5)激光釬焊 / A. ~1 M8 I9 I2 }
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】。7 Z4 l% j2 [2 n5 i& S$ J' i8 H
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】。* Q/ _; g; V- u _
2.2 擴散焊- d* @4 Y Y" e
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】。4 b! s/ q6 k7 ]0 v$ `, [
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】。, r/ ] S2 q- ^7 [, J$ E5 @
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】。$ y6 O* f9 |: ?1 a( ?
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。; c) i2 I3 p! b- {
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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