5)激光钎焊
! f/ T! L' q' t1 E3 B6 r 激光作为一种新型的焊接热源,具有加热速度快、热影响区窄、焊后变形及残余应力小等特点,特别是在减弱接头熔合区脆化方面,具有独特的优点。这使其有可能应用于硬质合金的焊接【15】。据相关文献报道,可采取激光的“深熔焊”和“热导焊”模式进行硬质合金的钎焊,用纯Cu、Ag-Cu合金作为钎料。相关的工艺参数主要有激光功率、焊接速度、焦点位置、填充层厚度等【15-17】。由于硬质合金与钎料之间的熔点相差很大, 在焊接中要严格控制工艺参数, 既使钎料在瞬时内充分熔化, 以浸润硬质合金, 又能将硬质合金基体加热到较高的温度而不致熔化, 使其能够更好地被液态钎料所润湿, 形成理想的钎焊接头【16】。/ h, X _' b8 V2 {
在激光“深熔焊”过程中, 激光功率密度很高,在激光直接作用的区域, 硬质合金瞬间可达很高温度, 并与钎料中的Cu发生剧烈的“亲合”作用,还容易发生钎料的蒸发和过度烧损,使表面出现严重的凹陷现象【15】,因此必须通过适当调整工艺参数来减少钎料的烧损。另外由于硬质合金中Co的含量一般都很低, 在激光“深熔焊”的高温作用下极易逸失, 而使WC以疏松的状态存在, 此时的硬质合金将不能保持原有的致密烧结组织和性能, 导致接头不可避免地出现一些裂纹、气孔等缺陷【17】。- Q( D' c, k4 W& E% W, o- ]
在“热导焊”过程中,激光束直接作用在钎料上,需采用表面涂料来提高钎料对激光的吸收率。另外,为了使钎料在瞬间尽量多地吸收激光能而熔化,应采用小直径光斑【15】。焊接时,激光束的大部分能量被钎料吸收,吸收的能量在极短的时间内迅速向下传导,使其完全熔化,从而浸润硬质合金。这种方式较易获得没有凹陷的完整钎焊接头【15】。
* y& }6 c K4 Z Y9 o/ W" k 在激光钎焊过程中, 由于热过程极短,一般只存在硬质合金中的Co向液态钎料的溶解和短距离扩散,而钎料中的Cu则基本上未向硬质合金扩散,因而两者之间的冶金结合不够充分,这会直接降低接头的剪切强度。由于Ni与硬质合金中的Co物理化学性质相似, 能够与硬质合金很好地亲和, 同时又能够与Cu无限互溶, 因而为了改善钎料与硬质合金的冶金结合, 提高接头质量, 可采用预先在硬质合金钎焊面上电镀Ni的方法加以改善【17】。; v! `9 q7 V( ]
2.2 扩散焊4 S7 m# \9 ?; z: j( Y
真空扩散焊和热等静压扩散焊可应用于硬质合金的焊接。在真空扩散焊接中,影响接头质量的因素很多,如材料成分,被焊表面质量、真空度、中间夹层材料以及加热和冷却速度等,但最主要的因素是温度、压力和时间【18】。焊接压力的增加对缩短焊接时间、提高生产率尤为重要;焊缝的剪切强度一般会随焊接时间的增加而提高,因为焊接时间延长可使被焊表面上的显微凸点大多消失,明显增加接触面积,原子的扩散较为充分,焊合率可得到明显提高。焊接时间的进一步延长对低压力扩散焊的接头强度仍是有益的【19】,但过长的时间难以在生产中实施应用。焊接压力和时间的合理搭配可以通过正交试验法来选定【18,19】。
k8 p9 C2 I8 H* c Q* s7 P 由于Co和Ni具有相同的晶体结构类型和相近的点阵常数,两者之间能够无限互溶而形成连续固溶体,因此焊接过程中一般选取Ni为中间层。低温扩散焊接头强度主要受到两个微观因素的影响,即Ni/WC-Co界面上的相互扩散程度和是否形成脆性相。要使接头强度达到使用要求,一般必须使Ni在WC-Co中的扩散达到一定深度。例如对于以Ni为中间层的PDC复合片硬质合金刀杆扩散焊接头来说,要使剪切强度达400MPa以上,至少要保证Ni在WC-Co中的扩散距离大于10μm。对于脆性相来说,只要不偏聚在相界、晶界等处,一般不会影响接头强度。以纯Ni作为中间层可以大大减少η相的形成【20】。
9 \ X) p2 {; R 真空扩散焊对焊件的尺寸和形状有限制,一般只适用于轴向对接式的简单复合工件,应用范围有很大的局限性。随着对复杂形状大型硬质合金复合构件应用要求的增多,例如轧辊、导辊等,由于被焊面大,焊件形状复杂,构件工况条件苛刻,一般的钎焊和真空扩散焊难以满足要求,而采用热等静压扩散焊工艺是解决此类问题的最佳途径【21】。
