摘要：采用部分不等間隙接頭設(shè)計(jì)方案和Ag-Cu-Zn-Cd釬料，通過(guò)在空氣中高頻感應(yīng)加熱(釬焊溫度690℃)，成功實(shí)現(xiàn)了PCD復(fù)合片與45鋼刀桿的高強(qiáng)度焊接。根據(jù)釬焊試驗(yàn)結(jié)果，分析了釬料潤(rùn)濕性、釬焊溫度、恒溫保持時(shí)間和釬焊金屬表面粗糙度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響。
　　1 引言
　　
　　聚晶金剛石復(fù)合片由PCD層和硬質(zhì)合金基底組成。PCD層具有高硬度，硬質(zhì)合金基底則具有良好韌性，二者結(jié)合使PCD復(fù)合片具有優(yōu)異的切削性能，因此在金屬切削加工和鉆探等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。
　　
　　聚晶金剛石復(fù)合片釬焊工藝是制造聚晶金剛石刀具的關(guān)鍵技術(shù)。聚晶金剛石復(fù)合片的硬質(zhì)合金基底對(duì)釬料潤(rùn)濕性差，與45鋼刀桿的熱膨脹系數(shù)差異大，易產(chǎn)生焊接應(yīng)力，造成脫焊，不易保證焊接質(zhì)量。硬質(zhì)合金的釬焊通常采用Mn基釬料，釬焊溫度約為1000℃。而PCD層的耐熱溫度一般不超過(guò)700℃，否則會(huì)引起PCD層石墨化，降低釬焊后刀具的使用性能，因此必須采用既可降低釬焊溫度又可保證焊接強(qiáng)度的焊接方法。目前常用的PCD復(fù)合片釬焊方法主要有激光焊接、真空擴(kuò)散焊、真空釬焊、水冷釬焊、惰性氣體保護(hù)釬焊等。這些方法雖能達(dá)到足夠的焊接強(qiáng)度，但焊接設(shè)備投資大，運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高，且工藝過(guò)程復(fù)雜，生產(chǎn)操作繁瑣，大大增加了PCD刀具的制造成本，不利于這種先進(jìn)刀具的推廣應(yīng)用。本文采用部分不等間隙接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用銀基釬料(Ag-Cu-Zn-Cd)，在空氣中利用高頻感應(yīng)加熱方式進(jìn)行釬焊(釬焊溫度690℃)。這種釬焊工藝操作簡(jiǎn)便，生產(chǎn)效率高，加工成本低，并可保證釬焊質(zhì)量。

