金刚石锯片的激光焊接

第21卷 第6期 1999年 12月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal ofUniversity ofScience andTechnologyB ing 、Ⅻ ．21 No．6 Dec．1999 6D一 6 金刚石锯片的激光焊接 夏锦华” 殷 声” 叶宏煜 胡恩良 ● P ‘ _ ， 。 ‘ 。 ’ - ， - — ‘ 。 。 。 。 一 1)北京科技大学材料科学与工程学院 ，北京 10~083 2)深圳森选超硬材料有限公司 丁弓7／ 摘 要 研究了激光焊接工艺参数对垒刚石锯片焊接质量和焊缝成分组织及性能的影响．结果表 明，激光功率、焊速、离焦量等对焊接质量有影响．焊缝组织~a-Fe和) e,Nj)固溶相组成． 关键词 堕：堡芝：逛 苎 分类号TF124 8 )If括 量 80年代末金刚石锯片的激光焊接在国外开 始应用，该法克服了传统焊接方法的一些缺点， 例如承受机械载荷的能力差等 ’．本文的研究目 的在于探索金刚石锯片激光焊接工艺与焊接质 量的关系，为这一新技术在金刚石制品的应用中 提拱依据． 1实验方法 将锯齿胎体粉末和过渡层粉末装入石墨模 具热压，热压温度为900℃，压力19．6 MPa，时间 10 min，锯齿胎体成分(质量分数)为45％6·6·3青 铜，30％钴，10％碳化钨，15％镍，锯片铜基为40Cr． 采用对接方式焊接钢基和锯齿．本实验使用5kW 横流连续C 激光器．采用扫描电镜、x射线衍射 分析和显微硬度对焊接接头进行了分析，并测试 了纯胎体材料及焊接接头的抗弯强度． 2结果与讨论 2．1影响焊接质量的工艺参数 (1)锯齿材料．为了试验胎体材料与钢基焊接 的可行性，实验中用激光束直接对接焊接胎体材 料与40Cr钢基体．SEM观察表明，焊接熔台线处 存在裂纹，焊缝强度低． 出现裂纹的原因是钢基与胎体材料的热性 质相差较大，即“冶金相容性”差 ．为了改善其焊 接性，在锯齿底部设置了铁镍基过渡层．镍与铁 在液态和固态都能无限互溶，镍还起到一定程度 的强化作用．实验 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 设有过渡层的锯齿与40Cr 1999-03—24收穑 夏锦华 男，29岁，工程师 铜基对接焊接具有良好的焊接性． (2)光束质量．光束质量影响焊接深度和形 状．在相同的条件下，光束模式不同则焊缝深度 与形状明显不同：图l照片是在一定工艺条件下， 光束模式对焊缝的影响：图1(a)是高阶模焊接结 果，焊缝宽且不均匀，这是高阶模光束能量分布 不均匀造成的：图1(b)是低阶模焊接结果，焊缝 窄且平直均匀． 围 1光束模式对焊缝的影响．(且)高阶模式：【b)低阶模式 (3)激光功率．在实验条件下，激光功率与熔 深的关系曲线示于图2、由图可见，随着功率增 加，熔深也随之增加，且在侧吹气体的条件下能 获得更大的熔深． 维普资讯 http://www.cqvip.com v0l01 No．6 夏锦华等：金刚石锯片的激光焊接 ·561· 3·O 2．0 嫩 肇 l O 0 WTkW 圈2熔深与激光功率的关系 (4)焊接速度．激光深穿透焊时，焊速因小孔 效应而受到限制．实验发现，功率一定时，稳定的 小孔对应于一定的焊速范围，焊速过快，小孔不 稳定甚至不能形成；焊速过慢，小孔瘫塌，过低的 焊速还会导致热能输入过大，焊缝组织、性能恶 化甚至出现宏观裂纹 ．图3是在试验条件下，焊 缝深度、宽度与焊速的关系．熔深、缝宽均随焊速 的增加而减少，当焊速大于 15m s时，焊缝深宽 比大于 1． E 嫩 鎏 粥 焊速／ram-s 圈3焊缱深度、宽度与焊速的关系 (5)离焦量．试验发现，离焦量也影响焊接深 度．离焦量是指光束焦点平面与被照射工件表面 的距离．当焦点面位于工件表面之上时，为下离 焦；反之为负离焦．图4是在一定条件下，熔深与 离焦量的关系曲线． 、 3．0 ＼ ／ l r 2 0＼一 } ’1_O 。 0．7 — 2．5 —2．0 —1．5 —1．0 —0．5 0 0．5 1．0 离焦量／mm 图4焊接熔深与离焦量的关系 当离焦量为一1．0 mm时，可获得最大焊接深 度．试验中还发现，焊速的变化对摄佳离焦量影 响不大，就焦距和功率而言，焦距越短，功率越 大，则离焦量也应随之增大． (6)等离子体的控制．等离子体能反射、折射 和吸收入射的激光束，对激光束起着屏蔽作用， 使激光束损失能量，也使熔深下降 本试验采用 侧吹Ar气的方法来控制等离子体，见图5． 