硬質合金的焊接工藝現狀與展望

真正

硬質合金是一種以難熔金屬化合物(WC、TaC、TiC、NbC等)為基體，以過渡族金屬(Co，Fe，Ni)為粘結相，通過粉末冶金方法制備的金屬陶瓷工具材料，它具有高強度、高硬度、高彈性模量、耐磨損、耐腐蝕、熱膨脹系數小以及化學性質較為穩定等優點，廣泛應用于
6 z3 i6 J- D3 x2 w; {  n5 @8 @切削工具、耐磨零件、采礦與筑路工程機械等領域【1】。
           硬質合金的材質脆硬、韌性差而且價格高，這些因素使其難以被制成大尺寸、形狀復雜的構件加以應用，而硬質合金與鋼體材質的焊接是彌補其不足的主要方法，合適可靠的焊接技術正在不斷拓展它的應用范圍。因此，欲更好更合理地應用硬質合金，必須了解它的性能特點，根據其用途的不同而選擇合適的焊接工藝。
           1 硬質合金的焊接性
           由于與硬質合金相焊的基體材料一般是碳素鋼，硬質合金與之相比具有較小的熱膨脹系數和較低的熱導率，因此焊接時容易出現以下問題：
           1）焊接裂紋  
           硬質合金的熱膨脹系數較小，一般為鋼的1/2～1/3，硬質合金和鋼材焊后由于不能同步收縮，會在焊縫區形成很高的殘余應力，且在硬質合金上多為拉應力，由此導致硬質合金開裂。焊接應力是釬焊硬質合金時出現裂紋以及接頭低應力斷裂的主要原因【2】。
# l7 Z0 w/ `3 P, B- d+ H           2）焊縫脆化  
           主要是在焊縫區形成M6C 型復合碳化物η相，其中M包含W、Fe 、Co、Ni等元素，主要原因是硬質合金與鋼進行焊接時，硬質合金中的碳向鋼側擴散，使硬質合金中含碳量降低而形成η相【3】。焊縫脆化導致接頭的抗彎強度低。
' ]2 e: B! D/ P' V  \. x           3）氣孔、夾渣及氧化  
           這主要是出現在釬焊接頭中。當加熱溫度過高時，造成釬縫氧化及焊料成分的嚴重燒損；而加熱溫度偏低，則釬料流動性不好，形成虛焊,且焊縫內留有大量氣孔和夾渣，以至嚴重降低焊縫強度【4,5】。
           2 硬質合金的焊接方法與工藝要素
           由于硬質合金與碳素鋼之間的物理性能相差較大，目前釬焊和擴散焊仍然是可行而又實用焊接方法。此外一些新的焊接方法如鎢極惰性氣體保護電弧焊(TIG),電子束焊(EBW)，激光焊(LBW)等也在積極的研究探索之中，將有可能在硬質合金的焊接中得到應用。
% ~) @+ b! ^5 {: x3 U! }           2.1  釬焊
. Z  \) W; S/ {/ {/ W: E           釬焊是一種傳統且廣泛應用的硬質合金焊接方法，它的工藝成熟可靠，依據加熱方式的不同分以下一些工藝方法：
& I& Q& J$ A9 l* Q7 c           1） 火焰釬焊  
           火焰釬焊是用可燃氣體(乙炔、丙烷等)與氧氣或壓縮空氣混合燃燒的火焰作為熱源進行焊接的一種方法。火焰釬焊設備簡單、操作靈活方便，根據工件形狀可用多火焰同時加熱焊接。釬料多采用絲狀或片狀的銅基、銀基釬料，其中HL105錳黃銅釬料應用最為廣泛；釬劑一般采用脫水硼砂。火焰釬焊主要適用于中小尺寸硬質合金刀具、模具和量具的小批量生產，對于大型的硬質合金工具，由于火焰加熱的溫度和速度難以控制，加熱時會產生較大的溫度梯度，容易引發裂紋的產生，因此一般不采用此方法【2,6】。
           2） 電阻釬焊  
( o/ a2 O% {. I* Q; G0 `2 l5 T           電阻釬焊一般可分為直接加熱法和間接加熱法。直接加熱法是將電極置于接頭兩側，使電流經過釬縫面的接觸電阻而發熱，從而完成焊接過程；間接加熱法是將電極置于接頭一側的鋼質母材上，電流通過釬縫一側的母材電阻發熱（或通過發熱元件發熱）來實現釬焊。采用間接加熱法可避免電極與硬質合金接觸，防止硬質合金的過熱和燒損，避免其硬度的降低和開裂。可配用銅基或銀基釬料，常用的有H68、HL105釬料等，其中HL105釬料的抗剪強度較高，對于YT5刀具的焊接，抗剪強度可達28.5GPa ，對于YG8可達到29.7GPa。釬劑一般采用脫水硼砂【7】。

