激光釬焊多層金剛石磨粒Ni-Cr合金成形工藝研究

李時春 周振紅 莫 彬 鄧朝暉

湖南科技大學智能制造研究院 難加工材料高效精密加工湖南省重點實驗室，湘潭， 411201

0 引言

金剛石磨粒與其他磨粒相比，具有高硬度、高強度、強耐磨性、極佳導熱性等優(yōu)異性能[1]。金剛石與金屬結(jié)合劑組成的超硬磨料砂輪具有把持力強、結(jié)合強度高、耐磨性好、成形性能好、能承受較大的磨削壓力等優(yōu)點，廣泛應用于硬質(zhì)合金、鈦合金、石材、玻璃、陶瓷等高硬脆性難加工材料的磨削加工[2-3]。 近年來，激光釬焊作為一種先進的砂輪制備工藝被廣泛關(guān)注。激光束具有高可操作性、高能量密度、加熱區(qū)域小等優(yōu)點[4-6]。在激光釬焊金剛石磨粒的過程中，釬焊區(qū)域能在短時間內(nèi)獲得較高的釬焊溫度，有利于減少因長時間熱積累導致的金剛石磨粒損傷，較高的釬焊溫度有利于保證磨粒與結(jié)合劑有較高的冶金結(jié)合強度[7]。

在激光釬焊金剛石砂輪的制備工藝過程中，合金釬料選擇(如成分、配比、粒度等參數(shù)),工藝參數(shù)(如激光功率、掃描速度、光斑直徑、離焦量等參數(shù)),釬焊層結(jié)合界面微結(jié)構(gòu)以及冶金結(jié)合強度是研究的重點。激光釬焊多層金屬結(jié)合劑金剛石砂輪，在具備單層釬焊砂輪優(yōu)點(如高結(jié)合強度及耐磨性等)的同時，還能實現(xiàn)磨粒的自我補充，從而提高砂輪的使用壽命。現(xiàn)有文獻主要針對單層金剛石磨粒的釬焊工藝及機理展開研究，包括合金釬料對單層金剛石磨粒的濕潤性、金剛石結(jié)合界面微結(jié)構(gòu)、金剛石表面損傷及石墨化、工藝參數(shù)對單層金剛石與釬料結(jié)合狀態(tài)的影響[7-16]，鮮有文獻研究多層磨粒的激光釬焊成形工藝。

在多層磨粒激光釬焊過程中，工藝參數(shù)的選擇影響著釬料、金剛石和基體三者間的結(jié)合形態(tài)，直接決定多層磨粒激光釬焊成形質(zhì)量。針對此問題，筆者分別開展了單道、單層、多層金剛石磨粒激光釬焊實驗，探究工藝參數(shù)對釬焊層成形質(zhì)量的影響規(guī)律，為后續(xù)多層磨粒釬焊砂輪的制備及應用提供實驗指導及工藝基礎(chǔ)。

1 材料和方法

實驗選用的人造金剛石的粒度為50/60目，結(jié)合劑為平均粒徑75 μm的鎳鉻合金粉末，基體為45鋼，尺寸為 50 mm×50 mm×8 mm。鎳鉻合金粉末與45鋼材料成分如表1所示。

表1 鎳鉻合金粉末與45鋼材料成分(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 Chemical compositions of the matrix powderand substrate(mass fraction) %

在激光釬焊實驗前，將磨粒、粉末、以及被打磨平整的45鋼基體放入有機溶劑中進行超聲波清洗并晾干。金剛石磨粒與鎳鉻合金粉末按質(zhì)量比1∶7混合均勻，混合后的磨粒與合金粉末預先平鋪在45鋼基板上，并放置在一個充滿氬氣、頂部開口的容器中。釬焊采用的激光器為德國 IPG公司生產(chǎn)的型號為YLS-4000-CL的光纖激光器。激光器額定輸出功率為4000 W，激光波長為1070 nm。激光束采用芯徑為400 μm的光纖傳輸，采用焦距為150 mm的準直鏡和焦距為200 mm的聚焦鏡系統(tǒng)聚焦，實測聚焦光斑處能量降到86%時的直徑為0.48 mm。激光釬焊實驗分為單道釬焊實驗、單層釬焊實驗、多層釬焊實驗。圖1為三種激光釬焊實驗示意圖。

