金刚石锯片焊接技术的研究

2002．3(129) · 27 · 金刚石锯片焊接技术的研究 450052 郑州机械研究所 龙伟民 朱 坤 乔培新 耿桂华 100084 清华大学 曾大本 王海滨 摘 要 本文简要回顾 了金刚石锯片焊接的发展历程，较详尽的综述了目前流行的几种焊接方法 ，并对各种 焊接方法的特点进行了评价 主要讨论了钎焊技术的应用特点，研究了钎焊工艺过程对焊接结果的影响 。指 出了 钎焊温度、保温时间与接头抗剪强度的关系，简要阐述 了一系列专用钎料的性能以及选择要点。本文认为进一步 改进全刚石锯片焊接用钎料是满足 目前工业生产的主要手段 ，加强激光焊接技术的研究是实现金刚石锯片焊接 强度跨越式发展的重要措施。 关键词 金刚石锯片 钎焊 激光焊接 高温强度 润湿性 ABSn CT：1his study briefly looked back the developing process of diamond SaW—blade welding ， overviewed several presently popular welding methtMs in details anti evaluated characteristics of each welding method ． The authors primarilv dis． cus：~d the operational(：ham( leristi(’s of b~nzing t~hnology ． ， re．arched influences of brazing process on welding results．po int． ed out the relation between brazing temperature and shearing strength and briefly mimed characteristics of se ．veral special filler metal and rne mainpo ints of~leetion ． rhe study indueated that further improving filler Inetal is the key po int to Satisfy present industrial production，~tn(1 enhanI：ing~seareh of laser welding technology is an important measure to achieve inprove． ment of dima~rld SaW—blade welding strength． KEYW ORDS：diamond SaW—blade，brazing，l r welding，high temperature strength ．wettability 1 前言 其工艺特点是将胎体金属直接烧结在钢基体上，由于 金刚石切削工具是80年代发展起来的高效切削 钢基体与胎体材料的线膨胀系数存在很大差异，烧结 工具，近二十年来．以人造金刚石刀头作切削刃的金刚 后的冷却过程产生热应力，这部分内应力在锯片使用 石锯片的到了广泛的应用，建筑、交通、化工、木材加 过程中叠加到剪切应力上．影响锯片的使用寿命。 工、有色金属切削等行业使用金刚石锯 片的比例越来 金刚石沉积技术在 80年代后期兴起 ，目前已在光 越大，尤其是在天然石材liner：、高速公路施工以及混凝 学、声学 、电子技术、热传导 、机械切削工具等领域得到 土 口呈中金刚石锯片已经成为决定 l=={ 进度和成本的 应用，小尺寸锯片的应用仍处于技术开发阶段。 主要因 素 据 不完 全统计 ，臼前我 吲有石 材企业 焊接法有钎焊和弧焊两大类，常见的钎焊和弧焊 20000多家，从业人员 500万人，年产值 800亿人民币， 上乙如表 I所 ： 陶瓷产量 l6亿平方米，已占全世界产鼙的 30％以 金刚石锯片的工作条件比较恶劣，高速、振动、高 温对金刚石刀头的焊接提出了苛刻的要求，随着锯片 切削速度和进刀量的不断提高．