感應(yīng)釬焊工藝對(duì)釬縫組織和性能的影響

張冠星，張雷，沈元?jiǎng)?，董宏?/p>

(鄭州機(jī)械研究所有限公司，新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)試驗(yàn)室，鄭州 450001)

0 前言

金剛石、硬質(zhì)合金具有較高的耐磨性，故制成的工具特別適合加工硬脆材料尤其非金屬材料，如石材、墻地磚、玻璃、陶瓷、混凝土、耐火材料、磁性材料、半導(dǎo)體、寶石等；也可以用于加工有色金屬、淬火鋼、鑄鐵、復(fù)合耐磨木板等。近30年來(lái)金剛石、硬質(zhì)合金工具得到高速發(fā)展，已廣泛應(yīng)用于建筑、建材、石油、地質(zhì)、冶金、機(jī)械、電子、陶瓷、木材、汽車等工業(yè)。釬焊技術(shù)是該類型工具制造過程的關(guān)鍵技術(shù)之一，在切、磨、鋸、鉆等工具中無(wú)一不依靠釬焊實(shí)現(xiàn)金剛石/硬質(zhì)合金與基體的連接，其中釬料選擇及釬焊工藝水平直接決定著工具使用壽命。目前對(duì)金剛石/硬質(zhì)合金工具釬焊用釬料的研究較多[1-6]，釬焊工藝方面系統(tǒng)研究較少，而如釬焊工藝操作不合理，必然會(huì)造成脫焊，從而造成較為嚴(yán)重的損失。因此，分析并提高釬焊工藝水平具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

硬質(zhì)合金及金剛石工具釬焊連接一般采用感應(yīng)釬焊方式，該工藝具有加熱迅速、操作靈活、效率高等系列優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在不銹鋼、硬質(zhì)合金、金剛石等材料焊接中得到廣泛的應(yīng)用。感應(yīng)釬焊時(shí)，釬焊溫度(功率百分比)、釬劑涂敷量、加熱時(shí)間等釬焊工藝參數(shù)的選擇至關(guān)重要，文中以釬焊硬質(zhì)合金銑刀為例，采用國(guó)標(biāo)釬料BAg49ZnCuMnNi進(jìn)行釬焊連接，系統(tǒng)研究釬焊工藝參數(shù)對(duì)釬縫組織和性能的影響，為現(xiàn)場(chǎng)操作人員提供技術(shù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)用釬料及釬劑

試驗(yàn)選用銀、銅、鋅、鎳、錳等原材料按照50%Ag, 16%Cu, 22%Zn, 4.5%Ni, 7.5%Mn(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的配比關(guān)系，依次經(jīng)過熔煉、澆注、擠壓、軋制、酸洗、成品軋制、分切等生產(chǎn)工序制備成所需尺寸。將采用上述方法制備的釬料表面進(jìn)行清潔，不得有影響釬焊性能的油污、雜質(zhì)、脫皮、裂紋及氣泡等缺陷。釬料和釬劑基本性能見表1。

表1 釬料和釬劑基本性能

1.2 試驗(yàn)方法及設(shè)備

將待焊基體依次用400號(hào)、800號(hào)、1 500號(hào)砂紙進(jìn)行打磨，再用酒精清洗去除表面污物，放入干燥箱內(nèi)烘干備用。試驗(yàn)用高頻感應(yīng)焊機(jī)額定功率為35 kW，通過調(diào)整釬焊溫度(功率百分比)、釬劑涂覆量、保溫時(shí)間等工藝參數(shù)中的某一個(gè)參量研究其對(duì)釬縫質(zhì)量的影響規(guī)律。其中功率百分比分別設(shè)定為45%，47%，49%，51%，53%，55%，57%，59%，61%；保溫時(shí)間分別設(shè)定為1 s，3 s，5 s，6 s，7 s；釬劑涂敷量參數(shù)設(shè)定3種，具體指標(biāo)見表2。

表2 釬劑涂敷量參數(shù)

