刃具硬質(zhì)合金與結(jié)構(gòu)鋼釬焊工藝研究

呂鵬 劉慶梅 徐楠

（中航工業(yè)沈陽黎明航空發(fā)動機(jī)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 概述

硬質(zhì)合金與結(jié)構(gòu)鋼的焊接，因焊接質(zhì)量較差，只能作為量具對表件或普通硬質(zhì)合金車刀焊片時使用，不能用于高精度（要求同軸度0.02以內(nèi)）回轉(zhuǎn)類刃具的刀桿與刀刃部分對接使用，通過此論文說明一下高精度回轉(zhuǎn)類刃具的刀桿與刀刃的釬焊工藝過程及后期試驗(yàn)結(jié)果。

2 硬質(zhì)合金與結(jié)構(gòu)鋼的釬焊

2.1 硬質(zhì)合金的焊接特點(diǎn)

硬質(zhì)合金主要用于制造刀具、量具等雙金屬結(jié)構(gòu)。切削部分為硬質(zhì)合金，基體為碳素鋼、低合金鋼通常為中碳鋼。這類工件在工作時受到相當(dāng)大的應(yīng)力作用，特別是壓縮彎曲、沖擊和交變載荷，要求接頭強(qiáng)度高、質(zhì)量可靠。硬質(zhì)合金有高硬度和耐磨性好的特點(diǎn)，但是存在脆性高、韌性差等缺點(diǎn)。

2.1.1一般焊接特點(diǎn)

（1）線膨脹系數(shù)與釬焊裂紋的關(guān)系

硬質(zhì)合金的尺寸較小，一般固定在一個比較厚大的鋼支撐材料上。釬焊是把硬質(zhì)合金和基體金屬連接在一起的焊接方法。硬質(zhì)合金的線膨脹系數(shù)（4.1-7.0X10-6/℃）與普通鋼的線膨脹系數(shù)（12X10-6/℃）相比差別很大，硬質(zhì)合金只有鋼的1/3--1/2左右。加熱時硬質(zhì)合金和鋼都自由膨脹，但冷卻時鋼的收縮量比硬質(zhì)合金大的多。此時焊縫處于受壓力狀態(tài)，在硬質(zhì)合金表面則承受拉應(yīng)力，如果殘余應(yīng)力大于硬質(zhì)合金的抗拉強(qiáng)度時，硬質(zhì)合金表面就可能產(chǎn)生裂紋。這是硬質(zhì)合金釬焊時產(chǎn)生裂紋的主要原因之一。

（2）硬度與裂紋敏感性的關(guān)系

硬質(zhì)合金的硬度與耐磨性和焊接裂紋敏感性成正比，硬質(zhì)合金的硬度越高，釬焊時產(chǎn)生裂紋的可能性越大。而且，一般精加工或超精加工所用的硬質(zhì)合金，在釬焊時容易發(fā)生裂紋。

（3）焊接殘余應(yīng)力的影響

焊接區(qū)域的殘余應(yīng)力是一種潛在的危害，盡管焊接硬質(zhì)合金工件上不一定馬上發(fā)現(xiàn)裂紋，但隨后的刃磨、保管或使用過程中卻容易產(chǎn)生裂紋，造成工具報(bào)廢。焊接時必須采取措施減小釬焊應(yīng)力，可采取降低釬焊溫度、焊前預(yù)熱及緩冷、選用塑性較好的釬料、加補(bǔ)償墊片、改進(jìn)接頭結(jié)構(gòu)等措施。釬焊大面積硬質(zhì)合金時，無論強(qiáng)度高低，均應(yīng)采取特殊措施，以減小焊接應(yīng)力和防止裂紋的產(chǎn)生。

（4）氧化問題

硬質(zhì)合金在空氣中加熱到800℃以上時，硬質(zhì)合金表面開始氧化，生成疏松的氧化物層，同時伴隨脫碳現(xiàn)象。加熱至950-1100℃時，表面層會發(fā)生劇烈氧化，形成的氧化薄膜使硬質(zhì)合金變脆，降低力學(xué)性能。表面氧化層的存在，也降低了焊縫的強(qiáng)度、硬度。在焊接時采取措施盡量減少硬質(zhì)合金焊接部位的氧化現(xiàn)象，是提高焊接質(zhì)量的重要措施。