, Z$ M6 B0 h* @4 l 热等静压扩散焊的工艺参数主要是温度、压力、时间、中间层材料及其厚度。焊接的主要问题是残余应力,因为硬质合金与钢扩散形成大面积连接后,会因热膨胀系数的失配而产生很大的残余应力,特别是在硬质合金表面产生过大的残余拉应力,它是导致接头低载荷断裂的主要因素。采用Ni作中间层可有效地减少残余应力,提高接头强度【21】。* S, ~. V3 G3 [5 J: O6 k0 f1 O
2.3 钨极惰性气体保护电弧焊; J9 ?9 |& U0 X. T0 W0 ]9 ]
TIG焊作为一种连接硬质合金与钢的新方法,目前还处于试验阶段。在焊接硬质合金时,一般采取Ni-Fe合金、纯Ni、Co-Fe合金和Ni-Fe-C合金作为填充金属。焊接过程中的主要问题是在焊缝界面处硬质合金一侧易形成有害的η相。这些η相主要是由于在焊接过程中C向焊缝金属中扩散,而Fe向WC中扩散形成。大块η相的存在是焊接接头的抗弯强度低下的原因,严重影响了焊接接头的韧性。在焊接YG30与45钢的试验中,当大块η相存在时,接头的抗弯强度为0.960GPa;当接头没有η相时,弯曲强度可达1.341GPa【22】。 j: V+ o4 C k# N
填充金属中的Fe元素促进η相的形成,Fe元素含量增加,易形成大块η相,并在界面聚集分布;而Ni元素抑制η相的形成,在热影响区形成弥散分布的细小η相【23】。用Ni-Fe合金焊丝焊接所得焊缝硬度略高于纯Ni焊丝焊接所得焊缝硬度【3】。
/ |. Z4 T0 q( l: J6 t" O! h 2.4 电子束焊
1 t% o* M4 H( j" `8 h3 Q, V! ? 电子束作为焊接热源具有加热功率密度大、焊后变形小、焊缝深宽比大、规范参数调节范围广等优点,并且由于焊接热过程极短,能在一定程度上控制元素的扩散,抑制硬质合金与钢界面形成有害的η相,使接头具有一定的抗弯强度,所以它有可能作为一种焊接硬质合金的新方法。有研究表明,在焊接YG30与45钢的试验中,采用预热、低电流、慢速度的焊接规范,可获得界面结合良好的接头,但接头的显微组织中有η相生成,并且分布于焊缝靠YG30一侧的熔合区,在界面处聚集长大,主要原因是焊接过程中硬质合金中的C熔入焊缝以及焊缝中的Fe向硬质合金中迁移造成的【24】。
/ ~, k( R, {4 W3 T6 V2 t: Q! E% Z 3 硬质合金焊接技术的展望
) o! _- ]; u1 k 中国目前是世界上最大的硬质合金生产与消费国。随着我国工业化与现代化进程的加快,硬质合金在工业领域的应用会越来越广泛,而焊接作为连接硬质合金与钢基金属的一种重要方法,它将在广阔开发硬质合金的应用中发挥越来越重要的作用。& r ~$ B( a) W% @4 A" ]' x9 ^! P
由于硬质合金的高熔点及和基体金属的物理性能相差较大,传统的钎焊技术仍将是连接硬质合金与钢基金属的主要方法,其中应用最普遍的仍将是火焰钎焊和感应钎焊。钎焊的可操作性较强,可以针对不同的生产要求和使用场合选择不同的加热(钎焊)方法,也就是可根据构件的材质和型式尺寸,灵活选用不同的热源、钎料及去膜方式等,实现接头质量、生产效率和成本的协调。然而对于普通钎焊工艺来说,其接头强度和耐温程度都不高,如何提高钎焊接头的常温和高温承载能力(尤其是服役于复杂高强载荷下的矿山工程机械)是有待研究解决的主要问题,这些问题应在研制新型钎料、设计适当的接头型式及钎缝间隙、选定更加合理的加热工艺参数等方面开展进一步的试验探索。; Y8 B% m& }. X: z
扩散焊也是连接硬质合金与钢基金属的一种比较可靠的焊接方法,它的接头强度和耐温程度一般比较高,但如何抑制接头扩散区脆性相形成、改善接头区的组织结构和减少残余应力仍是要研究解决的主要问题。此外,扩散焊的设备投资大、生产效率低和成本高等因素极大地限制了它的推广应用。$ c/ r* R9 e! Q
近年来在硬质合金焊接技术方面开展的激光钎焊、电子束焊和TIG焊等新工艺试验研究,将“熔焊”成分引入到了硬质合金的焊接中,拓展了人们仅局限于用传统钎焊方法焊接硬质合金的视野,而且这些新方法的成功应用,必将大有希望提高硬质合金与钢基金属焊接接头的强度及耐温能力,进一步开发硬质合金在高端工业产品中的应用。然而,这些方法目前还处于试验室研究阶段,其中还有很多问题有待探索和研究解决,包括:硬质合金的焊接冶金学理论、填充焊丝的合金成分设计、熔合区的η相的形成与控制、焊接裂纹及变形的控制等。
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