真正

加熱電壓是電阻釬焊的重要參數，要選擇合適的數值以保證合理的發熱升溫速度；其次要保證電極與工件接觸處于良好狀態。加熱過程中要及時排渣，防止釬縫夾雜和氣孔形成而降低強度。使用硼砂釬劑時一定要先經過脫水處理，否則由于結晶水的存在，在焊接過程中結晶水蒸發，在焊接區域內產生大量氣體，既影響了正常排渣，又易在焊縫中產生氣孔【7】。
* h& A4 L; E) t! n* S8 d* G電阻釬焊的操作較為簡單方便，效率比火焰釬焊高，工件表面的氧化較少，但是在加熱過程中易造成工件局部過熱燒損。此外對于復雜形狀的工件、多刃刀具及尺寸很小的工件也不便操作【2】。
           3）感應釬焊   
1 ?/ J8 h; G1 m9 D' T# ~           感應加熱釬焊的優點是加熱迅速，釬料液化過程短，并可以在各種氣氛(空氣、保護氣體、真空)下進行，能減輕硬質合金過熱和氧化，有利于提高焊接質量；該方法的缺點是設備較復雜、一次性投資較大，其次是感應電流的趨表效應，當釬焊大厚工件時，加熱溫度不均勻，難于保證釬焊質量，且效率也低，故一般只適用于釬焊結構型式簡單（最好是軸類細長型）的小尺寸焊件【2】。
           感應釬焊的工藝參數一般包括釬縫間隙、加熱速度、冷卻速度、感應圈形狀尺寸、釬料釬劑的加入方式等因素。這些因素必須有一個合適的組配范圍，因素的波動會對焊縫質量造成不良影響，尤其是在硬質合金中產生較大的焊接應力。
           釬縫間隙值是確保釬焊質量的重要參數。通常認為釬縫越小,焊接應力越大,反之亦然。釬縫間隙過小時,會發生“擠死”和“釬不透”,使接頭強度下降和焊接應力增加；而間隙過大,毛細作用減弱,也會導致“釬不透”,使接頭強度下降。因而大小適中的釬縫間隙對減小焊接應力和增強焊縫牢度有很大的作用【8】。
  Q* j/ f5 J1 l4 [5 |7 l/ S2 O0 u           加熱和冷卻速度對釬頭焊接質量有很大影響。加熱速度太快,合金中會產生較大的應力； 加熱太慢,則高溫停留時間長,這雖然能使液態釬料的潤濕和擴散更完善,但會造成合金的氧化燒損。通常加熱以不超過100℃/ s為宜。冷卻速度太快,合金中會產生很大的收縮應力；冷卻速度太慢,雖然能減小焊接應力,但對鋼體材質的淬火不利，故一般以60℃/s為宜【8】。
6 ]4 y. v, V) b* H5 ~! r2 U! e% \感應圈是感應加熱設備的重要元件,交流電源的能量是通過它傳遞給焊件而實現加熱的,因此,感應圈的結構是否合理對于釬焊質量和生產率有很大影響。正確設計和選用感應圈的原則是: 感應圈應有與焊件相適應的外形, 盡量減少感應圈本身和焊件之間的無用間隙,間隙最好不大于2～3 mm，以便提高加熱效率。為了使焊件加熱平穩、均勻，防止焊件尖角處發生局部過熱,應當合理選擇感應圈的匝數和感應電流的交變頻率等參數。
           4）爐中釬焊  
$ h- ]" a, ]& F% }: J           將裝配好的工件放在電阻絲發熱的加熱爐中進行加熱釬焊的方法稱之為爐中釬焊,其特點是工件整體加熱，加熱均勻、工件變形小。不足之處是加熱速度慢、效率低。但對于批量生產，一爐可以同時釬焊多個接頭及焊件，以此可以彌補加效率低的不足【9】。爐中釬焊的加熱氣氛有以下幾種：
           a）空氣爐  
