硬質(zhì)合金工具焊接質(zhì)量問題與解決方法

蔣青谷

（桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司，廣西桂林541004）

硬質(zhì)合金工具焊接質(zhì)量問題與解決方法

蔣青谷

（桂林廣陸數(shù)字測(cè)控有限公司，廣西桂林541004）

硬質(zhì)合金是一種通過粉末冶金方法制備的金屬陶瓷材料，它具有高強(qiáng)度、高硬度、高彈性模量、耐磨損、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)小以及化學(xué)性質(zhì)較為穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于切削工具、耐磨零件、采礦與筑路工程機(jī)械等領(lǐng)域。但硬質(zhì)合金的材質(zhì)比較脆，而且價(jià)格較高，這些因素使其難以被制成大尺寸、形狀復(fù)雜的工具或零部件，而硬質(zhì)合金與鋼基體材質(zhì)焊接可以得到形式多樣的工具或零部件，大大的擴(kuò)展了其應(yīng)用領(lǐng)域。但硬質(zhì)合金焊接時(shí)容易出現(xiàn)淬硬組織、變形和裂紋等問題，必須采取有效的工藝方法和措施，才能獲得較好的焊接質(zhì)量。一般生產(chǎn)中硬質(zhì)合金與鋼基體焊接常用的焊接方法主要有釬焊和擴(kuò)散焊，一些新方法如電弧焊，電子束焊，激光焊等也在各應(yīng)用領(lǐng)域積極的研究探索之中。本文主要針對(duì)硬質(zhì)合金的感應(yīng)釬焊工藝結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行闡述。

硬質(zhì)合金；釬焊：裂紋

硬質(zhì)合金是由金屬碳化物（碳化鎢、碳化鈦、碳化鈮和碳化釩等）與黏結(jié)劑（金屬鈷或金屬鎳等）通過粉末冶金方法制備的金屬陶瓷材料。

1 硬質(zhì)合金的分類及用途[1]

我國生產(chǎn)的硬質(zhì)合金分為YT和YG兩大類。

YT類是由碳化鈦、碳化鎢和鈷等組成，主要成分為WC、TiC和Co，多用于制作切削鋼材的刀具。

YG類是碳化鎢和鈷的合金，主要成分是WC和Co，多用于制造切削鑄鐵件、淬火鋼、不銹鋼等的刀具，以及用于制造各種硬質(zhì)合金量具、模具、地質(zhì)采礦和石油鉆井用的采掘工具等。

此外，還有YW類加入少量碳化鉭或碳化鈮等貴重金屬碳化物的鈦鎢鈷類硬質(zhì)合金，用做切削特殊耐熱合金材料的刀具。

2 硬質(zhì)合金的應(yīng)用[2]

硬質(zhì)合金主要釬焊于刀具、量具、模具、采掘工具等的工作面。其工作面部分為硬質(zhì)合金，基體為碳素鋼或低合金鋼。這類工件在工作時(shí)受到相當(dāng)大的擠壓、沖擊或交變載荷，這就要求焊縫強(qiáng)度高、質(zhì)量可靠。硬質(zhì)合金本身硬度高和耐磨好，但脆性高、韌性差。大部分工具是將硬質(zhì)合金焊接在鋼基體上使用，所以焊接質(zhì)量的好壞直接影響到硬質(zhì)合金工具的使用效果和壽命。

3 硬質(zhì)合金與鋼基體的焊接特性[2]

與硬質(zhì)合金焊接的基體材料一般是碳素鋼，硬質(zhì)合金線（熱）膨脹系數(shù)一般為鋼的1/2左右，而且硬質(zhì)合金的導(dǎo)熱率較低，所以焊接時(shí)易出現(xiàn)如下問題：

3.1 焊接產(chǎn)生裂紋

硬質(zhì)合金的線（熱）膨脹系數(shù)較小，硬質(zhì)合金與鋼基體焊后由于不能同步冷卻收縮，焊縫區(qū)會(huì)形成很大的應(yīng)力，導(dǎo)致硬質(zhì)合金變形、開裂或焊縫開裂及硬質(zhì)合金脫落。

3.2 焊接區(qū)發(fā)生脆化

釬焊金屬成分向焊縫區(qū)液態(tài)釬料擴(kuò)散，使釬焊金屬發(fā)生表面組織改變甚至溶蝕，導(dǎo)致焊接區(qū)發(fā)生脆化和接頭的抗彎強(qiáng)度低。