圖1 激光釬焊實驗示意圖Fig.1 Schematic diagram of laser brazing

1.1 單道釬焊

采用4因素4水平L16(44)正交試驗方案進行單道釬焊實驗，4因素為激光功率P、掃描速度v、光斑直徑D和鋪粉厚度Z，參數(shù)如表2所示。單道釬焊實驗結(jié)束后，對試樣進行切割、打磨，提取截面幾何參數(shù)(熔寬W)、稀釋率ε，采用極差分析法對正交試驗結(jié)果進行分析，探究P、v、D和Z對單道釬焊成形的影響規(guī)律。圖2為單道釬焊層結(jié)構(gòu)示意圖。基于正交試驗結(jié)果，分別進行P和v的單因素實驗，參數(shù)如表3所示，實驗后提取試樣截面幾何參數(shù)、分析P和v對單道釬焊成形的影響。

表2 正交試驗參數(shù)Tab.2 Orthogonal test parameters

稀釋率的計算式為

(1)

式中，h為熔深,mm;H為熔高,mm。

圖2 單道釬焊層結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of single track brazing structure

表3 單因素實驗工藝參數(shù)

1.2 單層釬焊

圖3 單層釬焊示意圖Fig.3 Schematic diagram of the single layer brazing

圖4 單層釬焊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of single layer brazing structure

搭接率的計算式如下：

(2)

式中，S為光斑掃描間距，mm。

(3)

(4)

(5)

(6)

釬焊率是對釬焊過程中的粉末收縮率以及多層結(jié)構(gòu)逐層釬焊中釬焊層材料堆積效率的綜合表征，同時可指導后續(xù)工藝參數(shù)的選擇。釬焊率

(7)

式中，Lt為釬焊層理論寬度。

1.3 多層激光釬焊

為了實現(xiàn)多層激光釬焊，設(shè)計了兩層磨粒激光釬焊實驗，圖5和圖6分別為兩層釬焊示意圖和掃描策略示意圖。實驗過程中，記錄第二層釬焊前粉末層表面與基體間的高度差Z(即第一層鋪粉厚度)、第二層釬焊后釬焊層各道的高度Hi以及釬焊層實際寬度L?；谒涗浀膮?shù)計算出高度均值、高度標準差和總體釬焊率?；谶@3個特征量對多層磨粒釬焊層成形質(zhì)量進行系統(tǒng)評價，并研究工藝參數(shù)對釬焊成形的影響規(guī)律。

圖5 兩層釬焊示意圖Fig.5 Schematic diagram of two-layer brazing

圖6 兩層釬焊掃描策略示意圖Fig.6 Scanning strategy of two-layer brazing

釬焊層高度平均值計算式見式(3)，高度標準差計算式見式(4)，總體釬焊率

(8)

式中，ZN為第N層釬焊鋪粉后的總體高度，mm。

在兩層磨粒的釬焊實驗結(jié)果基礎(chǔ)上，選取合適工藝參數(shù)值并采用兩種掃描策略，進行三層磨粒的激光釬焊實驗。在三層釬焊基礎(chǔ)上再進行更多層的釬焊實驗。圖7所示為多層釬焊同向和逆向兩種掃描策略示意圖。采用兩層釬焊評價方法對多層釬焊層結(jié)果進行評價與分析，對比分析不同釬焊條件下釬焊層的成形質(zhì)量，最終獲得表面成形平整、磨粒分布均勻的多層磨粒釬焊層。

圖7 多層釬焊掃描策略示意圖Fig.7 Scanning strategy of multilayer brazing

2 結(jié)果和討論

2.1 單道正交試驗

基于單道正交試驗結(jié)果的極差分析，得到激光釬焊工藝參數(shù)對單道釬焊熔寬與稀釋率的影響規(guī)律如圖8所示，工藝參數(shù)對形貌影響的顯著性如圖9所示。由圖8a、圖8b可知，釬焊層熔寬與稀釋率隨著激光功率的增大而增大、隨著掃描速度增大而減?。挥蓤D8c可知，隨著光斑直徑的增大，熔寬波動上升，稀釋率呈下降趨勢；由圖8d可知,隨著鋪粉厚度的增大，稀釋率整體呈下降趨勢，而熔寬則先增大后減小，且當厚度為0.3 mm時熔寬最大。通常稀釋率太高時釬焊能量利用率不高，稀釋率太低會減弱結(jié)合強度[17]。釬焊過程中，熔寬越大表明成形效率越高。

