盾構(gòu)刀具高性能釬焊技術(shù)研究進(jìn)展

丁天然，路全彬，張陜南，楊 驕

1鄭州機(jī)械研究所有限公司 河南鄭州 450001

2新型釬焊材料與技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 河南鄭州 450001

盾 構(gòu)機(jī)作為一種用于隧道施工的大型裝備，主要應(yīng)用于地鐵、公路、水利、礦山等領(lǐng)域，為城市建設(shè)和基礎(chǔ)設(shè)施提供了有效的解決方案。盾構(gòu)機(jī)的刀盤(pán)是其最重要的功能部件之一，它由多個(gè)刀具組成。刀具作為盾構(gòu)的“開(kāi)路先鋒”，承擔(dān)著掘進(jìn)的關(guān)鍵任務(wù)，其質(zhì)量的優(yōu)劣直接影響掘進(jìn)能力和施工效率。

我國(guó)是全球最大的掘進(jìn)機(jī)制造基地及需求市場(chǎng)，尤其是面向地鐵施工的盾構(gòu)等大型裝備，自主制造的掘進(jìn)機(jī)占國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的 90% 以上，并實(shí)現(xiàn)批量出口，已經(jīng)進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。盾構(gòu)刀盤(pán)的核心功能部件是刀具，直接影響盾構(gòu)裝備掘進(jìn)能力和作業(yè)效率；但目前我國(guó)盾構(gòu)刀具制造用釬焊材料和工藝與國(guó)外相比差距甚遠(yuǎn)。針對(duì)上述問(wèn)題，筆者從釬焊材料和工藝兩方面出發(fā)，對(duì)盾構(gòu)刀具高性能制造技術(shù)的研究進(jìn)行總結(jié)分析，并對(duì)未來(lái)盾構(gòu)刀具可靠性的提升進(jìn)行了展望。

1 盾構(gòu)刀具

盾構(gòu)刀具按照形狀、作用方式的不同主要分為切削類(lèi)刀具和滾壓刀具，如圖1 所示。刮刀等切削類(lèi)刀具是由硬質(zhì)合金和高韌性鋼基體通過(guò)釬焊技術(shù)連接構(gòu)成，鋼基體支撐保護(hù)硬質(zhì)合金，一起切削巖土。滾壓刀具則是由滾輪和軸承組成，滾輪的表面覆蓋有硬質(zhì)合金顆粒，通過(guò)滾動(dòng)的方式破碎巖土。

圖1 盾構(gòu)機(jī)及盾構(gòu)刀具Fig.1 Shield tunneling machine and shield cutting tool

目前切削類(lèi)刀具制造的關(guān)鍵技術(shù)就在于高強(qiáng)韌鋼基體與硬質(zhì)合金之間的焊接，因此如何獲得性能良好的焊接接頭就顯得極為重要。常用的焊接技術(shù)有熔化焊、擴(kuò)散焊、釬焊等。釬焊具有焊接溫度較低、對(duì)母材性能影響小、焊后殘余應(yīng)力較小等優(yōu)勢(shì)，成為連接切削類(lèi)刀具中硬質(zhì)合金和鋼基體的主要方法。釬焊可以實(shí)現(xiàn)高強(qiáng)度、高韌性、高耐磨性的復(fù)合材料的制備，被大規(guī)模應(yīng)用于硬質(zhì)合金工具的制造中。施工時(shí)，盾構(gòu)刀具承受著持續(xù)變化的擠壓、頂進(jìn)、刮削、沖擊、磨損等多種力。因剪切力超過(guò)焊接強(qiáng)度極限，導(dǎo)致合金刀片的脫落甚至斷刀，是盾構(gòu)刀具失效的主要方式。硬質(zhì)合金與鋼基體物化性質(zhì)差異較大，加之盾構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，高溫釬焊時(shí)極易出現(xiàn)殘余應(yīng)力大、氣孔、夾雜、裂紋、填充不滿(mǎn)、虛焊甚至未焊等情況，嚴(yán)重影響硬質(zhì)合金與鋼的結(jié)合強(qiáng)度。盾構(gòu)刀具焊縫部位是其薄弱環(huán)節(jié)，在掘進(jìn)施工中最易損壞。尤其是遇到復(fù)雜地層時(shí)，焊縫強(qiáng)度低的刀具損壞更加嚴(yán)重，消耗量會(huì)更大，增加了盾構(gòu)掘進(jìn)成本和安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 盾構(gòu)刀具用釬料研究進(jìn)展