对金刚石锯片焊缝强 度的要求 电越来越高，金刚石锯片焊接技术的发展也 日新月异，系统总结金刚石锯片焊接技术 、深入研究焊 接新技术有助于进一步提高我国金刚石锯片的整体质 量 ． 2 金刚石刀头与基体的连接方法 目前，曾应用过的将金刚石刀头连接到钢基体』二 的方法主要有以下几种：沉积，整体热压烧结成形，分 体制造机械镶嵌 ，刀头焊接。 整体热压烧结成形一般用于制造小规格的锯片， 电阻焊 压力焊 振动摩擦焊 火焰钎焊 盐浴钎焊 焊 接 高频感直钎焊 方 钎焊 电阻钎焊 法 缸弧钎焊 电子束钉焊 激光焊 高能束弧焊 电子柬焊 电阻焊时刀头温度较高影响金刚石的使用寿命， 但电阻焊的焊缝耐高温，焊接的锯片可以干切，目前有 维普资讯 http://www.cqvip.com · 28 · 《金刚石与磨料磨具工程》 少数企业采用这种工艺。振动摩擦焊是正在研究开发 的新技术，由于其焊缝性能与激光焊相当，而可焊接厚 度不受限制，这种工艺有良好的应用前景。 火焰钎焊和盐浴主要在金刚石锯片生产早期得到 应用，随着电力电子技术的飞速发展，高频焊机的技术 性和经济性已占据垄断地位 ，但火焰钎焊的低投入和 盐浴钎焊的微变形的突出特点使这两种钎焊工艺仍有 一 席之地。高频感应钎焊在国内几乎占统治地位，从 技术经济性方面比较，它是最佳的，这种方法的经济性 不仅表现在一次焊接上 ，更主要的是基体可以复焊而 重复利用。 氩弧钎焊和电阻钎焊的工艺性优于高频感应钎 焊，但由于其设备开发滞后，这几种工艺没有得到大面 积应用。 激光焊和电子束焊接是近几年发展起来的高新技 术，激光焊接的能量密度高，电子束焊接的能量输出 大，可焊透深度大。虽然激光焊和电子束焊接方法已 有二十多年的历史，高能束流焊接在金刚石锯片生产 上的应用仍处于起步阶段，这主要是设备投资较大限 制了这两项技术的发展。 3 感应钎焊技术 在金刚石锯片的焊接方法 中，钎焊工艺是应用最 为普遍、技术最为成熟、经济性最好的方法。在锯片的 焊接历史中，火焰钎焊和盐浴钎焊发挥过重要作用 ，但 现已被高频感应钎焊所取代。 钎焊锯片的焊接强度主要取决于钎料、钎焊工艺 和刀头材料，本文在大量的实验基础和十几年的应用 实践基础之上讨论了钎料的选用原则和钎焊工艺的制 定原则。 钎焊工艺主要通过润湿性 、气孔率 、夹杂率 、钎缝 厚度和钎焊热影响区的残余应力等参数影响钎焊接头 的力学性能，这些参数主要由焊前处理、焊后处理、加 热时间、保温时间、加热频率和钎料性能决定。研究过 程中将润湿面积、气孔率和抗剪强度作为主要考察对 象。 3．1 焊片厚度对接头机械性能的影响 钎焊接头的机械性能主要取决于钎料成分和钎焊 工艺，但钎缝厚度也影响抗剪强度和疲劳强度 ，也就是 说钎缝性能还与焊前添加的焊片的厚度相关。实验研 究表明：当钎料成分和钎焊工艺一定时，钎缝厚度在 0．20～0．28mm之间时，钎缝的综合机械性能最高，图 l是钎缝厚度与抗剪强度、疲劳性能的关系。 当钎缝过薄时钎料不能充分润湿结合面，钎着率 不高，钎缝强度较低；钎焊过程中刀头中的锡、铅 、铝、 山 皇 }哽 铄 蠡 誓 、 、 ＼ |＼ ——●一Z12 | —豢～一Z2 l 。 0 0．1 0．Z 0．3 0．4 U．5 焊片厚度 图 l 焊片厚度与焊接强度的关系 铁、钨、钛等元素向钎缝扩散、溶解，促使钎缝组织脆 化，降低接头强度。当钎缝厚度过大时钎缝 中容易产 生气孔 ，减小有效钎接面积，降低抗剪强度。 3．2 加热过程对接头机械性能的影响 钎缝的形成贯穿于整个加热过程 ，在加热过程中 与钎焊接头机械性能相关的主要因素有加热速度、钎 焊温度 、保温时间、冷却速度等，这些因素通过影响润 湿性、气孔率改变接头机械性能。 3．2．1 加热速度 为了追求生产效率经常使用很高的速率加热，当 加热速度太高时，钎焊后的残余应力较大。这是因为 刀头中各组元的线膨胀系数相差很大，例如锌 、铅、锡、 猛 、钴等元素的线膨胀系数是碳化钨、钨、铬的几倍，不 同组元的热变形差异产生内应力。