金剛石鋸片廣泛應(yīng)用于石材加工、建筑施工、高速公路和飛機場跑道等領(lǐng)域的切割或切縫。金剛石鋸片是在鋼材刀體上焊接一些由金剛石顆粒與粘結(jié)金屬燒結(jié)在一起的刀頭，其焊接屬于不同材料、不同組織之間的異種金屬焊接，焊接的關(guān)鍵在于其結(jié)合強度的高低。傳統(tǒng)焊接方法是燒結(jié)焊及釬焊，此兩種方法焊接焊縫的結(jié)合強度（尤其是高溫時）不夠高，鋸切過程中易發(fā)生刀頭飛崩傷人等事故，鋸片的安全可靠性不好。激光焊接的金剛石鋸片是中、小型金剛石鋸片的發(fā)展方向。激光焊接使金剛石鋸片的結(jié)合強度大大增加，能最大限度地滿足其各種需要，焊接工藝先進、可靠，取代傳統(tǒng)的中、小直徑金剛石鋸片焊接片勢在必行。激光焊接系統(tǒng)示意圖如圖1所示。激光束由激光器窗口輸出之后，經(jīng)一與光束成45°的反射鏡垂直折射后，進入透射式聚焦系統(tǒng)，成為一極細的光斑照射到被焊工件上。下面對激光焊接金剛石鋸片工藝進行分析，以供石材加工工具制造廠商借鑒和參考。
1 焊接過渡層材料
金剛石鋸片由鋼基體和圓弧形刀頭兩部分組成。鋼基體以碳鋼和合金鋼為主，但適用于激光焊接金剛石鋸片的基體材料一般應(yīng)選用高強度特種低碳合金鋼，傳統(tǒng)的40Cr和45鋼因基體強度不夠容易變形而不主張使用；傳統(tǒng)的65Mn高碳鋼因在激光焊接基體熱影響區(qū)部位容易產(chǎn)生大量的高脆性針狀馬氏體也不主張使用。刀頭為銅基、鐵基、鎳基、鈷基、鎢基和鋁基粉末摻金剛石熱壓燒結(jié)成型。如何將二者可靠地焊接在一起，是激光焊接金剛石鋸片工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了避免刀頭中金剛石顆粒在激光焊接高溫下石墨化（人造金剛石的碳化溫度為740℃-838℃）和因刀頭與鋼基體的熱膨脹相差過大而產(chǎn)生焊接裂紋，通常需要在刀頭內(nèi)側(cè)設(shè)置一層無金剛石顆粒的過渡層（見圖2），其厚度在1.0mm-2.0mm范圍內(nèi)，其中過渡層與刀頭則是通過冷壓成型+熱壓燒結(jié)工藝連接在一起。激光焊接時，過渡層與鋼基體焊接在一起，因此，刀頭過渡層材料的選取將嚴(yán)重影響激光焊接金剛石鋸片的外觀和焊縫強度。根據(jù)激光焊接金剛石鋸片使用性能與生產(chǎn)工藝要求，激光焊接刀頭過渡層須滿足下列要求：夠高的焊接強度、良好的焊縫質(zhì)量、合理的配方組分最優(yōu)的燒結(jié)溫度和低廉的成本。目前選作刀頭過渡層材料成分的元素可分為單元素（Co,Ni），雙元素（如FeCo,FeNi,CoNi,FeCu）和3元素（如FeCoNi,FeCoCu）3種情況，但過渡層中不能含有熔點金屬如錫等元素，原因在于這些元素容易蒸發(fā)汽化而產(chǎn)生氣孔，但可加入少量的起固溶強化、增加磨性和減少焊接氣孔作用的#p#分頁標(biāo)題#e#Mn和Cr元素。大量實際配方表明：Co作為過渡層材料成分十分有利的，因為鋼基體和鈷基材料之間能形成和Fe的無限固溶體，實現(xiàn)鋼基體與過渡層之間良好冶金結(jié)合，但因價格因素則必須設(shè)法減少或降低其用量，這也是過渡層材料配方研究的主要目標(biāo)。
2 焊接工藝
金剛石鋸片的激光焊接屬于不同厚度的異種材料焊接，影響其焊接質(zhì)量的因素很多，包括焊前準(zhǔn)備、激光光束質(zhì)量、激光功率、焊接速度、焦點位置、激光束偏移量、激光束的入射角、保護氣體流量等，而目前有關(guān)這方面的研究應(yīng)該說是比較成熟的。
2.1 光束質(zhì)量
