激光焊接金剛石取芯鉆頭試驗(yàn)與工藝研究

金剛石取芯鉆頭不僅地質(zhì)勘探有重要地位，更因?yàn)槠渚哂秀@進(jìn)速度快、石材損耗小、不破壞周邊環(huán)境等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于大理石、花崗石、鋼筋水泥墻面鉆孔。金剛石鉆頭鋼基體上連接一種由金剛石胎體材料熱壓而成一種復(fù)合燒結(jié)體，常稱之為刀頭。國(guó)內(nèi)鉆頭常采用釬焊方法連接。金剛石取芯鉆頭工作時(shí)由于轉(zhuǎn)速極快，受強(qiáng)烈沖擊震動(dòng)，需要高剪切強(qiáng)度高溫強(qiáng)度。釬焊鉆頭刀頭經(jīng)常由于高速鉆進(jìn)發(fā)熱引起釬料熔化而脫落。所以，國(guó)外從80年代后期就發(fā)展用激光焊代替釬焊，激光焊與釬焊比較有如下優(yōu)點(diǎn)：由于基體與刀頭冶金結(jié)合，強(qiáng)度高，刀頭不易脫落，特別無(wú)水情況下;焊縫為細(xì)小均勻柱狀晶組織，不易產(chǎn)生裂紋，保證鉆頭高速鉆進(jìn)時(shí)不致于開(kāi)裂而產(chǎn)生危險(xiǎn);焊縫熱影響區(qū)極窄，對(duì)金剛石沒(méi)有影響，保證了產(chǎn)品最佳性能;易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，效率高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，并且產(chǎn)品平均成本低。

金剛石取芯鉆頭結(jié)構(gòu)。目前國(guó)外市場(chǎng)需要激光焊鉆頭幾乎與激光焊鋸片相當(dāng)，市場(chǎng)潛力很大，利潤(rùn)也相對(duì)較高。由于金剛石取芯鉆頭刀頭粉末冶金材料，不可避免地存孔隙，焊接難度大;基體與刀頭異種材料焊接，刀頭比基體厚，難于雙面焊接，所以比起金剛石圓鋸片來(lái)焊接難度更大，目前國(guó)內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)這方面報(bào)道。我們經(jīng)過(guò)幾百次試驗(yàn)探索，取得了較好效果，成功地解決了關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)，產(chǎn)品全部出口，用戶反映良好。

1．試驗(yàn)裝置及方法

試驗(yàn)在美國(guó)進(jìn)口快速縱流激光器上進(jìn)行，該機(jī)美國(guó)80年代先進(jìn)產(chǎn)品，型號(hào)為EFA-51，輸出模式為TEM00TEM01，最大輸出功率為1500W。選用f=100mmGaAs聚焦透鏡，通同軸保護(hù)氣體Ar氣以保護(hù)焊縫及透鏡。鉆頭基體刀頭被裝夾專用夾具上?；剞D(zhuǎn)工作臺(tái)能帶動(dòng)夾具及鉆頭作圓周運(yùn)動(dòng)，并且能一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)角度。激光束稍偏于基體一側(cè)，并采用一定負(fù)離焦。為使刀頭基體吻合良好，刀頭焊前須磨弧、去毛刺，以免漏光損失能量;為減少焊接缺陷，焊前必須去除焊接部位及其附近油污、氧化皮水分。

基體材料為普通45#鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，厚2mm;由于金剛石高溫下易石墨化，激光焊接時(shí)會(huì)焊縫出現(xiàn)空洞，所以，刀頭需設(shè)計(jì)1.5mm～2mm過(guò)渡層，我們通過(guò)大量試驗(yàn)，選取一種特殊Co混合物作為過(guò)渡層，刀頭厚3mm。

鉆頭焊后，目測(cè)用10倍放大鏡觀測(cè)焊縫外觀，檢驗(yàn)焊縫有無(wú)氣孔、咬邊、裂紋等宏觀缺陷，然后采用DSA標(biāo)準(zhǔn)用專用彎曲強(qiáng)度檢測(cè)儀檢驗(yàn)每個(gè)刀頭彎曲強(qiáng)度。

2．試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 材質(zhì)分析

基體材料激光焊條件下有較好焊接性。刀頭則不一樣，由于粉末冶金材料，焊接時(shí)極易出現(xiàn)氣孔甚至空洞，當(dāng)焊接參數(shù)不當(dāng)時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生裂紋，極大地影響了焊接強(qiáng)度。刀頭性能對(duì)焊接性能影響非常大，機(jī)械性能好且致密刀頭激光焊條件下，只要焊接參數(shù)選擇得當(dāng)，就能得到符合使用性能焊縫，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)到或超過(guò)1800N/mm2，斷刀頭。材料一定時(shí)要使刀頭性能優(yōu)良，首先必須提高刀頭壓制密度，可采用選擇顆粒細(xì)、形狀均勻之粉末壓制，另外，不影響金剛石性能前提下，盡量提高燒結(jié)溫度壓制壓力，并選擇合適保溫時(shí)間對(duì)提高刀頭機(jī)械性能很有必要。刀頭內(nèi)不可避免存孔隙，刀頭密度不能達(dá)到理論值，但合適壓力、溫度以及保溫時(shí)間、粉末混合時(shí)間及速度都刀頭致密均勻重要保證，從而保證有良好焊接性能。試驗(yàn)表明：當(dāng)單位壓力20MPa左右、溫度800℃左右、保溫時(shí)間為4min時(shí)，即可得到能滿足激光焊需要、又不損壞模具及金剛石性能刀頭。刀頭密度對(duì)焊縫強(qiáng)度影響最大，低密度刀頭焊接出來(lái)焊縫強(qiáng)度很低，幾乎不可能達(dá)到所需強(qiáng)度。

