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)合金基底對釬料潤濕性差，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700℃，否則會引起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、真空擴散焊、真空釬焊、水冷釬焊、惰性氣體保護釬焊等。這些方法雖能達到足夠的焊接強度，但焊接設(shè)備投資大，運行維護費用高，且工藝過程復(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，使用銀基釬料（Ag-Cu-Zn-Cd），在空氣中利用高頻感應(yīng)加熱方式進行釬焊（釬焊溫度690℃）。這種釬焊工藝操作簡便，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
　　
　　無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程中釬料的熔化以及釬劑填縫過程密切相關(guān)。在高頻感應(yīng)加熱時，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，加熱時兩種材料各自膨脹，焊后冷卻時，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)來減少釬焊缺陷和殘余應(yīng)力。
　　
　　由圖可見，中間平面可保證焊接面間的相對位置精度，兩邊的縫隙有利于排出氣體和釬劑。加熱時，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，最后被排出釬縫之外，從而可獲得組織致密的釬縫。同時，兩邊的縫隙可減少熱膨脹系數(shù)較大的45鋼刀桿冷卻時的收縮量，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
　　
　?。?）試驗方法與設(shè)備
　　
　　a. 試驗方法
　　
　　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)加熱方式進行釬焊，焊后刀具經(jīng)緩慢冷卻后用噴砂機噴砂，以去除表面殘渣。
　　
　　影響PCD復(fù)合片釬焊強度的主要因素包括釬焊溫度、恒溫保持時間、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間對接頭強度影響最大，對焊接質(zhì)量起著決定性作用。為確定最佳釬焊溫度和時間，分別進行下列試驗：①釬料對45鋼刀桿和硬質(zhì)合金基底（YG8）潤濕能力的測試；②剪切強度與釬焊溫度的關(guān)系；③剪切強度與釬焊恒溫保持時間的關(guān)系；④剪切強度與釬焊金屬表面粗糙度的關(guān)系。
　　
　　b. 試驗材料與設(shè)備
　　
　　試驗材料：45鋼刀桿，PCD復(fù)合片，銀銅釬料，101釬劑，丙酮溶液。
　　
　　試驗設(shè)備：超聲波清洗器；工具顯微鏡；剪切強度測定裝置（自制）；用于控制釬焊參數(shù)和采集試驗數(shù)據(jù)的單片機模糊控制及同步數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（自行開發(fā)，結(jié)構(gòu)見圖2）。國產(chǎn)GP15-CW6型高頻感應(yīng)加熱設(shè)備（自制加熱感應(yīng)圈）；美國Wahl公司HSM-672型紅外測溫儀（響應(yīng)時間0.1s）。單片機控制系統(tǒng)由8031芯片加上各種擴展芯片及必要電路組成，采用臺灣PCL-818L型A/D轉(zhuǎn)換卡，ADC0809型A/D芯片，負載由加熱感應(yīng)圈和工件組成；前置放大電路選用OP-07和LM324對紅外測溫儀輸出信號進行放大，以便進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。

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)過程圖。圖中，橫坐標(biāo)為加熱時間t，采樣時間間隔為1ms；縱坐標(biāo)為輸出電壓值，由于紅外測溫儀的輸出關(guān)系為1mV對應(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段對應(yīng)數(shù)據(jù)的平均值作為釬焊溫度，BC段對應(yīng)的時間為釬焊恒溫保持時間。

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

　　a. 釬料對釬焊金屬的潤濕能力
　　
　　在PCD復(fù)合片釬焊接頭形成過程中，釬料對釬焊金屬的潤濕性能直接影響焊接質(zhì)量，因此需要測試分析釬料對釬焊金屬的潤濕情況。在不同溫度下，采用相同釬焊恒溫保持時間（20s），測量釬料對硬質(zhì)合金和45鋼的潤濕角，測量結(jié)果如圖4所示。
　　
　　由圖可見，對于45鋼刀桿和硬質(zhì)合金基底，隨著溫度升高，潤濕角隨之減小。在700℃附近潤濕角明顯下降，之后隨著溫度的升高，潤濕角變化不大。釬焊溫度對硬質(zhì)合金上釬料潤濕角的影響較45鋼大。在相同溫度下，45鋼的潤濕角小于硬質(zhì)合金的潤濕角，所以釬料對45鋼的潤濕性能優(yōu)于硬質(zhì)合金，即釬料與45 鋼的結(jié)合強度高于硬質(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)的事實也證明了這一點。