(a)激光功率對熔寬與稀釋率的影響

(b)掃描速度對熔寬與稀釋率的影響

(c)光斑直徑對熔寬與稀釋率的影響

(d)鋪粉厚度對熔寬與稀釋率的影響圖8 激光釬焊工藝參數(shù)對單道釬焊熔寬與稀釋率的影響Fig.8 Effect of processing parameters on the weld widthand dilution rate of single track brazing

圖9 工藝參數(shù)對形貌影響的顯著性Fig.9 Influential degree of process parameters onthe morphology of brazing layer

圖9結(jié)果顯示，工藝參數(shù)對熔寬影響的顯著性由大到小是：激光功率，掃描速度，光斑直徑，鋪粉厚度；工藝參數(shù)對稀釋率影響的顯著性由大到小是：激光功率，掃描速度，鋪粉厚度，光斑直徑。由此可知，激光功率與掃描速度是影響釬焊成形的重要因素。

2.2 單因素實驗

單因素實驗釬焊形貌結(jié)果如表4所示，工藝參數(shù)與熔寬和稀釋率的關(guān)系如圖10所示。隨著激光功率的增大，粉末熔合充分，金剛石聚集傾向

表4 單道釬焊層表面形貌和截面形貌Tab.4 Morphology of single-track brazing layer onsurface and section

(a)激光功率對釬焊層形貌的影響

(b)掃描速度對釬焊層形貌的影響圖10 激光功率與掃描速度對釬焊層形貌的影響Fig.10 Effect of P/v on the morphology of brazing layer

降低，合金釬料對金剛石的浸潤包裹性更好，釬焊層邊緣球化減少，整體平整性增強，鋪展均勻性升高，單道釬焊層截面的熔寬與稀釋率增大。其中，當激光功率為220 W時，粉末球化現(xiàn)象嚴重，單道釬焊層不連續(xù)，釬焊層與基體熔合不充分。隨著掃描速度的增大，金剛石聚集傾向提高，合金釬料對金剛石的浸潤包裹性下降，邊緣球化現(xiàn)象和平整性變化不大，單道釬焊層的熔寬與稀釋率減小。對以上現(xiàn)象進行分析，可知釬焊過程中輸入能量的大小與成形形貌直接相關(guān)。激光功率的增大或掃描速度的下降，使得輸入的能量增大，更多材料被加熱熔化，因此釬焊時的熔池尺寸更大，金剛石在熔池中更容易分散，熔寬和稀釋率增大。釬焊層表面形貌及熔寬數(shù)據(jù)結(jié)果顯示，激光功率的變化對釬焊層邊緣球化和熔寬的影響更顯著。

2.3 單層釬焊

在激光釬焊單道工藝的基礎(chǔ)上，選定激光功率P=650 W，掃描速度v=15 mm/s，光斑直徑D=1.5 mm，鋪粉厚度Z=0.35 mm，搭接率γ為10%,20%，30%，40%，50%，60%，采用往復式掃描方式，進行單層多道激光釬焊實驗。

圖11所示為分別采用不同搭接率進行激光釬焊所得多道釬焊層截面形貌。多道掃描所得單層釬焊層出現(xiàn)第一道的熔高高于后續(xù)道次熔高的現(xiàn)象。隨著搭接率的增大，釬焊層整體寬度減小。當搭接率為10%和20%時，如圖11中所標記的(Ⅰ)和(Ⅱ)，道與道的間距過大，釬焊層出現(xiàn)未與基體完全融合的部分，且道與道之間的搭接處出現(xiàn)熔合線尖角。這將會降低釬焊層的結(jié)合強度。當搭接率為60%時，整體釬焊層寬度較小，成形效率較低，且道與道之間的搭接率過大將會導致金剛石受到鄰近道的熱沖擊作用更大，加重金剛石的損傷。

(a)γ=10% (b)γ=20%

(c)γ=30% (d)γ=40%

(e)γ=50% (f)γ=60%圖11 激光釬焊單層多道釬焊層截面形貌Fig.11 Morphology of single layer multi track brazing layer section

(a)釬焊層平均高度及其標準差

(b)釬焊層平均深度及其標準差

(c)釬焊層平均稀釋率及其標準差

(d)釬焊層釬焊率及其標準差圖12 搭接率與釬焊層特征量的關(guān)系Fig.12 Relationship between overlapping rate andbrazing layer characteristics

