不同工藝參數(shù)對(duì)PDC復(fù)合片與45鋼基體釬焊性能的影響

王德川，劉 歡

（中煤科工西安研究院〈集團(tuán)〉有限公司，陜西 西安 710054）

近年來(lái)，煤礦已普遍采用金剛石PDC鉆頭，其性能較佳，具有強(qiáng)度高、速度快、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。金剛石PDC 復(fù)合片是鉆頭最主要的組成部分，也是鉆頭切削主要受力部分，其與鉆頭鋼體連接主要是通過(guò)火焰釬焊或高頻感應(yīng)釬焊。PDC復(fù)合片與鋼體釬焊過(guò)程中兩種材料的釬焊面往往出現(xiàn)氣孔、夾渣和未焊透的缺陷，從而影響釬焊連接效果，造成其連接強(qiáng)度低，影響使用效果[1]。產(chǎn)生這些缺陷的原因很多，本文主要從釬料、釬劑、釬焊方法等因素分析PDC復(fù)合片與普通45鋼的釬焊工藝。

1 釬料、釬劑影響因素因素

PDC 主要由金剛石微粉與金屬粉末組成，通過(guò)(粘結(jié)劑)聚合而成，未經(jīng)處理的金剛石極難被釬料潤(rùn)濕，PDC的釬焊主要依靠潤(rùn)濕其中的金屬粉或硬質(zhì)合金基體實(shí)現(xiàn)。由于PDC 允許的加熱溫度受限制(一般不允許超過(guò)760℃～800℃)，釬焊材料必須選用銀基釬料，而常規(guī)銀基釬料的耐熱溫度較低、對(duì)金剛石和碳化物的潤(rùn)濕性差，PDC 工具在使用過(guò)程中的脫焊成為主要失效形式之一[2]。通過(guò)提升釬料高溫強(qiáng)度或疲勞性能，并在合理的釬焊工藝情況下，是可以防止脫焊的。因此可以看出，提高PDC 釬焊穩(wěn)定性的關(guān)鍵是獲得高性能的銀釬料。

1.1 釬料的研制

根據(jù)PDC的釬焊的主要特點(diǎn)所用釬料應(yīng)該滿足熔點(diǎn)溫度低于800℃，耐400℃以上高溫，適宜通用的高頻感應(yīng)釬焊或火焰釬焊，流鋪性適宜，對(duì)PDC、合金鋼和硬質(zhì)合金潤(rùn)濕性好，性能穩(wěn)定可靠性高[3]。針對(duì)上述特點(diǎn)，對(duì)常用的銀釬料進(jìn)行分析和選擇，確定在含銀量50%～65%的銀基釬料基礎(chǔ)上添加其他元素，以改善釬料性能。經(jīng)過(guò)綜合比較合金的熔化溫度、釬料抗拉強(qiáng)度、接頭抗剪強(qiáng)度和釬焊工藝性，最后確定了六種綜合性能較好的合金作為研制的釬料。釬料的基本特性如表1所示。

表1 釬料的基本特性

1.2 釬料性能對(duì)比

上述六種釬料中，具體性能如表2所示。

表2 不同釬料性能

根據(jù)表2 中內(nèi)容可知，高溫性能較差的主要有BAg611、BAg613，不宜用在釬焊中，BAg614、BAg616含有較多的親氧性元素不宜用火焰釬焊，可以使用感應(yīng)加熱，雖然BAg615、BAg616的高溫性能最好，但其性價(jià)比較低，通常情況下不選用。

1.3 釬料選擇

焊縫強(qiáng)度取決于釬焊材料、釬焊過(guò)程和刀片與基體等三個(gè)方面。BAgxx系列釬料具有熔化溫度適宜、抗剪強(qiáng)度高、釬焊工藝性優(yōu)良的特點(diǎn)[4]。BAg611、BAg612、BAg613流動(dòng)性好熔化溫度低，適宜于工作溫度不高的刀具的焊接；BAg14、BAg615、BAg616熔化溫度適中，適宜于工作條件惡劣的刀具的焊接。BAg614、BAg616最適宜感應(yīng)釬焊工藝，用火焰釬焊時(shí)需要快速加熱。

1.4 釬劑的選擇

在釬焊釬劑的選擇過(guò)程中，目前國(guó)內(nèi)外廠家最常用的是HJ102。在焊接工藝中，首先將釬劑用去離子水調(diào)成糊狀，然后使用，特別注意如果釬劑已經(jīng)吸水結(jié)塊可以用去離子水煮成糊狀。

2 釬焊工藝試驗(yàn)

2.1 焊料強(qiáng)度檢驗(yàn)

測(cè)試釬料的剪切強(qiáng)度在實(shí)驗(yàn)室采用10t 萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)剪切試驗(yàn)。其剪切試驗(yàn)原理如圖1所示。

圖1 釬焊試樣剪切試驗(yàn)原理圖（單位：mm）

通過(guò)剪切試驗(yàn)驗(yàn)證釬焊的焊接強(qiáng)度，以選擇綜合性能好的釬料。具體計(jì)算方法為：通過(guò)剪切力Q（kN）與復(fù)合片硬質(zhì)合金焊接面的面積A（mm）之間的比值，來(lái)求出釬料的抗剪強(qiáng)度τ（MPa），即為：