3.3 焊接產(chǎn)生致密性低缺陷

這主要是出現(xiàn)在釬焊的焊縫中。當(dāng)加熱溫度過高、升溫過快時(shí)，造成釬縫氧化及釬料成分的嚴(yán)重?zé)龘p；而加熱溫度偏低或加熱不均勻，則釬料流動(dòng)性不好，形成虛焊,且焊縫內(nèi)留有大量氣孔和夾渣，以至嚴(yán)重降低焊縫強(qiáng)度。

4 硬質(zhì)合金與鋼基體的焊接方法、質(zhì)量問題、解決方法

一般生產(chǎn)中硬質(zhì)合金與鋼焊接常用的焊接方法主要有釬焊和擴(kuò)散焊，一些新方法如電弧焊、電子束焊、激光焊等也在各應(yīng)用領(lǐng)域積極的研究探索之中。本文主要針對(duì)硬質(zhì)合金的感應(yīng)釬焊工藝結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)進(jìn)行闡述。

4.1 感應(yīng)釬焊[2]

感應(yīng)釬焊是感應(yīng)圈通過感應(yīng)電流對(duì)焊接區(qū)域進(jìn)行加熱，感應(yīng)電流使釬料液化后把硬質(zhì)合金與鋼基體潤濕，冷卻后就形成一體胚件。感應(yīng)釬焊的優(yōu)點(diǎn)是能對(duì)工具局部進(jìn)行迅速加熱，能減輕工具變形、硬質(zhì)合金過熱和氧化，有利于提高焊接質(zhì)量和效率，可以在空氣中作業(yè)，也可以在保護(hù)氣氛下作業(yè)；缺點(diǎn)是設(shè)備配套復(fù)雜，且體積大、資金投入高，還有感應(yīng)電流的趨表效應(yīng)，當(dāng)釬焊大厚工件時(shí)，工件內(nèi)部升溫慢，加熱不均勻，難于保證釬焊質(zhì)量，且效率也低，所以感應(yīng)釬焊一般只用于焊接結(jié)構(gòu)型式簡單、細(xì)長的小尺寸胚件。

4.1.1 感應(yīng)釬焊相關(guān)工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響

感應(yīng)圈是感應(yīng)釬焊加熱設(shè)備的重要元件,感應(yīng)圈通過感應(yīng)電流對(duì)焊件進(jìn)行加熱,感應(yīng)圈的結(jié)構(gòu)、規(guī)格尺寸是否合適對(duì)釬焊質(zhì)量和生產(chǎn)率有很大影響。設(shè)計(jì)和制作感應(yīng)圈應(yīng)該使感應(yīng)圈的形狀與工件焊縫加熱區(qū)的形狀相仿,一般使用外徑4～10 mm的圓或扁銅管繞制而成，在不影響焊接作業(yè)的情況下，感應(yīng)圈與焊件之間的間隙盡量?。▽?shí)踐證明間隙為1～2 mm比較合適），有助于提高加熱效率。為了使焊件加熱平穩(wěn)、均勻，防止焊件尖角處發(fā)生局部過熱甚至熔化,要合理選用感應(yīng)圈的匝數(shù)、形狀及選用合適的感應(yīng)電流頻率等參數(shù)，并且最好多次試用、調(diào)整線圈參數(shù)，取得較好的方案后批量使用[2]。

加熱和冷卻速度對(duì)焊接質(zhì)量有很大影響。加熱速度太快會(huì)是工具內(nèi)部加熱不均勻，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力和變形;加熱過慢會(huì)促進(jìn)諸如母材晶粒長大，釬料中低沸點(diǎn)組元蒸發(fā)以及釬料分解等有害過程發(fā)生。通常加熱以不超過100℃/s為宜。冷卻速度太快,合金內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生很大的收縮應(yīng)力;冷卻速度太慢,雖然能減小焊接應(yīng)力,但對(duì)鋼體材質(zhì)的淬火不利，所以一般以60℃/s為宜（見表4.2.2）[3]。