过低的加热速度不 仅降低生产率 ，也加剧钎缝金属的氧化。两级加热工 艺能较好的解决这个矛盾，第一阶段加热到 4OO～500 度，停留几秒钟再继续升温焊接。 3．2．2 钎焊温度 图 2是钎焊温度与润湿性的关系图，图 3是钎焊 温度与气孔率的关系图，图 4是钎焊温度与抗剪强度 的关系图。 9 8 7 6 _j 5 ／／ ／i／ ． 一 — 一 — _．卜一 l厶jl 。 ＼ — Z4l 一 m H 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002．3(129) · 29 · 高 山 兰 霸 豁 钎焊温度 图 3 钎焊温度与润湿面积的关系 — ／ ＼ ∥ ＼ ＼ 《 + z4l 《 ．．—薛一Z45 || j| ， 670 720 750 780 820 850 温度 C 图4 钎焊温度与抗剪强度的关系 钎焊温度影响润湿性 、气孑L率，最终决定连接强 度：当钎焊温度过低时．钎料的流动性差，易产生夹 渣、造成假焊，使接头强度降低；当温度过高时，钎料氧 化严重，造成夹渣，锌的急剧蒸发 ，引发气孔，从另一方 面导致接头强度降低。表 2是钎焊温度对接头性能的 影响结果。 表 2 钎焊温度对接头性能的影响 钎焊温度℃ 抗剪强度 MPa 断口形貌特征 670 165 断在刀头侧．部分钎料未熔 720 241 断在刀头俩，有少量夹渣 740 246 断在刀头侧 ，有少量气孑L 8(】o 120 断在交接面，气孑L多 、严重氰化 注 ：钟料 ：Z12：钎 剂 ：Jl02：焊 接 时 间 20秒 3．2．3 保温时间 保温的目的有三个：促进钎料对基体和刀头充分 的润湿与扩散，排除钎缝中的气体 、给钎剂充分的时间 使之还原氧化膜并以渣的形式排出。 保温时间短时，钎料与刀头不能很好的润湿，不足 以形成扩散下的晶间结合 ，钎剂还原物和钎剂结黼 形成的蒸汽不易排除，造成夹渣和气孑L，甚至未焊透。 过长时间的保温，使钎料氧化、锌镉挥发、钎料流 失，导致钎缝强度大大降低。 最佳的保温时间取决于电源功率和感应圈耦合情 况。1600 mtn锯片用 15kW焊机，600A电流焊接时间 一 般控制在 l5～20秒之间。有效的保温方法是到温 后断续通电。 图 5是保温时问与润湿性的关系图，图 6是保温 时问与气孑L率的关系图。 二_、 至 C 藤 旧 贼 图5 Z46在 YG8表面上润湿性与 保温时间的关 系 15 20 25 3O 40 5O 时间 秒 图6 保温时间与气孔率的关系 3．3 加热电源频率 高频电源的电流频率选用原则是在保证透热深度 的前提下提高电热转换效率。高频电流的单面透热深 度按下列公式计算 d=5o3oo(p／~f)。 式中材料的相对磁导率( )和电阻率(p)是由锯片 基体和刀头确定的、并随温度变化，电流频率取决于所 选电源。当电流频率低时透热深度大，但电热效率低；当 电流 率高时电热效率高，透热深度小加热时间长。目 n 0，的加热电源的电流频率在 30～l50kHz之间，焊接 大锯片时应选用低频率电源，反之选用高频率电源。 0 O 0 O O O O O 0 蜘 硌 m H 也 m H ㈨ 8 6 4 2 墨 睁晶 维普资讯 http://www.cqvip.com · 30· 《金刚石与磨料磨具工程》 3．4 钎焊的前 、后处理 无论是新基体或者是复焊基体，结合面修磨和氧 化层去除都极为重要，常用的清除表面氧化层的方法 有磨光机磨削、修挫和喷砂等，修磨过的基体和刀头要 达到缝隙均匀的效果：焊片在运储过程中表面常带有 防护油或经长期存放已被氧化，须用砂纸去处氧化层， 用有机溶剂去除油污，常用溶剂有汽油、酒精和丙酮。 一 般情况下，钎料应裁剪成比刀头略大一点的相 似形状，以便观察钎料的熔化，在操作极为熟练的前提 下，可以将焊片裁剪的比刀头，J、1 无论焊片尺寸大或 是小，焊后在钎缝边沿都要形成光滑的圆弧。 焊剂经常选用普通的 J102，焊接前将钎剂用去离 子水调成糊状使用，如果钎剂已经吸水结块可以用去 离子水煮成糊状 焊后的锯片应避免风吹，水冷更是严格禁止的．