2.2 火焰釬焊工藝

2.2.1 火焰釬焊工藝

火焰釬焊工藝中關(guān)鍵是釬焊溫度和保溫時(shí)間工藝參數(shù)，參數(shù)的設(shè)定直接影響釬焊的焊接質(zhì)量。釬料的熔點(diǎn)是設(shè)定釬焊溫度的主要依據(jù)，高于釬料的熔點(diǎn)，可以減少液態(tài)釬料的表面張力，改善潤(rùn)濕和填縫，并使釬料與母材能充分相互作用，有利于提高焊接強(qiáng)度。目前設(shè)定釬焊溫度一般為高于釬料熔點(diǎn)溫度20℃～60℃之間[5]?；鹧婧附訒r(shí)要保證焊接保溫在合理的范圍內(nèi)，加熱要均勻同時(shí)等焊縫成型后焊料凝固后要進(jìn)行適當(dāng)?shù)拟F縫保溫。

釬焊后可能發(fā)生釬焊裂紋，而冷卻速度是影響裂紋產(chǎn)生的主要因素之一，因此必須設(shè)計(jì)焊接工藝中，須將焊接好的鉆頭放入200℃～250℃的爐中進(jìn)行保溫6～8h，消除焊接的內(nèi)應(yīng)力，減少裂紋，提高焊接強(qiáng)度。

2.2.2 試驗(yàn)效果（見表3）

表3 試驗(yàn)效果

2.3 高頻感應(yīng)釬焊

高頻感應(yīng)釬焊的原理是利用頻率600kHz、功率10～100kW 之間的高頻感應(yīng)加熱電源，產(chǎn)生高頻電流。高頻感應(yīng)加熱的特點(diǎn)是速度快，短時(shí)間內(nèi)加熱到很高的溫度，且操作簡(jiǎn)單[6]。見圖2。

圖2 高頻感應(yīng)釬焊

2.3.1 高頻感應(yīng)釬焊的釬料與釬劑的選擇

釬料與釬劑的選擇是由兩種母材的性質(zhì)決定，所選材料要符合生產(chǎn)的可操控性與經(jīng)濟(jì)性要求。由于硬質(zhì)合金與45鋼熱膨脹系數(shù)差距很大，同是硬質(zhì)合金層上的金剛石復(fù)合層有受溫度限制，必須將溫度控制在復(fù)合層不會(huì)失效的有效溫度內(nèi)。

因此，目前采用的釬料熔點(diǎn)不超過(guò)750℃，起重主要有銀基HL903 以及銅基釬料等。釬料選擇范圍，受復(fù)合片金剛石的物理性能限制，將釬焊溫度必須控制在720℃以下，因此在HL905、HL312、HL322 和HL315四種銀釬料之間選擇，其性能如表4所示；釬劑選擇在QJ102 和QJ104 之間通過(guò)比較選擇使用廣泛的QJ102，成分與性能如表5所示。

表4 釬料的強(qiáng)度

表5 釬劑的成分及溫度范圍

2.3.2 高頻感應(yīng)釬焊效果（見表6）

表6 高頻感應(yīng)釬焊的剪切強(qiáng)度（MPa）

2.4 效果比較

（1）火焰釬焊的優(yōu)缺點(diǎn)：設(shè)備較為簡(jiǎn)單，使用起來(lái)靈活，操作方便，相對(duì)成本較低；有較好的適應(yīng)性，尤其對(duì)鑄鐵及某些有色金屬的焊接；焊接過(guò)程可使得釬料熔化而焊件不熔化；應(yīng)用比較廣泛；接頭表面光潔，氣密性好，形狀和尺寸穩(wěn)定，焊件的組織和性能變化不大，可連接相同的或不相同的金屬及部分非金屬。從試驗(yàn)效果（表3）中可以看出，焊接強(qiáng)度不穩(wěn)定；溫度高低不易控制；加熱分散、焊件變形大且過(guò)熱嚴(yán)重。

（2）高頻感應(yīng)焊接的優(yōu)點(diǎn)：試驗(yàn)高頻感應(yīng)焊接質(zhì)量更穩(wěn)定、其釬縫剪切強(qiáng)度高、生產(chǎn)效率也比較高、工作環(huán)境好，操作同時(shí)也比較簡(jiǎn)單；焊接試驗(yàn)檢測(cè)疲勞極限和沖擊韌性較好，檢測(cè)硬度也比普通淬火高出HRC2-3。高頻感應(yīng)焊接的缺點(diǎn)：目前國(guó)內(nèi)外高頻感應(yīng)焊接設(shè)備都比較貴，而且復(fù)雜，維護(hù)費(fèi)用較高，移動(dòng)也不方便；對(duì)于生產(chǎn)過(guò)程中的較大工件或者復(fù)雜的工件焊接比較困難。

（3）考慮到復(fù)合片金剛石的物理性能，釬焊材料的選擇溫度應(yīng)該是越低越好，這樣能有效地保護(hù)金剛石復(fù)合層不受損害。同時(shí)經(jīng)過(guò)考察市場(chǎng)上的售價(jià)HL322也比較便宜。因此經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)分析得出，釬料HL322 剪切強(qiáng)度以及經(jīng)濟(jì)性能較好，適用于作為PDC 復(fù)合片與45鋼的釬焊釬料。

3 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)論述了焊接金剛石PDC復(fù)合片與45鋼時(shí)釬料、釬劑因素的選擇，驗(yàn)證了釬焊工藝制定的合理性。在傳統(tǒng)火焰釬焊方法下與高頻感應(yīng)釬焊方法的區(qū)別及工藝方面的改進(jìn)得出以下結(jié)論：釬焊PDC 復(fù)合片與45鋼時(shí)，小型錨桿鉆頭高頻感應(yīng)釬焊加熱速度快生產(chǎn)效率得到提高、焊接質(zhì)量更穩(wěn)定、釬縫強(qiáng)度高、降低了勞動(dòng)強(qiáng)度；高頻感應(yīng)釬焊節(jié)省能源，降低了生產(chǎn)成本，綠色環(huán)保。