　　圖1 部分不等間隙接頭結(jié)構(gòu)示意圖
　　2 可減少焊接缺陷和殘余應(yīng)力的接頭設(shè)計(jì)
　　
　　
　　
　　無(wú)論采用何種釬焊工藝，一般很難完全消除釬焊缺陷。釬縫中產(chǎn)生氣孔、夾渣等缺陷與釬焊過(guò)程中釬料的熔化以及釬劑填縫過(guò)程密切相關(guān)。在高頻感應(yīng)加熱時(shí)，由于集膚效應(yīng)和尖角效應(yīng)的影響，45鋼刀桿釬縫的邊緣溫度高于內(nèi)部溫度，邊緣釬料首先融化，使釬縫內(nèi)部殘留的氣體、釬劑等很難從狹窄的平行間隙中排出釬縫，因此容易在釬縫中形成氣孔、夾渣等缺陷。由于硬質(zhì)合金基底的熱膨脹系數(shù)(a=4.5～7×10-6/K)與45鋼刀桿的熱膨脹系數(shù)(a=11.65×10-6/K)相差較大，加熱時(shí)兩種材料各自膨脹，焊后冷卻時(shí)，由于焊料已將兩種材料牢固連接而不能自由收縮，從而在材料中引起殘余應(yīng)力(焊縫處為壓應(yīng)力，PCD表面為拉應(yīng)力)，并使焊接質(zhì)量下降。為提高焊接質(zhì)量，在實(shí)際生產(chǎn)中可采用圖1所示的部分不等間隙接頭結(jié)構(gòu)來(lái)減少釬焊缺陷和殘余應(yīng)力。
　　
　　由圖可見(jiàn)，中間平面可保證焊接面間的相對(duì)位置精度，兩邊的縫隙有利于排出氣體和釬劑。加熱時(shí)，首先用釬料填滿釬縫的中間部分，然后再填充邊緣部分，中間部分包圍的氣體、夾渣隨釬料的填縫作用逐漸向邊緣大間隙處流動(dòng)，最后被排出釬縫之外，從而可獲得組織致密的釬縫。同時(shí)，兩邊的縫隙可減少熱膨脹系數(shù)較大的45鋼刀桿冷卻時(shí)的收縮量，以緩解殘余應(yīng)力的增大。在二者綜合作用下，釬焊質(zhì)量可大大提高。
　　3 PCD復(fù)合片高頻感應(yīng)釬焊試驗(yàn)
　　試驗(yàn)方法與設(shè)備
　　試驗(yàn)方法
　　PCD復(fù)合片經(jīng)EDM切割成所需形狀后，用金剛石砂輪磨削硬質(zhì)合金基底，再將其放入超聲波清洗器中進(jìn)行清洗，然后連同經(jīng)銼削加工的45鋼刀桿和經(jīng)砂紙打磨的釬料片一起放入丙酮溶液中浸泡2～4小時(shí)備用。按順序?qū)⑩F劑(糊狀)、釬料片、復(fù)合片放在45鋼刀桿上，然后在空氣中采用高頻感應(yīng)加熱方式進(jìn)行釬焊，焊后刀具經(jīng)緩慢冷卻后用噴砂機(jī)噴砂，以去除表面殘?jiān)?。影響PCD復(fù)合片釬焊強(qiáng)度的主要因素包括釬焊溫度、恒溫保持時(shí)間、釬焊金屬表面加工質(zhì)量等，其中以釬焊溫度和恒溫保持時(shí)間對(duì)接頭強(qiáng)度影響最大，對(duì)焊接質(zhì)量起著決定性作用。為確定最佳釬焊溫度和時(shí)間，分別進(jìn)行下列試驗(yàn)：①釬料對(duì)45鋼刀桿和硬質(zhì)合金基底(YG8)潤(rùn)濕能力的測(cè)試；②剪切強(qiáng)度與釬焊溫度的關(guān)系；③剪切強(qiáng)度與釬焊恒溫保持時(shí)間的關(guān)系；④剪切強(qiáng)度與釬焊金屬表面粗糙度的關(guān)系。

　　圖2 模糊控制與同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
　　試驗(yàn)材料與設(shè)備
　　試驗(yàn)材料：45鋼刀桿，PCD復(fù)合片，銀銅釬料，101釬劑，丙酮溶液。
　　試驗(yàn)設(shè)備：超聲波清洗器；工具顯微鏡；剪切強(qiáng)度測(cè)定裝置(自制)；用于控制釬焊參數(shù)和采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)的單片機(jī)模糊控制及同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(自行開(kāi)發(fā)，結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2)。國(guó)產(chǎn)GP15-CW6型高頻感應(yīng)加熱設(shè)備(自制加熱感應(yīng)圈)；美國(guó)Wahl公司HSM-672型紅外測(cè)溫儀(響應(yīng)時(shí)間0.1s)。單片機(jī)控制系統(tǒng)由8031芯片加上各種擴(kuò)展芯片及必要電路組成，采用臺(tái)灣PCL-818L型A/D轉(zhuǎn)換卡，ADC0809型A/D芯片，負(fù)載由加熱感應(yīng)圈和工件組成；前置放大電路選用OP-07和LM324對(duì)紅外測(cè)溫儀輸出信號(hào)進(jìn)行放大，以便進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