2.4 多層釬焊實驗

綜合考慮激光釬焊單層實驗結(jié)果，選定激光功率P=700 W，掃描速度v=15 mm/s，光斑直徑D=1.5 mm，搭接率γ=30%，第一層鋪粉高度為0.35 mm，進行第一層釬焊。第二層釬焊時，其他工藝參數(shù)不變，激光功率從300 W逐次遞增至800 W，第二層鋪粉后總高為0.7 mm，掃描策略為同向掃描策略。

2.4.1激光功率對釬焊層形貌的影響

圖13、圖14分別為兩層釬焊層的表面和截面形貌。隨著第二層激光功率的增大，釬焊層整體表面連續(xù)性提高,金剛石堆積現(xiàn)象減弱，合金釬料對金剛石的浸潤包裹性提高。原因是：當激光功率較低時，粉末層所吸收熱量過低，熔融不充分，球化現(xiàn)象嚴重，導致釬焊層上表面不連續(xù)。金剛石磨粒在釬焊過程中會產(chǎn)生降低能量傳遞效率的作用，因此，當激光直接照射在上層表面金剛石磨粒的表面時，金剛石底部粉末熔化不充分，合金釬料對金剛石的浸潤性降低，熔池對金剛石的拖拽作用減弱，聚集的金剛石不易分散。只有當激光能量足夠高時，金剛石周邊粉末才能充分熔化，進而實現(xiàn)對金剛石的充分浸潤包裹。合金熔池對金剛石的浸潤包裹過程中驅(qū)使金剛石磨粒分散開，形成更好的釬焊效果。圖14所示的兩層釬焊層截面形貌顯示，第二層釬焊時激光功率為300 W、400 W、500 W時，金剛石存在堆積現(xiàn)象；而功率在600 W以上時，金剛石要更分散，也促使釬焊層表面成形更加連續(xù)平整；當?shù)诙逾F焊所用功率為700 W時釬焊層具有較好的平整性。

(a)P=300 W (b)P=400 W

(c)P=500 W (d)P=600 W

(e)P=700 W (f)P=800 W圖13 兩層釬焊表面形貌(其中P是第二層釬焊時的激光功率)Fig.13 Morphology of two-layer brazing surface(where the P is the laser powervalue of the second brazing)

(a)P=300 W (b)P=400 W

(c)P=500 W (d)P=600 W

(e)P=700 W (f)P=800 W圖14 兩層釬焊截面形貌(其中P是第二層釬焊時的激光功率)Fig.14 Morphology of two-layer brazing section(where the P is the laser powervalue of the second brazing)

(a)釬焊層高度平均值

(b)釬焊層釬焊率圖15 激光功率與第二層釬焊層特征量的關(guān)系Fig.15 Relationship between laser power and brazedsecond-layer characteristics

從兩層釬焊層截面獲取釬焊層高度平均值、高度標準差以及總體釬焊率，結(jié)果如圖15所示。當?shù)诙庸β蕿?00 W時，由于能量輸入不足，存在大量球化粉末，完全熔化并結(jié)合的層厚小，故釬焊率低。當?shù)诙逾F焊功率高于300 W時，平均高度及整體釬焊率在0.43 mm～0.49 mm和61.95%～66.73%范圍內(nèi)波動。根據(jù)前述單層釬焊結(jié)果，第一層釬焊率約為50%，假設(shè)每層釬焊率均為50%，則可計算出兩層釬焊層總的釬焊率為62.5%?？梢妼嶋H兩層釬焊率與假設(shè)條件下計算釬焊率接近。

2.4.2多層釬焊成形性能

在多層磨粒的釬焊過程中,為確保每層釬焊層熔合充分，每層粉末厚度確定為0.35 mm，并假設(shè)每一層的釬焊率為50%。所以，第一層釬焊時鋪粉高度為0.35 mm；第二層釬焊時鋪粉后總高Z=0.525 mm；第三層釬焊時鋪粉后總高Z=0.7 mm。每層的釬焊工藝參數(shù)相同：激光功率P=700 W，掃描速度v=15 mm/s，光斑直徑D=1.5 mm，搭接率γ=30%，分別采用同向和逆向兩種掃描策略對不同層進行釬焊實驗。