等离子体控制对焊接熔深的影响，试验了侧 吹气流量、侧吹喷嘴角度和喷嘴孔径． a一倒吠角度 J — 侧 岍 向D 激光度l f删 畎嘴j 管 ＼ — -、 ～ ’ I 径 图5等离子体控制示意图 (7)光束偏移量．金刚石锯片的激光焊接，要 求焊接时光束不是直接作用于对接缝处，而是偏 向钢基一侧，即光束偏移量．试验表明，焊缝中的 气孔量对光束偏移量十分敏感，合适的偏移量可 以减少焊缝中的气孔． 假设焊缝中过渡层所占体积为 ，孔隙度为 口．钢基所占体积为 ，其孔隙度为0．焊接时熔 池中既无外来气体卷入，也无内部气体逸出，焊 后焊缝气孔率为0 ，则： = ． 从式中可以看出，随着 减小， 增大(即光 束偏向钢基侧)，则 减小，即焊缝气孔率下降． 2．2焊缝的成分组织及性能 在较佳工艺条件下，焊缝化学成分见表 1． 表 1焊缝成分(平均值) 元素 Ni Cr C Fe w／％ 3．44 0．67 0．12 余量 x线衍射分析表明，焊缝由n-Fe和 Fe，Ni) 固溶体体组成，没有出现金属问化合物和金属碳 化物 一Fe的测量 d值与标准 d值存在差别，可以 推断 Fe实际上是含有一定量碳原子的固熔体． 焊缝组织由焊缝成分和冷却速度等因素决 定．激光焊接时焊缝成分不均匀性决定了其组织 维普资讯 http://www.cqvip.com ·562· 北 京 科 技 大 学 学 报 1999年 第6期 有不均匀性．极快的冷却会使组织细化，有助于提 高焊缝性能．图6是典型的焊缝组织，即板条马氏 体与先共析铁素体的混台组织． 图6 典型的焊缝组织 焊接接头的显微硬度，见图7．焊接接头硬度 0 7 09 1．3 l 7 l 9 2．1 2．3 2 5 距离／ram 图7焊接接头的显撤硬度 的变化与组织有关．焊缝区(3区)为马氏体和少 量铁素体，硬度较高；钢基侧热影区(4区)为马 氏体组织，碳含量高，表现出最高的硬度；锯齿 侧热影区(2区)主要是铁素体组织，硬度最低． 抗弯强度试样尺寸为20．0mmx8．0mmx2．0 mm．胎体材料和焊接接头的抗弯强度分别为 704．0MPa和821．0~qIPa．焊接接头的抗弯强度于 母材强度． 3结论 (1)锯齿材料对金刚石锯片激光焊接质量有 很大影响，在锯齿待焊处设置过渡层可改善胎 体材料与钢基的焊接性． (2)激光功率、焊速、离焦量及等离子体控制 等工艺参数影响焊接深度，光束应偏向钢基一 侧． (3)焊缝的典型组织为细小板条马氏体与铁 素体的混合组织，主要 a~--Fe和 Fe，Ni)固溶 体两相组成． (4)在合适的工艺条件下，焊接接头的抗弯 强度高于锯齿材料强度． 参 考 文 献 1 Webber G．Lair Welding ofDiamond Tools．1ndus~al Diamond Review,1991(3)：126 2 何康生．曹雄夫．异种金属的焊接性．北京t机械工业出 版社，1986 3 NovakovicB．ADiam ondBladeforDrySawing．Indutral Daimond Review,1983(1)：220 Laser Welding of Diamond Saw Blade X／a Jinhua M sheng~ t~eHong)me Hu Enlian~ 1)Materials Science andEngineering SchooI,USTBeijlng,Beijing100083，China 2)Shengxhen ShenDaSuperhardM~fia[Co．Ln ABSTRACT It was studied that the effects oftechnological parameters on laser welding quality ofdiam ond saw bhde and on the composition。mlcrostrure,propertles ofwelded sea／l1．The results showed that satisfactory welding quality dependends onthepower,velocity，laser body oflaserwelding，andit consists ofa-Feandy- e,Ni)composite． KEY WORDS diamond；saw blode；laser welding 维普资讯 http://www.cqvip.com