釬料是影響釬焊接頭性能的關(guān)鍵因素，它決定了釬焊溫度、潤(rùn)濕性能、釬縫組織和強(qiáng)度等。盾構(gòu)刀具常用釬料主要包括 Ag 基、Cu 基以及 Ni 基釬料，這3 種釬料各有優(yōu)缺點(diǎn)。其中，Ag 基釬料的釬焊溫度較低，可減少加熱溫度對(duì)硬質(zhì)合金的熱損傷，缺點(diǎn)是釬料成本相對(duì)較高；Cu 基釬料熔點(diǎn)較高，成本較低，且可以與硬質(zhì)合金形成強(qiáng)化相，提高釬縫強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，但也存在潤(rùn)濕性能較差，易產(chǎn)生較大的熱應(yīng)力等挑戰(zhàn)；Ni 基釬料的釬焊溫度最高，且潤(rùn)濕性能不佳，需要添加一定量的活性元素，但該釬料的使用可以提高釬縫的耐腐蝕性和耐高溫性。相比較而言，Ag基釬料的綜合性能較優(yōu)，應(yīng)用比較廣泛。

2.1 Ag 基釬料

傳統(tǒng) Ag 基釬料的主要成分是銀(銀含量一般在50% 左右)，再添加一定量的 Cu、Zn、Ni 等元素，以提高釬料對(duì)硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕效果。雖然 Ag 基釬料成本較高，但其對(duì)硬質(zhì)合金的熱損傷小，有一定抗氧化性，釬縫質(zhì)量較高；同時(shí)，Ag 基釬料具有良好的塑性，可以根據(jù)實(shí)際盾構(gòu)刀具工件機(jī)構(gòu)加工成特定形狀焊片，方便使用。因此，它被大量用于硬質(zhì)合金的釬焊連接。

陳小勇等人[1]在真空環(huán)境下，分別選用 Ag94 AlMn、Cu69NiSiB、Ni82CrSiB 對(duì) TC4 和 YG8 開(kāi)展釬焊試驗(yàn)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，Ag94AlMn 釬料潤(rùn)濕效果最好，母材與釬縫結(jié)合界面沒(méi)有缺陷，且釬料元素未對(duì)母材發(fā)生晶間滲入，母材元素向釬縫擴(kuò)散較少；后 2 種釬料的潤(rùn)濕效果不理想，接頭存在部分裂紋。Nakamura M 等人[2]采用 Ag 基釬料釬焊硬質(zhì)合金，研究了釬料中 Ni 含量以及不同的工藝參數(shù)對(duì)釬縫強(qiáng)度的改善效果，通過(guò)比較，確定了最高釬縫性能對(duì)應(yīng)的最佳工藝參數(shù)區(qū)間及釬料中 Ni 的含量。Miyakoshi Y 等人[3]采用 Ag 基釬料釬焊硬質(zhì)合金與不同碳含量的鋼。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，隨著鋼中碳含量的提高，釬縫中 η 相數(shù)量逐漸減少，當(dāng) C 含量超過(guò) 0.55% 時(shí)，η 相完全消失；接頭處抗彎強(qiáng)度隨著 C 含量的增加而增大。陳思杰等人[4]以 L304 Ag 為釬料，在 Ar 氣保護(hù)環(huán)境下完成 YG8與 1Cr18Ni9Ti 釬焊，研究了工藝參數(shù)對(duì)釬縫強(qiáng)度的作用機(jī)理，所得試樣接頭獲得最高抗剪強(qiáng)度為 147.5 MPa，其釬焊溫度為 910 ℃。李遠(yuǎn)星等人[5]分別利用BAg50CuZn、BAg50CuZnNi 以及 BAg49CuZnNiMn 釬料對(duì)硬質(zhì)合金 YG15 和 35CrMo 鋼進(jìn)行釬焊，分析了 Ni 含量對(duì)改善釬縫強(qiáng)度的作用效果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，釬料中沒(méi)有 Ni 元素時(shí)，界面無(wú)固溶層的存在；隨著Ni 含量的提高，硬質(zhì)合金與釬縫界面處開(kāi)始生成 α-Cu；當(dāng) Ni 含量為 4.7% 時(shí)，YG15 釬縫界面處生成致密的 α -Cu，如圖2 所示。