焊縫間隙（焊縫厚度）是確保焊接質(zhì)量的重要參數(shù)。焊縫層過薄,會(huì)發(fā)生流動(dòng)填充不充分（釬不透）的缺陷,使焊接強(qiáng)度下降和焊接應(yīng)力增加;而焊縫層過厚,則毛細(xì)作用減弱,也會(huì)導(dǎo)致填充不充分（釬不透）的現(xiàn)象,即便是填充充分，焊縫的強(qiáng)度也會(huì)下降，甚至自由釬料本身的強(qiáng)度[3]。因而大小適中的焊縫層厚度對(duì)減小焊接應(yīng)力和增強(qiáng)焊縫牢度有很大的關(guān)系。

4.2 硬質(zhì)合金與鋼的感應(yīng)釬焊工藝方法，質(zhì)量問題和解決方法

4.2.1 焊前準(zhǔn)備工作

（1）焊前先檢查硬質(zhì)合金是否有缺陷。焊接面必須符合圖紙技術(shù)要求，保證合金與基體之間有平行的縫隙，才容易保證焊接質(zhì)量。

（2）對(duì)硬質(zhì)合金焊接面進(jìn)行噴砂處理或者打磨處理，去除釬焊面上的氧化層和油脂，保證釬料液化后容易潤濕硬質(zhì)合金，避免發(fā)生虛焊甚至脫焊現(xiàn)象[2]。

（3）焊接前檢查鋼基體上的焊接面是否符合圖紙技術(shù)要求。鋼基體也要進(jìn)行噴砂處理，并且清洗去除油污。干燥后再進(jìn)行焊接。

（4）釬料事先裁剪下料，并用酒精或汽油清洗；有特定要求的釬料形狀應(yīng)與焊接面相仿[2]。

（5）實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)證明：鋼基體的焊接位局部如果沒有高硬度要求的，應(yīng)確保焊接區(qū)域的低硬度初始狀態(tài)或?qū)φw淬火胚料的局部進(jìn)行高頻局部退火處理，這樣能減少鋼基體淬火應(yīng)力對(duì)焊縫質(zhì)量的影響；如果鋼基體存在淬火應(yīng)力，釬焊加熱再產(chǎn)生應(yīng)力，綜合作用很容易出現(xiàn)硬質(zhì)合金變形、開裂或焊縫開裂及硬質(zhì)合金脫落等質(zhì)量問題。

4.2.2 釬焊過程及工藝參數(shù)

（1）加熱速度對(duì)焊接質(zhì)量有明顯的影響。

部分硬質(zhì)合金焊接時(shí)允許的加熱速度如下表[3]。

表1 部分硬質(zhì)合金焊接時(shí)允許的加熱速度（＊℃/s）

（2）實(shí)踐證明釬焊操作順序和釬料、釬劑位置對(duì)釬焊質(zhì)量有直接的影響。合適的順序是：先在鋼基體和硬質(zhì)合金焊接位置上撒上釬劑或涂上釬劑，在固定的鋼基體放上釬料，最后放上硬質(zhì)合金。

（3）焊接后的冷卻速度是影響釬焊裂紋的主要因素之一。冷卻時(shí)硬質(zhì)合金表面產(chǎn)生瞬間拉應(yīng)力，由于硬質(zhì)合金的抗拉應(yīng)力遠(yuǎn)低于抗壓應(yīng)力，所以控制好焊接后的冷卻速度非常重要。通常做法是將焊后工件立即沒入石灰粉或木炭粉中，使工件緩慢冷卻。這種方法操作簡單，有一定回火去應(yīng)力的效果，但是無法控制回火溫度和效果。最好能在焊后馬上將工件放入回火爐中，以320～350℃回火6 h.及時(shí)低溫回火處理能消除部分釬焊應(yīng)力，減少裂紋產(chǎn)生，延長硬質(zhì)合金工具的使用壽命[3]。

4.2.3 確定的釬焊工藝質(zhì)量檢驗(yàn)及方法

驗(yàn)證可行的釬焊工藝一般只檢查焊好胚件的硬質(zhì)合金與鋼基體焊縫質(zhì)量以及硬質(zhì)合金本身有無裂紋存在，通過對(duì)胚件成品或試片進(jìn)行肉眼或顯微鏡觀察，正常的焊縫應(yīng)均勻無黑斑、氣孔、裂紋；檢查焊縫厚度是否符合設(shè)計(jì)要求。硬質(zhì)合金釬焊胚件位置是否符合要求[3]。