冷 却速度越快残余应力越大，钎焊后的保温和缓冷有助 于忪弛残余热应力，用石棉保温是较经济的办法。高 频的振动可以消减残余热应力： 焊后清洗过量的钎剂和表面氧化渣，清理完毕后 可以用放大镜检查钎缝 ，平滑 、光洁 、无气孑L、无裂纹、 圆弧状的钎缝最为理想。 4 钎料 金刚石锯片的服役条件是冲击和震动下的切割， 工作过程中焊缝受力状态以脉冲剪切应力为主，切人 时的压应力和切割前后的离心力也对焊缝有一定的影 响，被切石材的硬度、进 刀避 、切削速度以及切削深度 决定了焊缝的剪切应力：、 一 般认为，钎焊金刚石锯片用钎料应该满足下列 条件：钎料熔化温度不高于 800 c【=并且越低越好；钎料 流铺性适宜，对金刚石刀头胎体材料和 65Mn合金钢 的润湿性好；钎料疲劳性能好 、稳定性好，能承受瞬时 的高温(200～4OO℃)；适宜通用的感应钎焊或火焰钎 焊工艺。选用钎料时首要是满足上述技术条件，同时 要针对被焊锯片的具体特点进行分析，表 3列出了钎 焊金刚石锯片常用的钎料 上述十种钎料中．BAg611、Z21的钎焊温度最低， 流动性最好，焊接强度也商；I304、L303的含银量最 高，经济性最差，但焊接强度高；7_,51的结晶间隔较大． 可以使用厚焊片焊接以改善抗疲劳性，Z51的焊接温 度较高，不宜焊接铜基刀头 一般选取 Z31、Z12、ZAI 用于钎焊切割硬石材锯片，选取 Z45、Z46、Z51用于钎 焊切割软石材锯片 花操作熟练的情况下．一般不要 选用 L303、L304以降低焊接成本，复焊时应选取与前 一 次焊接相同或相近的钎料。 表 3 钎料的基本特性 熔化温度 抗剪 牌 号 疲劳 经济性 主要应用对象 (℃ ) (Moa) (舯 一775 248 l0 2 长寿命刀头 l3Q3 665～745 246 9 4 巾圉红等特硬料 BAg611 610～620 253 9 3 四川红 ，印度红等 Z2l 6(x】～690 245 9 6 太行红、芝麻红等 Z3l 60【】～720 232 8 7 中硬纥岗石锯片 Zl2 610～7_40 240 9 8 通 用性 强 Z4l 620—740 232 8 9 通 辟j件 强 Z45 620～750 2l0 7 9 中锯片、大锯片 Z46 640～760 0O2 7 lO 中铡片、大锯片 Z5l 650—790 2l5 8 10 磨肄及大理 锯 5 激光焊接 激光焊接的最大优势是安全性和高强度，在美国 大量采用激光焊，欧洲国家处于经济性考虑没有大面 积推厂 激光焊。 激光焊接的原理是高能束流作用于被连接材料并 使之熔化形成焊缝。激光焊接时的能量密度可以达到 l 0c．～107 w／era：时，高能束不仅熔化了被焊材料同时使 能束中心部位瞬间汽化，气态金属将周围熔融金属带 出在焊缝区域形成小孔．小孔形态足影响焊缝性能的 关键因素。 激光焊接时 ，小孑L形成后锯片基体与刀头的结合 面相对激光光束移动，小孑L周围始终保持液滴状熔池， d~zfLzf1．壁与熔池交接面的高温高压金属蒸汽形成等离 子体。等离子状态的金属蒸汽喷射到焊缝表面形成等 离子云，影响激光流密度和小孔的稳定，通常采用喷射 保护气的方法驱散等离子云，使d,~fL稳定 、熔池稳定 、 熔深不变浅 激光焊接的焊缝是冶金结合．其高温强度商，适宜 与工作温度高的锯片 激光焊接的能量集中、焊接变 形小，适宜与高质量锯片的焊接。 与其他焊接工艺所不同的是激光焊接对锯片的钢 甚体和刀头胎体物化性能有特殊的要求．与激光焊接 相关的物化特征有热导率 、热扩散系数 、比热、熔化潜 热、熔点 、汽化温度、相结构、组织转变规律等。在激光 高速加热高速冷却的工艺条件下，碳当璇高的材料的 裂纹倾向和缺 口敏感性很大，常用的 65Mn已不适宜 激光焊接，目前一般采用中低碳钢作基体。激光焊接 要求刀头胎体不含离蒸汽压元素，铁 或铜基胎体不 适宜激光焊接，目前主要采用不含金刚石的钻基结合 剂作为焊接过渡层。 