2.2 基體材料的選擇和槽型設(shè)計(jì)

2.2.1 基體材料的選擇

硬質(zhì)合金通常與基體材料連接在一起使用，基體材料的選擇主要考慮硬質(zhì)合金使用時所受載荷的大小。一般載荷的刀具基體材料可用45鋼或40Cr鋼。需要淬硬的刀體可選用9SiCr鋼，因?yàn)?SiCr鋼焊后淬火用的冷卻介質(zhì)溫度比40Cr高，對硬質(zhì)合金有利。

2.2.2 槽型設(shè)計(jì)

鋼與硬質(zhì)合金刀具釬焊質(zhì)量的好壞還決定于刀槽形狀的設(shè)計(jì)是否合理，硬質(zhì)合金槽型的設(shè)計(jì)是否合理。硬質(zhì)合金槽形設(shè)計(jì)原則如下：

（1）盡量減少釬焊面，避免采用封閉和半封閉槽型結(jié)構(gòu)，以減少釬焊應(yīng)力，防止產(chǎn)生裂紋，盡可能采用自由焊槽形，使釬焊應(yīng)力降低到最低。

（2）焊接前裝配硬質(zhì)合金時應(yīng)盡量靠硬質(zhì)合金自重或靠基體上的凸臺、凹槽等部位定位，盡量避免使用夾具固定硬質(zhì)合金。

（3）設(shè)計(jì)槽型時應(yīng)考慮在釬焊過程中便于排渣，避免因焊縫中夾渣而使焊縫強(qiáng)度降低或脫焊現(xiàn)象。

（4）釬焊后刀頭部分不應(yīng)黏附過多的焊料，以免刃磨困難，尤其是在設(shè)計(jì)硬質(zhì)合金多刃刀具時應(yīng)特別注意。

2.3 硬質(zhì)合金與鋼的釬焊

硬質(zhì)合金與鋼的釬焊方法主要有氧氣--炔火焰釬焊、高頻感應(yīng)釬焊、接觸電阻釬焊、浸銅釬焊以及爐中釬焊等種類。

2.3.1 釬焊方法-高頻感應(yīng)釬焊

高頻感應(yīng)釬焊使用頻率為600KHz，功率為10KW-100KW之間的高頻感應(yīng)加熱源，產(chǎn)生高頻電流。當(dāng)高頻電流穿過感應(yīng)器時產(chǎn)生高頻交變磁場，在感應(yīng)器中的被焊金屬產(chǎn)生感應(yīng)電流。高頻加熱速度很快，可以在很短時間內(nèi)加熱到很高的溫度，使焊料熔化。