圖4 釬料對不同釬焊金屬的潤濕角與釬焊溫度的關(guān)系

　　b. 釬焊溫度對釬焊接頭強度的影響
　　
　　如圖5所示，選取7個溫度點在高頻感應(yīng)焊機上進行釬焊試驗。焊后對刀具進行噴砂處理，以去除焊接過程中產(chǎn)生的氧化皮，然后將刀具置于剪切破壞試驗裝置上測量其剪切強度，得到釬焊溫度與剪切強度的關(guān)系曲線（見圖5）。
　　隨著焊接溫度的升高，剪切強度增大。在670～680℃附近，剪切強度變化較大；在690℃附近剪切強度相對穩(wěn)定。

圖5 釬焊溫度與剪切強度的關(guān)系

　　c. 恒溫保持時間對釬焊接頭強度的影響
　　
　　對PCD復(fù)合片進行釬焊時，恒溫保持時間對接頭剪切強度的影響也十分重要。圖6所示為空氣中釬焊溫度為690℃時不同恒溫保持時間下的剪切強度變化曲線。由圖可見，接頭剪切強度隨著恒溫保持時間的延長而增加。恒溫保持時間小于16s時，剪切強度上升速度較快；恒溫保持時間大于16s后，剪切強度變化不大。如恒溫保持時間過長，則PCD層受損嚴(yán)重，影響焊后刀具的使用性能。

圖6 釬焊恒溫保持時間與剪切強度的關(guān)系

　　d. 釬焊金屬表面粗糙度對接頭強度的影響
　　
　　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釬焊接頭的剪切強度有重要影響。圖7所示為釬焊溫度為690℃、恒溫保持時間為20s時釬焊金屬表面粗糙度與剪切強度的關(guān)系。圖7a為45鋼刀桿表面粗糙度與剪切強度的關(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度的關(guān)系曲線。如上所述，釬料對45鋼的潤濕作用較強，對硬質(zhì)合金的潤濕作用較弱。復(fù)合片硬質(zhì)合金基底表面粗糙度在釬焊過程中主要影響釬料對其本身的潤濕性。隨著表面粗糙度的增大，硬質(zhì)合金粗糙表面溝槽所產(chǎn)生的毛細作用使其潤濕性增強，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，增強釬縫強度。但與此同時，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。試驗表明，當(dāng)45鋼刀桿焊接表面粗糙度為Ra712?m、硬質(zhì)合金基底焊接表面粗糙度為Ra0.180～0.250?m時，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度的關(guān)系
 

　　4. 結(jié)論
　　
　　通過對PCD復(fù)合片與45鋼刀桿高頻感應(yīng)釬焊的試驗研究，可得出如下結(jié)論：
　　
　?。?）高頻感應(yīng)釬焊PCD復(fù)合片時，釬焊溫度對剪切強度影響最大。為獲得釬焊強度較大的接頭，應(yīng)采用盡可能高的釬焊溫度（本試驗釬焊溫度為690℃）。
　　
　　（2）釬焊恒溫保持時間是影響釬焊強度的另一重要工藝參數(shù)。釬焊強度隨釬焊恒溫保持時間的增加而增大。根據(jù)試驗結(jié)果，高頻感應(yīng)釬焊PCD復(fù)合片時，恒溫保持時間可選取為16～20s。
　　
　?。?）釬焊強度隨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Ra7～12?m，硬質(zhì)合金基底焊接表面粗糙度可取Ra0.180～0.250?m。
　　
　?。?）采用部分不等間隙釬焊接頭設(shè)計可有效減少氣孔、夾渣等釬焊缺陷和焊接應(yīng)力，提高釬焊質(zhì)量。