图7足一种锯片水平放 的激光焊接装氍示意 图。图8是郑州磨料磨具磨削研究所研制的激光焊接 机示意图。该设备激光系统水平放髓 维普资讯 http://www.cqvip.com 2002．3(129) · 3l · 图 7 锯 片水平放置 的激光焊接装置 1．激光源；2一光闸；3一光路转换器；4一聚焦 ；5一央儿 及银片：6 一 电器丰fi；7一通光光路 ；8一片器车『i 图 8 激光 系统 水平放置的激光焊接机示意图 7 结论 (1)金刚石锯片的应用 从石材行、 拓展到陶瓷 、 (上接第 26页) 3 检测 工程第三方检测合同工程防雷检测合同植筋拉拔检测方案传感器技术课后答案检测机构通用要求培训 方法制订 参弩 FEPA标准的规定，设汁了阴条标准加热 I 艺曲线和控制程序．可 Lj困际接轨，并已没置在控制仪 器中，分别满足 Il00℃、900 榆测要求．以及冷、热炉 两种状态的选用：其余六条曲线可供用户根据特殊的 要求 ．自行设置 4 使用情况 试制的样机经项目组和用户一年半连续工作使用 证明，性能稳定 、可靠，从未出现故障 、其特点为： ①温度测控精度高：控温精度 ±l℃；不受环境温 度影响．不受人为操作__F扰 丁}温速度快 ，常温 ～1lOOqC只需 6分钟 ，町悯螯 范围大．适f各种不同榆测要求．无须预热 ③加热过程全 自动程序控制 ，升温 、保温时间控制 建筑 、化工等行业，这些行业对锯片提出更新的要求， 必须进一步研究金刚石锯片的焊接技术 (2)激光焊接在金刚石锯片焊接领域有广阔的发 展前景 (3)钎焊尤其是高频感应钎焊仍是金刚石锯片焊 接的主要方法 (4)焊缝强度取决于钎焊材料 、钎焊 [艺过程和刀 头与基体材料等三个方面，生产中应根据被焊接锯片 的材料和用途选取钎料j 参 考 文 献 1 崔仲鸣，韩德功等．一种新型金刚石锯 片激光焊接机 金刚石与磨 料磨具工程，1998．4：13—14 2 龙伟民，齐培新，朱坤等．感应钎 辱温度控制的研究．第十届全国辟 接学术会议论文集 3 J．H．I ．采用 Ag—CIJ—z【】一Gl焊料焊接烧结刀头与低碳钢的焊接 特性．金刚石与磨料磨具工程．2001，3：3O～33 4 齐培新，蒋国海，唐福庆．人造 佥刚石与 65Mn钢钎埠用低钎料及钎 焊工艺研究．第六届全国焊接学术会议论文集：89—93 5 邹喜．钎焊．北京：机械工艺出版社．1993 6 龙伟民，乔培新．唐福庆等．提 高基体耐磨性的钎焊技术．第九届全 国焊接学术会议论文集：116 1l8．黑龙江人民出版社．1999 7 姜蒙超，陶洪亮，尹育航 ．进一步提高我国金刚石工具质量的有效途 径．金刚石与旁料磨具工程．2001．4：l7 20 8 万斫粱．激光焊接薄壁全刚石工程钻头的研究．金刚石与麝料磨具 工 程 ．2001，2：30—32 作者简介：龙伟民；男．1966年生．高级工程师，河南省焊接学会理事，郑 州机械研究所钎焊材料技术公司副总经理 主要从事钎焊材料及钎蚪 技术的研究，获省部级奖8项．发表论文3(J余篇 (收稿 日期 ：2OO2—03—10) f编辑：王孝琪) 精度高，不会发生误操作，排除人为影响． ④可方便各种不同的加热工艺要求．． ⑤操作方便，性能可靠，使用寿命长 5 结论 研制的 CYRI 一l型金刚石加热管式炉设计合理， 技术先进。经用户使用，温度测控精度高，自动化程度 高，可排除人为因素 干扰．操作方便 ．性能可靠；根据 FEPA标准设计 _r加热规程．可与国际接轨，满足 1TI1 检测要求 ，n丁作为标准检测仪器 参 考 资 料 } jpR吐jnn n】HH mc D F．ab~i(．卸1“ ljt |h'txtu~’ls~tmt．it's．1 ’A an ud tot Mf lln 11；!t}W lJl ]ati~ ‘L ll1 h of nv I)ian~ t~klts．F'~tition 1，May 3o，I ． f ：￡稿 日期 ：2002～03—09) (编辑 ：王 琴) 维普资讯 http://www.cqvip.com