目前國內(nèi)外激光焊接金剛石鋸片所用激光器主要為1000-5000W的C02激光器。其模式多為基模、準(zhǔn)基模或者低階模。評價光束質(zhì)量通常以光束模式來表征，光束模次越高，發(fā)散角越大，光束質(zhì)量越差。就焊接而言，光束質(zhì)量主要影響焊縫熔深和形狀，在相同條件下，模式不同，則焊接深度明顯不同；光束模式對焊縫形狀也有影響，高階模式焊接焊縫較寬且不均勻，這是由于高階模（TEM00）的光束能量分布不均勻引起的；低階模（TEM01）焊接，焊縫較細且平直均勻。因此，應(yīng)采用基模或低階模，若模次偏高，則難以滿足焊接質(zhì)量的要求。
2.2 功率
激光功率是影響焊接的最重要因素，一定的功率對應(yīng)一定的功率密度，決定一定的熔深。產(chǎn)生小孔效應(yīng)、進行深熔焊接的前提是聚焦激光焦斑有足夠高的功率密度。根據(jù)激光功率密度的大小，激光焊接有兩種方式：（1）熱傳導(dǎo)焊，（2）深熔穿透焊。功率密度較低時（<106W/cm2），材料表面熔化，焊縫很淺（<0.5mm），焊接時不產(chǎn)生等離子體，這就是熱傳導(dǎo)焊。功率密度大于106W/cm2,則被焊金屬急劇氣化，形成匙狀深孔，出現(xiàn)等離子體，從而實現(xiàn)激光深穿透焊接，此時熔深急劇增加。隨著激光功率的增加，焊縫深度也隨之增加，功率大于#p#分頁標(biāo)題#e#0.7kW時，焊接方式由熱傳導(dǎo)焊向深穿透焊過渡。
2.3 焊接速度
激光深穿透焊時，焊速因小孔效應(yīng)而受到限制。當(dāng)激光功率一定時，焊接速度決定了焊接深度，進而影響焊接強度。焊接速度過快，一方面熔深淺，另一方面熔池中的氣體來不及逸出，焊縫中就存在大量氣孔，有效承載面積減小，焊接強度降低；焊接速度過慢，一方面過渡層燒損嚴(yán)重，另一方面熱影響區(qū)增大，組織粗化嚴(yán)重，也使焊接強度降低。在保證焊接深度的前提下，應(yīng)該選擇高的焊接速度，以提高生產(chǎn)效率，降低成本。另外，過低的焊速會導(dǎo)致熱能輸入過大（J=P/V,式中，J一輸入熱能，P-激光功率，V-焊速），焊縫的組織和性能惡化，甚至?xí)霈F(xiàn)宏觀裂紋。熔深、縫寬隨焊速的增加而減小，當(dāng)焊速大于15mm/s時，焊縫深寬比大于1,適當(dāng)提高焊速，可以提高深寬比。
2.4 離焦量
激光束的焦斑功率密度并不等于作用于工件的光斑功率密度，后者還取決于焦斑平面與件表面的相對位置（離焦量），此位置對激光焊接過程有顯著的影響。離焦量嚴(yán)重影響金剛石鋸片的焊接熔深。大量的研究結(jié)果表明，激光焊接金剛石鋸片時，一般采用負離焦，且離焦量約為板厚的1/3,此時獲得的熔深最大。由于激光焊接金剛石鋸片屬于小孔效應(yīng)焊接機制，而小孔的形成常伴有明顯的聲、光特征，若未形成小孔，則焊接火苗是橘紅色或白色；若形成小孔，則焊接火苗為藍色，并伴有爆炸聲，故常據(jù)此確定和調(diào)整離焦量。
2.5 惰性保護氣體
激光焊接金剛石鋸片時需要使用惰性保護氣體，其作用有：避免焊件的氧化；保護聚焦透鏡，避免受到金屬蒸汽污染和熔化液滴的濺射；吹散激光焊接過程中可能產(chǎn)生的等離子體。有關(guān)惰性保護氣體涉及保護氣體種類選擇、流量大小控制、吹氣方式3個問題。根據(jù)焊接質(zhì)量和氣體成本的要求，一般選用氫氣。氣體流量大小的控制與噴嘴口徑、噴嘴與工件距離有關(guān)。氣流量太小，起不到保護作用，焊縫氧化嚴(yán)重，呈脆性；氣流量太大，一方面周圍的空氣反而被裹進焊接熔池，焊縫照樣氧化嚴(yán)重，另一方面，大的氣流量會吹翻焊接熔池，使得焊接過程的穩(wěn)定性被破壞，焊縫成型性差，焊接強度降低。實際中常采用側(cè)吹氫氣的方法來吹散等離子體。
2.6 激光束偏移量與激光束入射角
