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鋼材/模具

激光焊接金剛石鋸片工藝分析

激光制造商情 來源:佳工機(jī)電網(wǎng)2011-10-31 我要評論(0 )   

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(jī)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...

       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(jī)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(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)度大大增加,能最大限度地滿足其各種需要,焊接工藝先進(jìn)、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(jìn)入透射式聚焦系統(tǒng),成為一極細(xì)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(jìn)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(qiáng)度特種低碳合金鋼,傳統(tǒng)的40Cr45鋼因基體強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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,FeCoCu3種情況,但過渡層中不能含有熔點(diǎn)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(qiáng)化、增加磨性和減少焊接氣孔作用的#p#分頁標(biāo)題#e#MnCr元素。大量實(shí)際配方表明:Co作為過渡層材料成分十分有利的,因?yàn)殇摶w和鈷基材料之間能形成和Fe的無限固溶體,實(shí)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(diǎn)位置、激光束偏移量、激光束的入射角、保護(hù)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1000-5000WC02激光器。其模式多為基模、準(zhǔn)基?;蛘叩碗A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(xì)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(jìn)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(shí)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(jìn)而影響焊接強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(fù)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(jī)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(lán)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(hù)氣體

激光焊接金剛石鋸片時需要使用惰性保護(hù)氣體,其作用有:避免焊件的氧化;保護(hù)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(hù)氣體涉及保護(hù)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(hù)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(jìn)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(qiáng)度降低。實(shí)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(qiáng)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(shí)為虛焊;偏移量太小,氣孔多,影響外觀質(zhì)量,也降低焊接強(qiáng)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??傊挥性诤线m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(jìn)行外觀、顯微組織和焊接強(qiáng)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(jìn)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(xì)小化學(xué)成分出現(xiàn)梯度擴(kuò)散、過渡層硬度比基體低,比刀頭高,呈現(xiàn)梯度變化。焊接強(qiáng)度檢測主要檢測焊件的拉仲強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊韌性和殘余應(yīng)力等,通常需要進(jìn)行100%的焊接強(qiáng)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(qiáng)度檢測機(jī)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2.4mm40Cr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(jìn)行更進(jìn)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(xì)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(jī)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(shí)上,只有全面理解了激光焊接金剛石鋸片的機(jī)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(xì)或納米預(yù)合金粉末以及更好地利用新型超細(xì)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#

 

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