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PCD復合片的焊接研究

一、引言

聚晶金剛石復合片由PCD(PolyCrystalline Diamond)層和硬質合金基底組成。PCD層具有高硬度,硬質合金基底則具有良好的韌性,二者結合使PCD復合片在切削加工、木材加工和鉆探等行業獲得了廣泛應用。PCD工具的制作方法有多種,大體依據加熱方式、焊料的使用與否來劃分。制作過程中,加熱方式起著決定性的作用,焊料的選擇對焊接質量會產生重大的影響,焊接接頭的結構設計也是提高質量的重要手段。因此在PCD工具制造過程中,焊接成為其關鍵技術。

PCD復合片的焊接實質上是硬質合金基底與刀桿等支撐體的焊接。對硬質合金的焊接多用Mn基釬料,釬焊溫度為1000℃左右。然而PCD層的耐熱溫度一般不超過700℃,否則會造成PCD層的熱損傷,降低刀具焊接后的使用性能。因此必須尋找一種既能降低釬焊溫度、又能同時保證足夠焊接強度的焊接方法。目前PCD復合片的焊接方法有激光焊接、真空擴散焊、真空釬焊、高頻感應釬焊、水冷釬焊、惰性氣體保護釬焊等。雖然焊接強度足夠,但有些方法所用設備的成本高、維護費用大,且其工藝過程復雜,不便于生產操作,大大增加了PCD復合片刀具的制作成本,不利于PCD刀具的推廣應用。下面就各種PCD復合片焊接方法的優缺點進行了比較分析。

二、PCD的焊接方法

1、激光焊接

激光焊(Laser Beam Welding)是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、適應性強等優點。激光焊接過程屬于傳導焊接,即激光輻照工件表面,產生的熱量通過熱傳導向內部傳遞。通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數,使工件達到一定的熔池深度而表面又無明顯的汽化,即可進行焊接。由于功率密度大(可達109W/cm2),因此激光焊接過程中在金屬材料上生成小孔,激光能量通過小孔往工件的深部傳輸,減少橫向擴散,材料的融合深度大,焊接速度快,單位時間焊合的面積大。此外,激光焊接形成的焊縫深而窄,深寬比大(可達2~10),焊合單位面積所需能量小,熱影響區小,焊接變形小。一般不加填充金屬,依賴焊件自身融合。激光焊接系統有高度的柔性,易于實現自動化。但用激光焊接時,要求被焊件有較高的裝配精度,原始裝配精度不能因焊接過程熱變形而改變,且光斑應嚴格沿待焊縫掃描而不能有顯著的偏移,否則將造成嚴重的焊接缺陷。此外,由于激光器及其焊接系統的一次投資較大,焊接成本高,對母材的要求較高,參數多,對操作技能的要求高等等,都制約了激光焊接的廣泛應用。使用激光進行PCD復合片的焊接,獲得的焊接接頭強度可高達1800MPa,且對金剛石層不會產生熱損傷,是一種理想的PCD焊接方法,目前多用于金剛石圓鋸片的焊接。

2、真空擴散焊

真空擴散焊(Vacuum Diffusion Bonding)是指在較高的溫度和較大的壓力下,使處于真空中清潔的零件表面相互靠近,在相當小的距離內原子相互擴散從而將兩部分連接在一起的焊接方法。真空擴散焊一般是在被焊材料熔點溫度(絕對溫度)的60%~80%的溫度下進行的,因此對于膨脹系數差異很大的材料(如PCD復合片的硬質合金基底與45#鋼刀桿),此種方法顯得十分有效。在進行擴散焊時,零件在真空室中的加熱是在不斷往外抽氣的情況下進行的,因而能除掉零件表面的吸附氣體和氧化膜。此外,真空擴散焊能保持工件的幾何尺寸和形狀精度,獲得具有真空密封的、熱穩定的、抗震的接頭。因此,真空擴散焊在PCD地質鉆頭的焊接中得到了廣泛應用。它的應用可保證鉆頭的質量,提高焊接強度,增大鉆頭的進尺深度。美國桑迪亞實驗室在焊接表面進行鍍鎳處理,鍍層厚25~50μ,然后在650℃下經受214.62MPa的壓力達4小時,進行真空擴散焊,其剪切強度為413.36~551.2MPa。

使用真空擴散焊進行PCD復合片焊接時,其焊接工藝過程復雜,焊接時間較長,成本高,需用專用設備,一次性投資很大。目前,真空擴散焊一般只用于焊接強度要求高、使用時振動較大的地質鉆頭的焊接,還未用于大批量制造通用刀具的生產中。