圖2 超聲波釬焊接頭微觀組織及接頭 EDS 元素線掃描Fig.2 Microstructure of ultrasonic brazed joint and EDS element line scanning of joint

還有一些專(zhuān)家學(xué)者在 Ag 釬料中加入活性元素Ti，來(lái)改變銀基釬料的性能。Kimiaki N 等人[6]在 Ag釬料中加入不同含量的 Ti 元素，分析了 Ti 含量對(duì)接頭可靠性的提升效果。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Ti 元素含量大于1.7% 時(shí)，Ti 含量越高，越有利于釬縫性能的提升。

2.2 Cu 基釬料

Cu 基釬料中添加一定量的元素用以改善性能，如添加錫、鎳、鋁等元素可以明顯改善釬料的流動(dòng)性和潤(rùn)濕性。相比于 Ag 基釬料，Cu 基釬料成本低，但釬焊溫度較高(通常超過(guò) 850 ℃)，對(duì)硬質(zhì)合金的熱應(yīng)力較大，釬料與鋼之間的界面反應(yīng)較弱，釬縫的韌性較差；當(dāng)母材面積較大時(shí)，容易產(chǎn)生較大的殘余應(yīng)力，從而出現(xiàn)裂紋、彎曲變形和表面的氧化疏松等缺陷。

張忠健等人[7]在真空及保護(hù)性氣體下，利用 Cu基釬料釬焊硬質(zhì)合金與鋼，獲得了剪切強(qiáng)度超 400 MPa 的釬焊接頭，如圖3 所示；遲立茹等人[8]利用純Cu 釬料，在氨還原氣氛下釬焊硬質(zhì)合金與工具鋼，接頭剪切強(qiáng)度提高到 160 MPa；翟秋亞[9]在 Cu 基釬料中加入了 Sn 元素，硬質(zhì)合金釬焊后，潤(rùn)濕性能得到改善，接頭結(jié)構(gòu)良好，無(wú)脫焊等缺欠產(chǎn)生；黃維德等人[10]在 105 釬料的基礎(chǔ)上加入少量 Co，得到 801釬料，釬焊 40MnMoV/YJ1，結(jié)果表明，該釬料流動(dòng)性能大幅提高，且促進(jìn)了釬縫區(qū)域形成高質(zhì)量的界面，明顯改善了所焊工件的使用壽命；張紅霞等人[11]同樣使用 801 釬料以高頻感應(yīng)加熱方法釬焊 YG8 與40Cr，分析了預(yù)應(yīng)力、溫度、時(shí)間等因素對(duì)釬焊接頭可靠性的作用機(jī)理；朱蕾蕾等人[12]選擇了添加 Mn、Co 的 Cu 基釬料對(duì) YG6C 與 16Mn 鋼進(jìn)行釬焊，研究了釬焊真空度及焊縫間隙對(duì)接頭可靠性的改善效果，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，Co 的加入會(huì)提高釬焊溫度；Zhang K 等人[13]研究了 Ni、Al 含量對(duì)銅基釬料釬焊硬質(zhì)合金的性能影響，試驗(yàn)表明，Cu-19Ni-5Al 釬料性能最好，接頭剪切強(qiáng)度高于 200 MPa；Amelzadeh M 等人[14]采用CuZnNi 釬料進(jìn)行了硬質(zhì)合金的釬焊，研究表明，Ni元素有利于釬縫中 α+β 強(qiáng)化相的生成，可以提高接頭硬度和強(qiáng)度，基微觀形貌如圖4 所示。