　圖3 系統(tǒng)采集的釬焊過(guò)程加熱熱循環(huán)數(shù)據(jù)

圖4 釬料對(duì)不同釬焊金屬的潤(rùn)濕角與釬焊溫度的關(guān)系

　圖5 釬焊溫度與剪切強(qiáng)度的關(guān)系

　　圖6 釬焊恒溫保持時(shí)間與剪切強(qiáng)度的關(guān)系
　　
　　試驗(yàn)結(jié)果與分析
　　根據(jù)系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)，可得出圖3所示感應(yīng)加熱釬焊熱循環(huán)過(guò)程圖。圖中，橫坐標(biāo)為加熱時(shí)間t，采樣時(shí)間間隔為1ms；縱坐標(biāo)為輸出電壓值，由于紅外測(cè)溫儀的輸出關(guān)系為1mV對(duì)應(yīng)于1℃，因此可直接用溫度值T標(biāo)注。曲線AB段為加熱升溫階段，BC段為釬焊恒溫階段，CD段為停止加熱階段。取BC段對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)的平均值作為釬焊溫度，BC段對(duì)應(yīng)的時(shí)間為釬焊恒溫保持時(shí)間。
　　
　　釬料對(duì)釬焊金屬的潤(rùn)濕能力
　　在PCD復(fù)合片釬焊接頭形成過(guò)程中，釬料對(duì)釬焊金屬的潤(rùn)濕性能直接影響焊接質(zhì)量，因此需要測(cè)試分析釬料對(duì)釬焊金屬的潤(rùn)濕情況。在不同溫度下，采用相同釬焊恒溫保持時(shí)間(20s)，測(cè)量釬料對(duì)硬質(zhì)合金和45鋼的潤(rùn)濕角，測(cè)量結(jié)果如圖4所示。
　　由圖可見(jiàn)，對(duì)于45鋼刀桿和硬質(zhì)合金基底，隨著溫度升高，潤(rùn)濕角隨之減小。在700℃附近潤(rùn)濕角明顯下降，之后隨著溫度的升高，潤(rùn)濕角變化不大。釬焊溫度對(duì)硬質(zhì)合金上釬料潤(rùn)濕角的影響較45鋼大。在相同溫度下，45鋼的潤(rùn)濕角小于硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕角，所以釬料對(duì)45鋼的潤(rùn)濕性能優(yōu)于硬質(zhì)合金，即釬料與45 鋼的結(jié)合強(qiáng)度高于硬質(zhì)合金。在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)剪切破壞斷面主要發(fā)生在硬質(zhì)合金一側(cè)的事實(shí)也證明了這一點(diǎn)。
　　
　　釬焊溫度對(duì)釬焊接頭強(qiáng)度的影響
　　如圖5所示，選取7個(gè)溫度點(diǎn)在高頻感應(yīng)焊機(jī)上進(jìn)行釬焊試驗(yàn)。焊后對(duì)刀具進(jìn)行噴砂處理，以去除焊接過(guò)程中產(chǎn)生的氧化皮，然后將刀具置于剪切破壞試驗(yàn)裝置上測(cè)量其剪切強(qiáng)度，得到釬焊溫度與剪切強(qiáng)度的關(guān)系曲線(見(jiàn)圖5)。隨著焊接溫度的升高，剪切強(qiáng)度增大。在670～680℃附近，剪切強(qiáng)度變化較大；在690℃附近剪切強(qiáng)度相對(duì)穩(wěn)定。
　　
　　恒溫保持時(shí)間對(duì)釬焊接頭強(qiáng)度的影響
　　對(duì)PCD復(fù)合片進(jìn)行釬焊時(shí)，恒溫保持時(shí)間對(duì)接頭剪切強(qiáng)度的影響也十分重要。圖6所示為空氣中釬焊溫度為690℃時(shí)不同恒溫保持時(shí)間下的剪切強(qiáng)度變化曲線。由圖可見(jiàn)，接頭剪切強(qiáng)度隨著恒溫保持時(shí)間的延長(zhǎng)而增加。恒溫保持時(shí)間小于16s時(shí)，剪切強(qiáng)度上升速度較快；恒溫保持時(shí)間大于16s后，剪切強(qiáng)度變化不大。如恒溫保持時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，則PCD層受損嚴(yán)重，影響焊后刀具的使用性能。
　　
　　釬焊金屬表面粗糙度對(duì)接頭強(qiáng)度的影響
　　PCD復(fù)合片硬質(zhì)合金基底與45鋼刀桿釬焊表面粗糙度對(duì)釬焊接頭的剪切強(qiáng)度有重要影響。圖7所示為釬焊溫度為690℃、恒溫保持時(shí)間為20s時(shí)釬焊金屬表面粗糙度與剪切強(qiáng)度的關(guān)系。圖7a為45鋼刀桿表面粗糙度與剪切強(qiáng)度的關(guān)系曲線；圖7b為PCD復(fù)合片硬質(zhì)合金基底的表面粗糙度與剪切強(qiáng)度的關(guān)系曲線。如上所述，釬料對(duì)45鋼的潤(rùn)濕作用較強(qiáng)，對(duì)硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕作用較弱。復(fù)合片硬質(zhì)合金基底表面粗糙度在釬焊過(guò)程中主要影響釬料對(duì)其本身的潤(rùn)濕性。隨著表面粗糙度的增大，硬質(zhì)合金粗糙表面溝槽所產(chǎn)生的毛細(xì)作用使其潤(rùn)濕性增強(qiáng)，與液態(tài)釬料的接觸面積隨之增大，從而可加速45鋼向液態(tài)釬料的熔解，增強(qiáng)釬縫強(qiáng)度。但與此同時(shí)，隨著表面粗糙度增大，釬焊缺陷也隨之增多，嚴(yán)重影響PCD復(fù)合片的焊接質(zhì)量。試驗(yàn)表明，當(dāng)45鋼刀桿焊接表面粗糙度為Ra712µm、硬質(zhì)合金基底焊接表面粗糙度為Ra0.180～0.250µm時(shí)，高頻感應(yīng)釬焊PCD復(fù)合片獲得的釬縫質(zhì)量最好。