金剛石鋸片的激光對焊焊接的是厚度不同的兩種材料，屬于角焊，因此光斑橫向位置（偏移量）及激光入射方向?qū)附淤|(zhì)量有較大影響。激光焊接金剛石鋸片時，由于刀頭比基體厚（見圖#p#分頁標(biāo)題#e#4，其中為光束傾斜的角度，△為激光束的偏移量，h為離焦量，s為工件厚度），以及刀頭過渡層的粉末材料特性（因過渡層不可避免存在孔隙，且極易吸收空氣中水分而產(chǎn)生焊接氣孔），因此要求激光束偏向基體一側(cè)，并保持一定的偏移量，同時也要傾斜一定角度，以獲得最佳角焊效果。大量的研究結(jié)果表明：焊縫中的氣孔量與激光束偏移量密切相關(guān)，合適的偏移量可以減少焊縫中的氣孔，從而提高焊接強度。偏移量太大焊縫外觀很漂亮，但刀頭過渡層未焊上或焊得很少，實為虛焊；偏移量太小，氣孔多，影響外觀質(zhì)量，也降低焊接強度。另外，角焊時，為避免發(fā)生激光束垂直入射時，光束被凸起的過渡層遮擋，激光束需要傾斜射向焊接部位。總之，只有在合適的入射角和偏移量下，鋼基體材料首先熔化，然后依靠熔化的鋼基體材料再加熱熔化刀頭過渡層材料，由于過渡層中的鉆和鋼基中的鐵可形成無限固溶體，因此鋼基體就可與刀頭過渡層形成良好的冶金結(jié)合。目前激光束偏移量的合適值為0.1mm-0.3mm；激光入射角的合適值則為5°-15°。
3 焊件檢測
對于激光焊接的金剛石鋸片而言，需要進行外觀、顯微組織和焊接強度等參量的檢測。外觀檢測主要檢測是否存在焊接宏觀缺陷如孔洞裂紋、咬邊和未焊透等，通常需要進行100%的檢測，顯觀組織檢測主要檢測焊接部位的化學(xué)成分、顯觀組織和相結(jié)構(gòu)的變化，研究表明，熔化區(qū)組織細小化學(xué)成分出現(xiàn)梯度擴散、過渡層硬度比基體低，比刀頭高，呈現(xiàn)梯度變化。焊接強度檢測主要檢測焊件的拉仲強度、彎曲強度、沖擊韌性和殘余應(yīng)力等，通常需要進行100%的焊接強度檢測，而且國內(nèi)外都發(fā)展了不同的專門檢測工具，如德國的SPE623焊接強度檢測機和中國的扭力扳手目前對于焊件的殘余應(yīng)力檢測基本未涉及，而焊接后的殘余應(yīng)力大小及分布嚴(yán)重影響金剛石鋸片的使用壽命。
4 結(jié)束語
光束質(zhì)量對金剛石鋸片激光焊接的表觀質(zhì)量有很大影響，采用TEM01以下的低階模較合適。激光功率、焊接速度、離焦量及等離子體的控制等工藝參數(shù)影響焊接熔深。在合適的工藝條件下，可以一次焊透厚2.4mm的40Cr鋼板，焊縫寬度為0.8-1.2mm,深度比為1.7-3.0mm.光束偏移量是偏片激光焊接的一個重要工藝參數(shù)。鋸片焊接時應(yīng)將光束偏向據(jù)片鋼基一側(cè)。目前，激光焊接金剛石鋸片工藝還存在一些問題，需要我們進行更進一步的研究，開展專用激光焊接金剛石鋸片胎體或過渡層材料配方的研究、開展新型超細或納米預(yù)合金粉末的研究、開展激光焊接金剛石鋸片的機理研究，特別是開展激光焊接金剛石鋸片過程中的溫度場、流場、質(zhì)場和應(yīng)力場的研究和開展激光焊接金剛石鋸片過程的在線質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)的研究。事實上，只有全面理解了激光焊接金剛石鋸片的機理，才可能據(jù)此開發(fā)出新的在線質(zhì)量監(jiān)測技術(shù)；只有掌握了預(yù)合金粉末的理論，才可能開發(fā)出新型超細或納米預(yù)合金粉末以及更好地利用新型超細或納米預(yù)合金粉末開發(fā)出專用的金剛石鋸片。#p#分頁標(biāo)題#e#
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