每個(gè)工藝條件下焊接20個(gè)試樣，焊接完后去除焊接部位多余焊瘤分別進(jìn)行抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度測(cè)試。其中抗拉強(qiáng)度測(cè)試選用E45.105 MTS萬(wàn)能力學(xué)試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果選取測(cè)量值的平均值；抗剪強(qiáng)度選用的是非標(biāo)自動(dòng)化抗剪強(qiáng)度測(cè)試儀，試驗(yàn)力分別為245 N，294 N。使用Phenom ProX掃描電鏡進(jìn)行斷口形貌、微區(qū)組織和能譜分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 釬焊溫度

釬焊過程中溫度的選擇至關(guān)重要，溫度過高過低都會(huì)產(chǎn)生一些缺欠。通常情況下，以高于液相線溫度30～50 ℃為最佳釬焊溫度。表3為相同焊接時(shí)間、釬劑用量過量條件下，采用不同功率百分比進(jìn)行焊接時(shí)釬縫宏觀形貌及抗剪強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果，圖1為不同功率百分比對(duì)釬縫抗拉強(qiáng)度的影響。

表3 不同功率百分比下接頭形貌

圖1 功率百分比對(duì)釬縫抗拉強(qiáng)度的影響

從表3中可以看出，當(dāng)功率百分比在45%～49%時(shí)，此時(shí)的釬焊溫度較低，釬劑的作用不能充分發(fā)揮出來(lái)，釬料不能充分潤(rùn)濕母材，釬縫處焊瘤多；釬料粘度增大，釬縫中氣體很難逸出，極易在接頭處產(chǎn)生氣孔、夾渣、造成假焊等缺陷，致使接頭的抗拉強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度在該溫度下降低。當(dāng)提高功率百分比到51%～55%時(shí)，釬縫區(qū)域光滑明亮，245 N抗剪強(qiáng)度測(cè)試無(wú)斷裂情況，增加到294 N時(shí)，大部分?jǐn)嗔言诨w處，整體抗剪強(qiáng)度較高；從圖1抗拉強(qiáng)度的測(cè)試結(jié)果亦可看出此時(shí)釬縫抗拉強(qiáng)度達(dá)到420 MPa以上。繼續(xù)升高釬焊溫度，當(dāng)功率百分比達(dá)到59%以上時(shí)，釬縫處表面開始變黃、發(fā)黑，釬縫強(qiáng)度急劇下降。從圖1還可以看出高溫對(duì)釬縫強(qiáng)度的損傷程度要明顯高于低溫的影響，其主要原因?yàn)殁F劑在高溫開始失效，無(wú)法對(duì)被焊區(qū)域進(jìn)行有效保護(hù)；另外溫度過高也易造成大量氣體溶入釬料，如果此時(shí)釬料凝固，則造成釬縫處氣孔率較高；同時(shí)溫度高時(shí)釬料中部分組元開始蒸發(fā)，并伴隨母材晶粒長(zhǎng)大、熔蝕等現(xiàn)象發(fā)生，致使母材變形，甚至是熔穿，接頭強(qiáng)度極低，造成焊件無(wú)法使用[7-8]。

選取1號(hào)試樣抗拉強(qiáng)度斷口進(jìn)行微觀組織分析，發(fā)現(xiàn)釬縫內(nèi)部氧化現(xiàn)象非常明顯，如圖2所示。圖2a中淺灰色為富銀相，深灰色為富銅相。從圖3中可以看出整個(gè)觀察區(qū)域內(nèi)均出現(xiàn)氧元素的富集(如圖3c)；從圖3b、圖3c、圖3d上亦可以看出富銅相的抗氧化能力明顯低于富銀相；圖3f中在Mn元素富集的地方氧元素富集，釬料中的Mn能雖然能提高釬縫強(qiáng)度，但其較易氧化，溫度過高時(shí)氧化更為明顯。

圖2 1號(hào)試樣釬縫斷口形貌

圖3 1號(hào)試樣釬縫斷口元素面掃描

2.2 保溫時(shí)間

釬焊過程中保溫時(shí)間這一工藝參數(shù)對(duì)釬焊接頭力學(xué)性能的影響亦非常重要。表4是選取功率百分比51%，釬劑涂敷過量條件下保溫不同時(shí)間的釬縫形貌和抗剪強(qiáng)度結(jié)果，圖4為不同保溫時(shí)間對(duì)釬縫抗拉強(qiáng)度的影響。