　　圖7 釬焊金屬表面粗糙度與剪切強(qiáng)度的關(guān)系
　　
　　結(jié)論
　　
　　通過(guò)對(duì)PCD復(fù)合片與45鋼刀桿高頻感應(yīng)釬焊的試驗(yàn)研究，可得出如下結(jié)論：高頻感應(yīng)釬焊PCD復(fù)合片時(shí)，釬焊溫度對(duì)剪切強(qiáng)度影響最大。為獲得釬焊強(qiáng)度較大的接頭，應(yīng)采用盡可能高的釬焊溫度(本試驗(yàn)釬焊溫度為690℃)。
　　
　　釬焊恒溫保持時(shí)間是影響釬焊強(qiáng)度的另一重要工藝參數(shù)。釬焊強(qiáng)度隨釬焊恒溫保持時(shí)間的增加而增大。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，高頻感應(yīng)釬焊PCD復(fù)合片時(shí)，恒溫保持時(shí)間可選取為16～20s。
　　
　　釬焊強(qiáng)度隨PCD復(fù)合片硬質(zhì)合金基底和45鋼刀桿釬焊表面粗糙度值的增加而增大。一般情況下，45鋼刀桿焊接表面粗糙度可取Ra7～12µm，硬質(zhì)合金基底焊接表面粗糙度可取Ra0.180～0.250µm。
　　
　　采用部分不等間隙釬焊接頭設(shè)計(jì)可有效減少氣孔、夾渣等釬焊缺陷和焊接應(yīng)力，提高釬焊質(zhì)量。