圖16所示為選用同向和逆向掃描策略得到的釬焊層截面形貌。由圖16可知，兩種掃描策略得到的釬焊層整體粉末熔融充分，成形較好，金剛石磨粒與結(jié)合劑結(jié)合良好。同向掃描策略的釬焊截面形貌顯示，第一道次的高度高于后續(xù)道次，釬焊層出現(xiàn)中間低、兩端高的凹形。逆向掃描策略得到的釬焊層同樣顯示為凹形，但左右高度接近，中間部位高度差異小、較平整。

(a)同向掃描 (b)逆向掃描圖16 兩種掃描策略下多層釬焊截面形貌Fig.16 Morphology of multilayer brazing section bytwo scanning strategy

提取上述兩種掃描策略獲得的三層釬焊層的釬焊效率，結(jié)果為同向掃描策略下釬焊層三層總的釬焊率為84%，逆向掃描策略下釬焊層三層總的釬焊率為86.75%。根據(jù)假設(shè)每層粉末層釬焊率為50%，可計算得到三層釬焊層總體釬焊率假設(shè)條件下的計算值為75%，小于實際釬焊率值。結(jié)合上述兩層釬焊層的釬焊率數(shù)據(jù)可知，隨著層數(shù)的增加，總體釬焊率計算值與實際值的誤差增大，釬焊率有增大的趨勢。原因在于隨著層數(shù)的增加，參與釬焊成形的金剛石磨粒的總數(shù)增多。未將磨粒影響考慮在內(nèi)的假設(shè)釬焊率，隨著層數(shù)的增加逐漸遠離實際值。

基于上述結(jié)果，選擇逆向掃描策略，掃描道數(shù)為10道，進行6層磨粒激光釬焊實驗。其中，每層都選用激光功率P=700 W，掃描速度v=15 mm/s，光斑直徑D=1.5 mm，搭接率γ=30%。圖17所示為6層釬焊層表面與截面形貌。由圖可見，釬料對金剛石浸潤包裹充分，釬焊層表面呈凹形，左右兩端的第一道較高，但中間區(qū)域較平整連續(xù)，釬焊層整體成形質(zhì)量好。

(a)表面形貌 (b)截面形貌圖17 多層釬焊試塊表面形貌與截面形貌Fig.17 Morphology of multilayer brazing surfaceand section

3 結(jié)論

(1)在單道釬焊過程中，激光功率與掃描速度是影響釬焊道熔寬和稀釋的主要因素。當激光功率增大或掃描速度下降時，粉末熔合充分，熔池寬度增大，金剛石在熔池中更容易分散，合金釬料對金剛石的浸潤包裹性更好，整體平整性增強，鋪展均勻性提高，激光功率的變化對釬焊層邊緣球化和熔寬的影響更顯著。

(2)在單層釬焊過程中。釬焊層出現(xiàn)第一道次的熔高高于后續(xù)道次熔高的現(xiàn)象。當搭接率太小時，出現(xiàn)道與道之間的未熔合，以及道與道之間的熔合線尖角，不利于釬焊層與基體間的高強度結(jié)合。當搭接率太大，釬焊層與基體結(jié)合平均熔深較低，且釬焊層總寬小，成形效率低，道與道間距小，增大了金剛石受多次熱作用而損傷的風險。綜合釬焊層表面和截面成形實驗結(jié)果，當搭接率為30%～40%時，整體釬焊成形質(zhì)量相對較好。

(3)在兩層釬焊的過程中，隨著第二層釬焊所用激光功率的增大，釬焊層表面成形的連續(xù)性和平整性提高,金剛石堆積現(xiàn)象減弱，合金釬料對金剛石的浸潤包裹性提高。當?shù)诙逾F焊功率為700 W時，釬焊層平整性較好、釬焊率較高。隨著層數(shù)的增加，被包裹的金剛石磨粒數(shù)增多，總體釬焊率計算值與實際值的誤差增大，釬焊率有增大的趨勢。

(4)在多層釬焊的過程中，釬焊層出現(xiàn)中間低、兩端高的凹形形態(tài)。采用逆向掃描策略，掃描道數(shù)為10、固定激光功率為700 W，掃描速度為15 mm/s、光斑直徑為1.5 mm、搭接率為30%的條件下，釬焊所得多層結(jié)構(gòu)中，釬料對金剛石浸潤包裹充分，釬焊層中間區(qū)域平整連續(xù)，釬焊層整體成形質(zhì)量好。