3、真空釬焊

真空釬焊(Vacuum Brazing)是指在真空狀態下進行零件的釬焊焊接。由于這種方法是在無氧化氣體的氣氛中進行的,所以能獲得強度、韌性和均勻性都比較高的優良接頭,是一種新興的焊接方法。進行真空釬焊必須采用專用設備,焊接過程中,在控制真空度的同時還要控制焊接溫度,因此工藝復雜,操作難度較大。目前,利用真空釬焊的方法進行PCD油田鉆頭的焊接,其釬縫的剪切強度可達451.9MPa。

4、高頻感應釬焊

高頻感應加熱技術是二十世紀初發展起來的一項加熱技術。由于它具有加熱速度快、材料內部發熱和熱效率高、加熱均勻且有選擇性、產品質量好、幾乎無環境污染、易于實現生產自動化等一系列優點而得到迅速推廣。目前,這種加熱技術在機床制造、汽車、拖拉機制造、軸承制造、量具刃具制造及一般機械零件制造中都得到了廣泛應用,并且其應用范圍日益擴大,高頻感應釬焊就是其中一個主要應用方向。

高頻感應釬焊(Hi-frequency Induction Brazing)就是利用電磁感應原理使電磁能在釬料和零件中轉化成熱能,將釬料加熱到熔融狀態,從而將零件焊接在一起的焊接方法。采用這種方法,釬焊加熱速度快,功率密度可達10~100kW/cm2,通常可在幾秒鐘內完成加熱過程,并能保證零件的尺寸精度,其剪切強度可達300~400MPa。

與激光焊接、真空擴散焊、真空釬焊等焊接方法比較,高頻感應釬焊的最大優勢在于其設備投資少、焊接工藝易于掌握,其缺點在于高頻感應加熱的溫度難于控制。目前,高頻感應釬焊PCD復合片的應用比較廣泛,但其工藝還有待于進一步提高。

三、焊接接頭結構的設計

金剛石圓鋸片特殊的接頭結構設計增強了鋸片的使用性能,減少了掉頭率。英國De Beers公司推出鑲有PCD的麻花鉆新產品,其新穎的接頭結構設計,減少了PCD材料的浪費,節約了開支,可以實現鉆頭幾何參數的變化。

四、焊接釬料、釬劑的研究

除了對焊接方法和工藝的研究外,研究人員還針對PCD復合片的特點,開發了專用的釬料和釬劑,用以改善釬料對焊接金屬的潤濕能力。如De Beers實驗室開發的一種含鋼53%、金14.5%、錳29.0%、鎳3.5%的新焊料,改善了焊接質量;含氯化鈷的釬劑能使銀基或銅基釬料很好的潤濕PCD復合片和硬質合金表面,并能防止它們脫鈷,從而提高焊接強度,降低鉆頭的脫片率;特殊的焊前處理方法能在PCD或硬質合金表面燒滲一層Ni-Co-Pd合金層,填充其表面裂紋等缺陷,防止硬質合金脫鈷,具有良好一致的潤濕性,釬縫剪切強度可達320MPa。低銀釬料的研究一直是一個重要方向,一種低銀無鎘釬料結合與之匹配的釬劑使金剛石工具的剪切強度可達179.5MPa;組成為氟化鉀、氯化鈉、氟硼酸鉀、硼酸、蒸餾水等的銀釬焊膏,在500~700℃內可配合各種銀釬焊料使用,增加潤濕能力。與此同時,旨在降低成本、替代銀基釬料的低銀、無銀釬料的研究也很多,且效果很好。

5 結語

針對PCD耐熱性差的特點,采用水冷釬焊、惰性氣體保護釬焊等改進方法是為了減少加熱過程對PCD層的熱損傷,以相應地提高焊接溫度,獲得更高的焊接強度。

在改進現有技術的同時,新的制作方法也不斷涌現。美國宇航局噴氣推進實驗室開發了一種焊接碳化鎢和金剛石硬釬焊接點的微波加熱工藝。這種接點能承受硬巖石鉆探溫度達900℃,并能用來制造鉆地熱井所用的金剛石涂層鉆頭。其原理是利用微波具有選擇性加熱的特點,不使金剛石過熱又能夠達到釬焊溫度的要求。為了連接材料,把厚2~3mm的金剛石圓盤放在厚0.08~0.8mm釬焊層間的頂部(釬焊層位于碳化鎢襯底上面)。將這個裝置放在微波室的強電場中,加熱到釬料熔化為止。釬料及其尺寸是根據焊件不同熱膨脹系數使得接點強度達到最大而殘余應力最小來確定的。

綜上所述,合理的加熱方式是具有革命性意義的,可以帶來焊接質量的大幅度提高。接頭結構設計和釬料、釬劑的合理選擇以及水冷、保護氣體等輔助措施,均可改進現有技術的不足。


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