           由于焊件在空氣中加熱時工件容易氧化，且升溫速度較慢，不利于釬劑去除氧化膜，故應用受到一定的限制，目前已逐漸被保護氣氛爐中釬焊和真空爐中釬焊所代替【9】。
           b) 保護氣氛爐
. _. f4 j; M. B( ^# A- C2 }+ F! Y           根據保護氣氛的不同，可以分為還原氣體和惰性氣體爐中釬焊【9】。還原性氣體一般用H2或CO，不僅能避免工件在加熱過程的氧化，還能還原工件表面的氧化膜，有助于釬料的潤濕；惰性氣體一般用Ar、N2和He等，對氣體純度的要求較高，一般要在99.99％以上，在氣體入爐前還要經過脫水(硅膠、濃硫酸)脫氧(海綿鈦)裝置。工件通常應放在容器內，在流動的氣體中進行加熱釬焊。用惰性氣體比用還原性氣體的安全性要高。加熱溫度、保溫時間及冷卻速度是主要的工藝參數。加熱溫度高于900℃時，硬質合金的硬度會有明顯降低。保溫時間過長時也會引起硬質合金的硬度降低。焊后應緩慢冷卻，以防止開裂【10-12】。
' `; X9 l8 v! K! z4 R6 Z           c) 真空爐
           真空釬焊是基于在真空中加熱時金屬及其氧化物產生蒸發，破壞其表面氧化膜，從而達到去膜效果的。在真空條件下，有一些金屬可在低于熔點的溫度下便發生顯著蒸發，也有一些金屬氧化物會發生揮發。金屬，特別是金屬氧化物的蒸發能有效地破壞表面氧化膜，使真空條件下的無釬劑釬焊成為可能。對于以TiC為硬質相的YW類硬質合金來說，采用Ag－Cu－Zn系合金作為釬料，在真空爐中釬焊是一種比較好的方法，因為焊接過程中Zn的揮發能使Cu的擴散能力增強，從而使焊縫強度升高【13】。
           真空釬焊的優點是可防止被焊金屬、硬質合金及釬料與氧、氫、氮等氣體介質發生反應而產生不良影響，并且由于釬焊組裝件在真空爐中升溫、降溫緩慢，從而可大大降低溫度梯度，有利于減少釬焊應力，獲得高質量的釬焊質量，在焊接大件及形狀較復雜的硬質合金時采用真空釬焊技術尤為有利。由于金屬及其氧化物的蒸發是隨著周圍氣壓的降低及溫度升高而加劇的【14】，因此真空釬焊的爐內真空度、加熱溫度及保溫時間是影響釬焊質量的主要因素，正確選擇這些參數對釬焊質量至關重要。
7 d" B' W$ B5 J( N' e' T( ~* H           加熱溫度的選擇應參照所用釬料的實際熔點，在空氣中加熱一般比熔點高10～30℃。而在真空釬焊時，由于傳熱的滯后效應，也為了提高釬料的流動性，加熱溫度應比空氣中略高一些【14】；對于同樣尺寸的焊件，真空釬焊時的保溫時間應比空氣爐中的適當延長。如果時間太短，則釬料與被焊母材之間來不及形成足夠的冶金結合，還可能由于加熱不均勻而造成“虛焊”。相反，如果保溫時間過長，則有可能導致釬料嚴重燒損蒸發，從而導致焊縫強度降低【14】。
# |1 z+ y3 t9 S1 H  b+ g/ j. O' H) t           真空度的選擇與被焊件材質及所用釬料的成分、性質有關，同時也與釬焊溫度有關，一般應在10－3Mpa 以上，以便獲得良好的去膜效果。釬料中的Zn、Ag在真空狀態下顯著蒸發的溫度較低，為避免釬料中的這類元素蒸發，在接近焊料熔化溫度時，可停止抽真空。此外，對于一定材質的焊件及所用釬料，可由確定的加熱溫度來反推所需的爐內真空度【14】。