2.2 焊接工藝研究

焦點(diǎn)位置光路系統(tǒng)一定條件下，焦點(diǎn)相對(duì)于材料表面位置對(duì)熔深、熔寬、熔化效率影響很大。本試驗(yàn)，采用負(fù)離焦可以增加熔深，離焦量約為0.3mm，為減少焊接時(shí)飛濺，保護(hù)透鏡，降低刀頭材料合金元素?zé)龘p，焦點(diǎn)應(yīng)偏向基體一邊0.1mm左右;為獲得最佳角焊縫效果，入射激光應(yīng)傾斜6°～11°左右;反面焊接時(shí)，我們光路系統(tǒng)增加一個(gè)反射鏡，置于鉆頭基體筒內(nèi)，將激光束反射到所須位置，，成功地解決了鉆頭因單面焊接易出現(xiàn)強(qiáng)度不穩(wěn)定問(wèn)題。

激光功率密度

激光功率密度決定焊縫穿透深度主要參數(shù)。光斑直徑一定情況下，功率密度正比于激光功率。功率越高，允許焊接板厚越大，焊接速度越快，生產(chǎn)效率越高，但過(guò)大激光功率會(huì)使焊縫外觀變壞，由于溶池翻滾，易產(chǎn)生一波一波突起空洞，嚴(yán)重降低了焊縫有效承載面積，抗彎強(qiáng)度降低;即使焊后檢驗(yàn)?zāi)苓_(dá)到所需強(qiáng)度，切削過(guò)程因?yàn)閼?yīng)力其，裂紋由孔洞處擴(kuò)展，出現(xiàn)明顯疲勞斷裂特性;此外，高焊接功率還會(huì)使熔池化學(xué)物理反應(yīng)劇烈，飛濺增多，污染透鏡;由于過(guò)渡層材料與金剛石胎體材料熱脹系數(shù)不一樣，過(guò)高焊接功率條件下，易兩層相接處由于過(guò)熱而產(chǎn)生裂紋。雙面焊接?82鉆頭，光斑直徑為0.4mm時(shí)，用功率900W能取得較好焊接效果。試驗(yàn)我們發(fā)現(xiàn)，采用小規(guī)范焊接方法焊接鉆頭能取得好焊接效果。比起金剛石圓鋸片而言，焊接鉆頭激光功率要相對(duì)高些，這因?yàn)榧す馊肷鋱A鉆頭基體上被部分反射掉緣故。

焊接速度

焊接速度同激光焊接功率一起影響著焊接區(qū)域熱輸入，因而對(duì)焊縫形狀尺寸有較大影響，隨著焊接速度增加，焊縫寬度降低，熔深減少，生產(chǎn)率提高。過(guò)大焊接速度會(huì)使焊縫無(wú)法穿透，強(qiáng)度降低，而且焊縫有害氣體如N2，H2，O2及CO來(lái)不及逸出，使焊縫氣孔增多，影響抗彎強(qiáng)度焊縫外觀;當(dāng)焊接速度太低時(shí)，焊縫太寬，熱影響區(qū)過(guò)熱，晶粒粗大，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生裂紋，特別兩層相接部位產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重地影響了焊接質(zhì)量，并且刀頭合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，影響了刀頭綜合性能，焊縫部位因?yàn)槿鄢胤瓭L而出現(xiàn)一個(gè)一個(gè)空洞。我們?cè)囼?yàn)，對(duì)于?82，?68兩種鉆頭各50個(gè)，激光功率選定為900W，轉(zhuǎn)速分別為8r/min，9r/min時(shí)，其焊縫彎曲強(qiáng)度都達(dá)到超過(guò)4000N/mm2，隨后切削過(guò)程，也未發(fā)現(xiàn)掉刀頭現(xiàn)象。

保護(hù)氣體流量

保護(hù)氣體激光焊接過(guò)程作用有三：保護(hù)焊接區(qū)不被氧化;保護(hù)聚焦透鏡;吹散部分等離子云。若氣流量太小，起不到作用，焊縫區(qū)被氧化而引起機(jī)械性能惡化，透鏡也易污染損壞，成本增加;過(guò)大氣流量會(huì)吹翻熔池，影響焊縫成形，增加焊接缺陷，同時(shí)減少熔深。我們焊接試驗(yàn)選用氣流量為0.5L/min。

結(jié)語(yǔ)

(1) 要使激光焊接金剛石取芯鉆頭成功，刀頭配方一定情況下，必須使刀頭致密而且機(jī)械性能良好;

(2) 激光焊接金剛石取芯鉆頭過(guò)程，必須合理地選擇有關(guān)工藝參數(shù)，如激光功率密度、焊接速度、焦點(diǎn)位置及保護(hù)氣體流量，才能保證焊接質(zhì)量;

(3) 采用小規(guī)范焊接工藝焊好鉆頭有效途徑;

(4) 采用光路系統(tǒng)增加一個(gè)反射鏡方法可以進(jìn)行鉆頭反面焊接，解決了鉆頭因單面焊接結(jié)合強(qiáng)度不穩(wěn)定問(wèn)題，但這種方法不能焊接直徑太小鉆頭;

(5) 激光焊接金剛石取芯鉆頭方法還不適應(yīng)大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)率不高，有待進(jìn)一步改進(jìn)。