5 硬質(zhì)合金感應(yīng)釬焊的實(shí)例

硬質(zhì)合金劃線爪，為細(xì)長薄壁工具，其工作面合金截面尺寸為：厚2.5 mm×寬4 mm，長度最長的有100 mm左右，過去工藝為火焰釬焊，狹長的焊縫加熱不易受熱均勻，加熱時(shí)間長，合金易被氧化以及引起工具變形，甚至合金開裂和斷掉，焊縫開裂等，該工藝對(duì)工人的操作水平要求高，工藝合格率不穩(wěn)定，有時(shí)批次合格率能達(dá)到80%左右，有時(shí)合格率只能達(dá)到50%左右，經(jīng)常因?yàn)橘|(zhì)量問題延誤交貨。改用感應(yīng)釬焊后，感應(yīng)圈的形狀做成與工具焊縫形狀相仿，根據(jù)工藝實(shí)驗(yàn)確定適合的加熱速度，保證加熱均勻，加熱時(shí)間較老工藝大幅縮短，避免了氧化問題的發(fā)生，同時(shí)提高了焊接效率和質(zhì)量；焊接變形比例和變形量也小了很多，后期精磨加工的加工余量也大幅減少。同時(shí)引入了焊前對(duì)合金和鋼基體釬焊面進(jìn)行噴砂、去油工藝；焊前對(duì)鋼基體焊接區(qū)域的局部進(jìn)行高頻退火，去除了鋼基體的部分淬火應(yīng)力，以及焊后及時(shí)對(duì)工具進(jìn)行低溫時(shí)效，去除了部分焊接應(yīng)力，得到的結(jié)果是焊接開裂比例大幅降低，新工藝的采用使產(chǎn)品合格率提升到92%～95%左右，且批次合格率基本穩(wěn)定在這個(gè)水平。

6 結(jié)束語

硬質(zhì)合金材料被廣泛應(yīng)用于工具、耐磨零件等領(lǐng)域。釬焊工藝的應(yīng)用，可以節(jié)省大量的貴重金屬，降低生產(chǎn)成本的同時(shí)提高零部件的使用壽命。采取有效的釬焊工藝，使焊接效率和質(zhì)量大幅提高，多年的實(shí)踐和工藝改進(jìn)，硬質(zhì)合金與鋼基體的焊接工藝技術(shù)在國內(nèi)外已經(jīng)發(fā)展得比較成熟。

盡管硬質(zhì)合金與鋼基體的焊接工藝難度大、固有缺陷明顯，但實(shí)踐證明采取有效的工藝方法和合理工藝參數(shù)能保證較高的產(chǎn)品合格率和生產(chǎn)效率。

[1]趙越.釬焊技術(shù)及應(yīng)用[M].北京：北京工業(yè)出版社，2004.

[2]楊叔子.機(jī)械加工工藝師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001.

[3]張啟運(yùn)，莊鴻壽.釬焊手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

Cemented Carbide Tool Welding Quality Problems and Solutions

JIANG Qing-gu
（Guilin Guanglu Measuring Instrument Co.，Ltd.，Guilin Guangxi 541004，China）

The cemented carbide is a kind of metal ceramic materials by powder metallurgy method，it has high strength，high hardness，high elastic modulus，wear resistance，corrosion resistance，small thermal expansion coefficient and the advantages of stable chemical properties，it is widely used in cutting tools，wear parts，mining and road construction machinery so the fields.But the cemented carbide material is brittle，and the price is higher，these factors make it difficult to be made into large size，complicated shape tool or components.The cemented carbide welding on the steel can get various tools or spare parts，greatly extend its application field.But easy to produce microstructure of the hardening，deformation and crack，etc，effective process methods and measures should be applied to obtain a better welding quality.The cemented carbide and steel welding method is the brazing and diffusion welding in the general production，Some new methods such as arc welding，electron beam welding，laser welding and so on，also in a positive attempt.This paper mainly introduce that the cemented carbide induction brazing welding technology and combining with actual production.

cemented carbide；brazing；crack

TG425.2

A < class="emphasis_bold">文章編號(hào)：1

1672-545X（2017）05-0149-03

2017-02-10

蔣青谷（1977-），男，廣西桂林靈川人，工程師，研究方向?yàn)闇y(cè)量技術(shù)及其工藝、機(jī)電產(chǎn)品研發(fā)與設(shè)計(jì)。