真正

5）激光釬焊  
           激光作為一種新型的焊接熱源，具有加熱速度快、熱影響區窄、焊后變形及殘余應力小等特點，特別是在減弱接頭熔合區脆化方面，具有獨特的優點。這使其有可能應用于硬質合金的焊接【15】。據相關文獻報道，可采取激光的“深熔焊”和“熱導焊”模式進行硬質合金的釬焊，用純Cu、Ag－Cu合金作為釬料。相關的工藝參數主要有激光功率、焊接速度、焦點位置、填充層厚度等【15-17】。由于硬質合金與釬料之間的熔點相差很大, 在焊接中要嚴格控制工藝參數, 既使釬料在瞬時內充分熔化, 以浸潤硬質合金, 又能將硬質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釬料所潤濕, 形成理想的釬焊接頭【16】。
/ K" h. s/ d* h0 H3 Z  f- ]. Z* T           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域, 硬質合金瞬間可達很高溫度, 并與釬料中的Cu發生劇烈的“親合”作用，還容易發生釬料的蒸發和過度燒損，使表面出現嚴重的凹陷現象【15】，因此必須通過適當調整工藝參數來減少釬料的燒損。另外由于硬質合金中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以疏松的狀態存在, 此時的硬質合金將不能保持原有的致密燒結組織和性能, 導致接頭不可避免地出現一些裂紋、氣孔等缺陷【17】。
2 K6 e+ J) C8 F( @           在“熱導焊”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迅速向下傳導，使其完全熔化，從而浸潤硬質合金。這種方式較易獲得沒有凹陷的完整釬焊接頭【15】。
          在激光釬焊過程中, 由于熱過程極短，一般只存在硬質合金中的Co向液態釬料的溶解和短距離擴散，而釬料中的Cu則基本上未向硬質合金擴散，因而兩者之間的冶金結合不夠充分,這會直接降低接頭的剪切強度。由于Ni與硬質合金中的Co物理化學性質相似, 能夠與硬質合金很好地親和, 同時又能夠與Cu無限互溶, 因而為了改善釬料與硬質合金的冶金結合, 提高接頭質量, 可采用預先在硬質合金釬焊面上電鍍Ni的方法加以改善【17】。
           2.2  擴散焊
           真空擴散焊和熱等靜壓擴散焊可應用于硬質合金的焊接。在真空擴散焊接中，影響接頭質量的因素很多，如材料成分，被焊表面質量、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中實施應用。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】。
           由于Co和Ni具有相同的晶體結構類型和相近的點陣常數，兩者之間能夠無限互溶而形成連續固溶體，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復合片硬質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】。
* r8 ^% e+ d3 w0 g2 {: z# G; _           真空擴散焊對焊件的尺寸和形狀有限制，一般只適用于軸向對接式的簡單復合工件，應用范圍有很大的局限性。隨著對復雜形狀大型硬質合金復合構件應用要求的增多，例如軋輥、導輥等，由于被焊面大，焊件形狀復雜，構件工況條件苛刻，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】。
           熱等靜壓擴散焊的工藝參數主要是溫度、壓力、時間、中間層材料及其厚度。焊接的主要問題是殘余應力，因為硬質合金與鋼擴散形成大面積連接后，會因熱膨脹系數的失配而產生很大的殘余應力，特別是在硬質合金表面產生過大的殘余拉應力，它是導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力，提高接頭強度【21】。
0 y+ Z2 C0 S) j  Y" m' _9 ]           2.3  鎢極惰性氣體保護電弧焊
; V, G) ^& ~+ i9 l8 p, B           TIG焊作為一種連接硬質合金與鋼的新方法，目前還處于試驗階段。在焊接硬質合金時，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合金一側易形成有害的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，嚴重影響了焊接接頭的韌性。在焊接YG30與45鋼的試驗中，當大塊η相存在時，接頭的抗彎強度為0.960GPa；當接頭沒有η相時，彎曲強度可達1.341GPa【22】。
           填充金屬中的Fe元素促進η相的形成，Fe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】。
' q' }: k) Y: U4 r4 S5 q5 @- y           2.4  電子束焊
1 a7 R3 q1 N( e% m  R           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、規范參數調節范圍廣等優點，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，采用預熱、低電流、慢速度的焊接規范，可獲得界面結合良好的接頭，但接頭的顯微組織中有η相生成，并且分布于焊縫靠YG30一側的熔合區，在界面處聚集長大，主要原因是焊接過程中硬質合金中的C熔入焊縫以及焊縫中的Fe向硬質合金中遷移造成的【24】。
, M+ l) n- U' o: _           3  硬質合金焊接技術的展望
8 v. Y- [$ W8 l8 r, o8 e$ c* I3 p4 o           中國目前是世界上最大的硬質合金生產與消費國。隨著我國工業化與現代化進程的加快，硬質合金在工業領域的應用會越來越廣泛，而焊接作為連接硬質合金與鋼基金屬的一種重要方法，它將在廣闊開發硬質合金的應用中發揮越來越重要的作用。
# F2 v; y1 d- M& j& M           由于硬質合金的高熔點及和基體金屬的物理性能相差較大，傳統的釬焊技術仍將是連接硬質合金與鋼基金屬的主要方法，其中應用最普遍的仍將是火焰釬焊和感應釬焊。釬焊的可操作性較強，可以針對不同的生產要求和使用場合選擇不同的加熱（釬焊）方法，也就是可根據構件的材質和型式尺寸，靈活選用不同的熱源、釬料及去膜方式等，實現接頭質量、生產效率和成本的協調。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，這些問題應在研制新型釬料、設計適當的接頭型式及釬縫間隙、選定更加合理的加熱工藝參數等方面開展進一步的試驗探索。
           擴散焊也是連接硬質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脆性相形成、改善接頭區的組織結構和減少殘余應力仍是要研究解決的主要問題。此外，擴散焊的設備投資大、生產效率低和成本高等因素極大地限制了它的推廣應用。
8 u7 M: Q. ~0 ^- W, ]           近年來在硬質合金焊接技術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”成分引入到了硬質合金的焊接中，拓展了人們僅局限于用傳統釬焊方法焊接硬質合金的視野，而且這些新方法的成功應用，必將大有希望提高硬質合金與鋼基金屬焊接接頭的強度及耐溫能力，進一步開發硬質合金在高端工業產品中的應用。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：硬質合金的焊接冶金學理論、填充焊絲的合金成分設計、熔合區的η相的形成與控制、焊接裂紋及變形的控制等。
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東海fyh126

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kkaa123

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生命的軌跡

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