2.3.2 硬質(zhì)合金釬料與釬劑

（1）釬料的選擇

①釬料應(yīng)對被釬焊硬質(zhì)合金和鋼基體有良好的潤濕能力，保證釬料具有良好的流動性與滲透性。

②硬質(zhì)合金的使用特點(diǎn)有較高的紅硬性，所以要保證釬焊焊縫在常溫下有足夠的硬度。

③釬料的熔點(diǎn)要盡可能地低，以減少釬焊應(yīng)力，防止發(fā)生裂紋，但釬料的熔點(diǎn)要高于焊縫的工作溫度300℃，保證正常切削。

我廠多使用常溫釬料H62。

（2）釬劑的選擇

釬劑的作用是使刀桿和釬焊表面的氧化物還原，使釬料能很好的潤濕被釬焊的金屬表面，一般釬劑的熔點(diǎn)低于釬料100℃以上，并有較好的流動性和較低的黏度。

我廠使用硼砂作為硬質(zhì)合金與鋼釬焊的最常用釬劑，使用中應(yīng)該注意各種硼砂的適用范圍。

①工業(yè)硼砂在釬焊加熱過程中會產(chǎn)生大量泡沫，不但使釬焊操作困難，而且也影響焊縫質(zhì)量，最好不要采用。

②脫水硼砂可用于各種牌號硬質(zhì)合金工作，釬焊溫度范圍850℃-1150℃左右，不能用于800℃以下釬料，保存應(yīng)注意防潮。

2.3.3 硬質(zhì)合金與鋼的釬焊工藝

（1）焊前準(zhǔn)備

①焊前應(yīng)檢查硬質(zhì)合金是否有裂紋、彎曲等缺陷，保證釬焊面平整并保證有一定幾何形狀，保持與基體間有良好接觸。

②對硬質(zhì)合金進(jìn)行噴砂處理去除釬焊表面的氧化層和黑色字母，防止脫焊。

（2）釬焊過程

①焊接硬質(zhì)合金工具時均勻加熱刀桿和刀頭是保證焊接質(zhì)量的基本條件。如果硬質(zhì)合金部分溫度高于刀桿，熔化后的釬料潤濕硬質(zhì)合金而不能潤濕刀桿，接頭強(qiáng)度降低，沿焊縫剪切硬質(zhì)合金時，釬料不破壞，而隨硬質(zhì)合金脫開。如果相反，現(xiàn)象相反。

②釬焊后冷卻

冷卻時硬質(zhì)合金片表面產(chǎn)生瞬時拉應(yīng)力，硬質(zhì)合金的抗拉應(yīng)力大大低于抗壓應(yīng)力。通常焊接后工件立即插入石灰槽或木炭粉槽中，使工件緩慢冷卻。有條件的可在釬焊后立即將工件放入220℃-250℃爐內(nèi)回火6h-8h。采用低溫回火處理能消除部分釬焊應(yīng)力，減小裂紋和延長硬質(zhì)合金工具使用壽命。

③焊后清理

要對焊好的硬質(zhì)合金工件進(jìn)行焊后清理，以便將焊縫周圍殘余的溶劑清理干凈，常用清除方法是將焊后冷卻工件放入沸水中煮1-2h左右，然后再進(jìn)行噴砂處理，即可清除焊縫四周黏附的殘余釬劑和氧化物。

（3）釬焊的質(zhì)量檢驗(yàn)

正常的焊縫應(yīng)均勻無黑斑，釬料未填滿的焊縫不大于焊縫總長10%，焊縫寬度小于0.15mm。硬質(zhì)合金裂紋傾向可用下面方法檢測。

①刀具經(jīng)噴砂處理后，用煤油清洗，用肉眼和放大鏡觀察。有裂紋時有明顯黑線。

②用65%煤油、30%的變壓器油及5%的松節(jié)油調(diào)成溶液，加入少量蘇丹紅，將檢查的刃具放入該溶液中浸泡10-15min，取出用清水洗凈，涂上高嶺土，烘干后檢查表面，如果有裂紋，溶液的顏色將在白土顯示出來，肉眼可查。

3 刃具焊接及后續(xù)試驗(yàn)

3.1 刃具焊接結(jié)構(gòu)：

3.1.1 焊接結(jié)構(gòu)分類

插入式結(jié)構(gòu)

3.1.2 焊接后刃具

3.1.3 焊接體常溫力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告通過實(shí)際測量刀桿可抗拉力18070N。

3.1.4 試件的加工

通過使用CrWMn為試驗(yàn)切削材料，淬火到HRC50-55，用數(shù)控銑機(jī)床進(jìn)行切削試驗(yàn)。

結(jié)論

刃具可以完成預(yù)先設(shè)計(jì)好試驗(yàn)加工過程，加工中刃具性能穩(wěn)定可靠。

結(jié)語

通過此項(xiàng)目達(dá)到硬質(zhì)合金與結(jié)構(gòu)鋼釬焊刀桿的現(xiàn)場應(yīng)用，能夠更好利用現(xiàn)有設(shè)備、人員完成此項(xiàng)目所要求的工藝過程。

[1]朱警雷，黃繼華，張華.趙興科.硬質(zhì)合金與鋼異種金屬焊接的研究進(jìn)展[J].焊接，2008.

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[3]王立躍.硬質(zhì)合金的焊接特點(diǎn)、方法與研發(fā)進(jìn)展[J].現(xiàn)代焊接.2010.