴散,因而兩者之間的冶金結(jié)合不夠充分,這會直接降低接頭的剪切強度。由于Ni與硬質(zhì)合金中的Co物理化學(xué)性質(zhì)相似, 能夠與硬質(zhì)合金很好地親和, 同時又能夠與Cu無限互溶, 因而為了改善釬料與硬質(zhì)合金的冶金結(jié)合, 提高接頭質(zhì)量, 可采用預(yù)先在硬質(zhì)合金釬焊面上電鍍Ni的方法加以改善【17】。
/ L! n, o0 c& r 2.2 擴散焊" N: |1 K1 m! Q5 j: |2 J
真空擴散焊和熱等靜壓擴散焊可應(yīng)用于硬質(zhì)合金的焊接。在真空擴散焊接中,影響接頭質(zhì)量的因素很多,如材料成分,被焊表面質(zhì)量、真空度、中間夾層材料以及加熱和冷卻速度等,但最主要的因素是溫度、壓力和時間【18】。焊接壓力的增加對縮短焊接時間、提高生產(chǎn)率尤為重要;焊縫的剪切強度一般會隨焊接時間的增加而提高,因為焊接時間延長可使被焊表面上的顯微凸點大多消失,明顯增加接觸面積,原子的擴散較為充分,焊合率可得到明顯提高。焊接時間的進一步延長對低壓力擴散焊的接頭強度仍是有益的【19】,但過長的時間難以在生產(chǎn)中實施應(yīng)用。焊接壓力和時間的合理搭配可以通過正交試驗法來選定【18,19】。) C! p. ~( [- s$ q& m9 F5 A
由于Co和Ni具有相同的晶體結(jié)構(gòu)類型和相近的點陣常數(shù),兩者之間能夠無限互溶而形成連續(xù)固溶體,因此焊接過程中一般選取Ni為中間層。低溫擴散焊接頭強度主要受到兩個微觀因素的影響,即Ni/WC-Co界面上的相互擴散程度和是否形成脆性相。要使接頭強度達到使用要求,一般必須使Ni在WC-Co中的擴散達到一定深度。例如對于以Ni為中間層的PDC復(fù)合片硬質(zhì)合金刀桿擴散焊接頭來說,要使剪切強度達400MPa以上,至少要保證Ni在WC-Co中的擴散距離大于10μm。對于脆性相來說,只要不偏聚在相界、晶界等處,一般不會影響接頭強度。以純Ni作為中間層可以大大減少η相的形成【20】。( ^0 S# p+ U J+ b" x% `
真空擴散焊對焊件的尺寸和形狀有限制,一般只適用于軸向?qū)邮降暮唵螐?fù)合工件,應(yīng)用范圍有很大的局限性。隨著對復(fù)雜形狀大型硬質(zhì)合金復(fù)合構(gòu)件應(yīng)用要求的增多,例如軋輥、導(dǎo)輥等,由于被焊面大,焊件形狀復(fù)雜,構(gòu)件工況條件苛刻,一般的釬焊和真空擴散焊難以滿足要求,而采用熱等靜壓擴散焊工藝是解決此類問題的最佳途徑【21】。
6 [1 s( X0 l1 m4 L+ J0 p 熱等靜壓擴散焊的工藝參數(shù)主要是溫度、壓力、時間、中間層材料及其厚度。焊接的主要問題是殘余應(yīng)力,因為硬質(zhì)合金與鋼擴散形成大面積連接后,會因熱膨脹系數(shù)的失配而產(chǎn)生很大的殘余應(yīng)力,特別是在硬質(zhì)合金表面產(chǎn)生過大的殘余拉應(yīng)力,它是導(dǎo)致接頭低載荷斷裂的主要因素。采用Ni作中間層可有效地減少殘余應(yīng)力,提高接頭強度【21】。
. c5 C" P0 M! w7 j! a 2.3 鎢極惰性氣體保護電弧焊$ F0 |$ Q* {: E6 m: h% m
TIG焊作為一種連接硬質(zhì)合金與鋼的新方法,目前還處于試驗階段。在焊接硬質(zhì)合金時,一般采取Ni-Fe合金、純Ni、Co-Fe合金和Ni-Fe-C合金作為填充金屬。焊接過程中的主要問題是在焊縫界面處硬質(zhì)合金一側(cè)易形成有害的η相。這些η相主要是由于在焊接過程中C向焊縫金屬中擴散,而Fe向WC中擴散形成。大塊η相的存在是焊接接頭的抗彎強度低下的原因,嚴(yán)重影響了焊接接頭的韌性。在焊接YG30與45鋼的試驗中,當(dāng)大塊η相存在時,接頭的抗彎強度為0.960GPa;當(dāng)接頭沒有η相時,彎曲強度可達1.341GPa【22】。
7 Y5 U! `3 M+ d# N% \% w6 t 填充金屬中的Fe元素促進η相的形成,F(xiàn)e元素含量增加,易形成大塊η相,并在界面聚集分布;而Ni元素抑制η相的形成,在熱影響區(qū)形成彌散分布的細小η相【23】。用Ni-Fe合金焊絲焊接所得焊縫硬度略高于純Ni焊絲焊接所得焊縫硬度【3】。