圖3 不同壓力和溫度對(duì)釬焊接頭剪切強(qiáng)度的影響Fig.3 Effect of different pressures and temperatures on shear strength of brazed joint

圖4 接頭區(qū)域 Cu-Ni 和 γ 相演化示意Fig.4 Cu-Ni and γ phase evolution in joint area

2.3 Ni 基釬料

Ni 基釬料在 WC-Co 的潤(rùn)濕性良好，但由于 Ni、Co 在二元相圖上無(wú)限互溶，導(dǎo)致釬料與硬質(zhì)合金之間會(huì)發(fā)生擴(kuò)散，加之存在釬焊溫度較高，對(duì)硬質(zhì)合金的熱應(yīng)力最大，釬料與鋼之間的界面反應(yīng)較強(qiáng)，釬縫的脆性較高等諸多難點(diǎn)仍未解決。目前，Ni 基釬料在盾構(gòu)刀具的連接上應(yīng)用相對(duì)較少。

李卓然等人[15]選擇 BNi2 釬料與感應(yīng)釬焊工藝，得到了 YG8 釬焊接頭，結(jié)果表明，釬縫出現(xiàn)了較多M6C 金屬間化合物，微觀形貌如圖5 所示。BNi2 釬料釬焊溫度較高，硬質(zhì)合金中的 WC 離子發(fā)生分解成為 W 和 C，并向釬縫遷移，致使硬質(zhì)合金側(cè)貧 C 層的出現(xiàn)。趙秀娟等人[16]分別選用 Ni-Fe 釬料和純 Ni 對(duì)YG30 與 45 鋼釬焊試驗(yàn)后，觀察釬縫中 η 相，分析了形貌、分布、化學(xué)成分。試驗(yàn)結(jié)果表明，η 相分布于釬焊接頭靠近硬質(zhì)合金側(cè)，在結(jié)合界面處聚集長(zhǎng)大。硬質(zhì)合金中 Fe 元素含量的升高會(huì)引起 WC 分解，此時(shí) η 相中鐵元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為 23%，是富 W 和 Fe 的M6C 型復(fù)合化合物。

圖5 釬焊接頭界面組織Fig.5 Interface structure of brazed joint

2.4 新型釬料

為消除硬質(zhì)合金和鋼因熱膨脹系數(shù)差異較大而引發(fā)的熱應(yīng)力問(wèn)題，有研究人員提出在釬料中加入中間層，利用其塑性變形來(lái)緩解釬焊熱應(yīng)力。目前，國(guó)內(nèi)外均對(duì)此展開(kāi)了大量研究。江超等人[17]利用 Ag49Ni+不同片狀/網(wǎng)狀?yuàn)A層(SS304 網(wǎng)狀?yuàn)A層、Cu38Zn4Mn片狀?yuàn)A層等)復(fù)合釬料焊接 YG15C 和鋼，研究了釬焊接頭的組織結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能，發(fā)現(xiàn)相比于片狀?yuàn)A層結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀?yuàn)A層不僅可以提升釬焊接頭的力學(xué)性能，還能有效改善釬焊工藝性，對(duì)硬質(zhì)合金的釬焊接頭性能提升起到了更好的效果，對(duì)應(yīng)的抗剪強(qiáng)度最高可達(dá)353 MPa。何亞洲[18]采用 CuMnNi+304B+CuMnCoZn釬焊層結(jié)構(gòu)焊接 Co 基 WC/40Cr 鋼，釬焊接頭形貌完整，力學(xué)性能良好，如圖6 所示。其剪切強(qiáng)度可達(dá)到285 MPa；同時(shí)還具有極好的塑性，經(jīng)彈性變形后，剪切強(qiáng)度隨剪切變形量緩慢增加直至斷裂，接頭的斷裂位置與接頭界面硬度較低值位置相一致。Tian X Y 等人[19]設(shè)計(jì)了一種 Ag-Cu-Ti/Cu 網(wǎng)/Ag-Cu-Ti 的復(fù)合箔釬焊 ZrB2-SiC-C(ZSC)陶瓷和 GH99 高溫合金，由于 Cu 網(wǎng)的應(yīng)用，形成了具有增強(qiáng)延展性的網(wǎng)狀釬縫，可以抑制釬縫中 Ti-Cu 金屬間化合物的形成，從而降低釬焊接頭中的殘余應(yīng)力集中，接頭的最大抗剪強(qiáng)度可提高到 121 MPa，性能良好。Shen Y 等人[20]采用具有氧化鋁陶瓷中間層的活性 AgCu 釬料釬焊 C/C復(fù)合材料與鎳基高溫合金，由于 Al2O3中間層阻止了Ni、Ti 的擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)，接頭處表現(xiàn)出良好的結(jié)合性，如圖7 所示?，F(xiàn)今有關(guān)中間層的復(fù)合釬料的研究越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。