表4 不同保溫時(shí)間下接頭形貌和抗剪強(qiáng)度

圖4 保溫時(shí)間對(duì)釬縫抗拉強(qiáng)度的影響

從表4中可以直觀看出，當(dāng)釬焊過程中保溫時(shí)間較短時(shí)，釬料雖然已經(jīng)熔化，但其與母材的潤(rùn)濕還并不充分，此刻使釬料迅速凝固，釬縫處焊瘤明顯，釬著率明顯降低，同時(shí)熔融釬料中的氣體不能充分析出，造成此時(shí)釬縫中的氣孔率也比較高，接頭抗拉強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度均較低，此時(shí)釬縫抗拉強(qiáng)度只有320 MPa。延長(zhǎng)保溫時(shí)間至5～6 s時(shí)，釬料在母材上的潤(rùn)濕性得到明顯提高，氣孔率也開始下降，釬焊接頭的性能明顯提高，245 N抗剪強(qiáng)度測(cè)試無(wú)斷裂情況，抗拉強(qiáng)度達(dá)到410 MPa以上。但是繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，釬劑將失去保護(hù)能力，釬料開始氧化，接頭強(qiáng)度開始下降。見表4中的14號(hào)，釬縫表面開始變黃，而此時(shí)也易造成母材熔蝕等缺陷情況的發(fā)生[9-11]。

2.3 釬劑用量

釬劑是保證釬焊過程順利進(jìn)行和獲得致密接頭必不可少的。釬劑的作用是清除熔融釬料和基體表面的氧化物，溶解那些不希望出現(xiàn)的殘留化合物，以及保護(hù)釬料和基體表面不被繼續(xù)氧化。

選取功率百分比51%，保溫時(shí)間5 s條件下，分別進(jìn)行涂敷A，B，C不同量的釬劑進(jìn)行焊接試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著涂敷釬劑量的增加，釬縫處得到很好的保護(hù)，整個(gè)釬縫區(qū)域光滑發(fā)亮。3種條件下的釬縫抗拉強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果如圖5所示，隨著釬劑量的增加，接頭強(qiáng)度變化不大，基本穩(wěn)定在410 MPa以上，其中在涂敷C量釬劑的接頭試樣測(cè)試時(shí)出現(xiàn)了部分低值，后對(duì)其進(jìn)行微觀組織分析，結(jié)果如圖6所示。

圖5 釬劑用量對(duì)釬縫抗拉強(qiáng)度的影響

圖6 涂敷C號(hào)釬劑接頭斷口微觀組織(同一斷口不同位置)

從圖6和表5的能譜分析可知，釬縫界面出存在部分釬劑夾渣，這是其強(qiáng)度降低的主要原因，因此，釬焊過程中涂敷過量釬劑如果排渣不完全亦會(huì)影響釬焊性能，因此必須合理控制釬劑用量[12-15]。

表5 圖6中D，E點(diǎn)能譜分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

3 結(jié)論

(1)高溫對(duì)釬縫強(qiáng)度的損傷程度要明顯高于低溫的影響，其主要原因?yàn)殁F劑在高溫開始失效，無(wú)法對(duì)被焊區(qū)域進(jìn)行有效保護(hù)；另外溫度過高也易造成大量氣體溶入釬料，如果此時(shí)釬料凝固，則造成釬縫處氣孔率較高；同時(shí)溫度高時(shí)釬料中部分組元開始蒸發(fā)，并伴隨母材晶粒長(zhǎng)大、熔蝕等現(xiàn)象發(fā)生，致使母材變形，甚至是熔穿，接頭強(qiáng)度極低，造成焊件無(wú)法使用。

(2)延長(zhǎng)保溫時(shí)間到5～6 s時(shí)，釬料在母材上的潤(rùn)濕性得到明顯提高，245 N抗剪強(qiáng)度測(cè)試無(wú)斷裂情況，接頭抗拉強(qiáng)度達(dá)到410 MPa以上。但是繼續(xù)延長(zhǎng)保溫時(shí)間，釬劑將失去保護(hù)能力，釬料開始氧化，接頭強(qiáng)度開始下降。

(3)釬焊過程中釬劑涂敷量較大時(shí)，釬縫界面處存在部分釬劑夾渣，易影響接頭性能，必須合理調(diào)控釬劑用量。