" z1 l/ i F& a3 d 2.4 電子束焊
* s2 M5 `( e( b3 f- V 電子束作為焊接熱源具有加熱功率密度大、焊后變形小、焊縫深寬比大、規(guī)范參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣等優(yōu)點,并且由于焊接熱過程極短,能在一定程度上控制元素的擴散,抑制硬質(zhì)合金與鋼界面形成有害的η相,使接頭具有一定的抗彎強度,所以它有可能作為一種焊接硬質(zhì)合金的新方法。有研究表明,在焊接YG30與45鋼的試驗中,采用預(yù)熱、低電流、慢速度的焊接規(guī)范,可獲得界面結(jié)合良好的接頭,但接頭的顯微組織中有η相生成,并且分布于焊縫靠YG30一側(cè)的熔合區(qū),在界面處聚集長大,主要原因是焊接過程中硬質(zhì)合金中的C熔入焊縫以及焊縫中的Fe向硬質(zhì)合金中遷移造成的【24】。3 M; d* @# h9 _7 G7 z
3 硬質(zhì)合金焊接技術(shù)的展望
8 ]7 W: C( `0 P7 q 中國目前是世界上最大的硬質(zhì)合金生產(chǎn)與消費國。隨著我國工業(yè)化與現(xiàn)代化進程的加快,硬質(zhì)合金在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用會越來越廣泛,而焊接作為連接硬質(zhì)合金與鋼基金屬的一種重要方法,它將在廣闊開發(fā)硬質(zhì)合金的應(yīng)用中發(fā)揮越來越重要的作用。( A: Y5 M( ^+ l7 M7 s# C# H$ |( G
由于硬質(zhì)合金的高熔點及和基體金屬的物理性能相差較大,傳統(tǒng)的釬焊技術(shù)仍將是連接硬質(zhì)合金與鋼基金屬的主要方法,其中應(yīng)用最普遍的仍將是火焰釬焊和感應(yīng)釬焊。釬焊的可操作性較強,可以針對不同的生產(chǎn)要求和使用場合選擇不同的加熱(釬焊)方法,也就是可根據(jù)構(gòu)件的材質(zhì)和型式尺寸,靈活選用不同的熱源、釬料及去膜方式等,實現(xiàn)接頭質(zhì)量、生產(chǎn)效率和成本的協(xié)調(diào)。然而對于普通釬焊工藝來說,其接頭強度和耐溫程度都不高,如何提高釬焊接頭的常溫和高溫承載能力(尤其是服役于復(fù)雜高強載荷下的礦山工程機械)是有待研究解決的主要問題,這些問題應(yīng)在研制新型釬料、設(shè)計適當(dāng)?shù)慕宇^型式及釬縫間隙、選定更加合理的加熱工藝參數(shù)等方面開展進一步的試驗探索。* h4 W0 y$ |0 G) C2 S- X
擴散焊也是連接硬質(zhì)合金與鋼基金屬的一種比較可靠的焊接方法,它的接頭強度和耐溫程度一般比較高,但如何抑制接頭擴散區(qū)脆性相形成、改善接頭區(qū)的組織結(jié)構(gòu)和減少殘余應(yīng)力仍是要研究解決的主要問題。此外,擴散焊的設(shè)備投資大、生產(chǎn)效率低和成本高等因素極大地限制了它的推廣應(yīng)用。* _# v0 h+ N2 a: i& O5 @' p e5 v7 w
近年來在硬質(zhì)合金焊接技術(shù)方面開展的激光釬焊、電子束焊和TIG焊等新工藝試驗研究,將“熔焊”成分引入到了硬質(zhì)合金的焊接中,拓展了人們僅局限于用傳統(tǒng)釬焊方法焊接硬質(zhì)合金的視野,而且這些新方法的成功應(yīng)用,必將大有希望提高硬質(zhì)合金與鋼基金屬焊接接頭的強度及耐溫能力,進一步開發(fā)硬質(zhì)合金在高端工業(yè)產(chǎn)品中的應(yīng)用。然而,這些方法目前還處于試驗室研究階段,其中還有很多問題有待探索和研究解決,包括:硬質(zhì)合金的焊接冶金學(xué)理論、填充焊絲的合金成分設(shè)計、熔合區(qū)的η相的形成與控制、焊接裂紋及變形的控制等。
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