圖6 補(bǔ)償網(wǎng)增強(qiáng)真空釬焊接頭界面形貌Fig.6 Interface morphology of vacuum brazed joint enhanced by compensating mesh

圖7 3 種不同模式下的 C/C-Al2O3 接頭Fig.7 C/C-Al2O3 joint in three different modes

3 硬質(zhì)合金表面改性技術(shù)研究進(jìn)展

硬質(zhì)合金的表面處理可以除去表面雜質(zhì)，有效改善釬料潤(rùn)濕效果，其表面將大大影響釬焊質(zhì)量的好壞。目前針對(duì)硬質(zhì)合金的表面處理方式主要有磨削拋光、表面織構(gòu)化、鍍覆技術(shù)等。針對(duì)打磨切削技術(shù)會(huì)容易在硬質(zhì)合金表面產(chǎn)生如磨削燒傷、損傷等缺陷，部分學(xué)者提出對(duì)硬質(zhì)合金表面進(jìn)行化學(xué)機(jī)械拋光處理(CMP)。羅勝[21]分別選用 SiC(500)、SiC(3 000)及金剛石微粉制備拋光液，對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行了化學(xué)機(jī)械拋光，觀察發(fā)現(xiàn)，經(jīng) CMP 加工后，試驗(yàn)表面平整度較高，無(wú)明顯損傷，而經(jīng)過(guò)機(jī)械打磨處理的試樣表面存在明顯缺陷；胡自化等人[22]對(duì) YG8 硬質(zhì)合金表面進(jìn)行了 CMP拋光處理，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，硬質(zhì)合金粗糙度提高幅度達(dá)到78.2%，平均粗糙度由 87 nm 增至 19 nm。

經(jīng)過(guò) CMP 加工的試樣表面較為完整，損傷水平比較低。硬質(zhì)合金表面織構(gòu)化，也可以進(jìn)行合金的表面進(jìn)行改性。Lei X 等人[23]采用激光對(duì) WC-Co 進(jìn)行表面處理，得到了半徑 100 μm 織構(gòu)凹坑形貌，同時(shí)基體強(qiáng)度并未受到激光加工的影響。張麗霞等人[24]研究了 YG8 表面織構(gòu)加工后，與純鋁進(jìn)行釬焊試驗(yàn)，其接頭剪切強(qiáng)度提高到 51 MPa，效果提升顯著。孫慶浩等人[25]利用激光加工技術(shù)在硬質(zhì)合金表面加工出凹織構(gòu)和凸織構(gòu)，如圖8 所示，研究了激光加工參數(shù)對(duì)織構(gòu)尺寸的影響，并得到最佳激光加工參數(shù)。

圖8 激光參數(shù)優(yōu)化后織構(gòu)試樣的表面形貌Fig.8 Surface morphology of textured specimen after optimization by laser parameters

楊奇彪等人[26]應(yīng)用激光技術(shù)對(duì) YG6 硬質(zhì)合金進(jìn)行了表面處理，研究了織構(gòu)分布結(jié)構(gòu)對(duì)潤(rùn)濕效果的約束，發(fā)現(xiàn)凹坑面積一定時(shí)，織構(gòu)分布密度增大，表面潤(rùn)濕角減小，即硬質(zhì)合金潤(rùn)濕性提高。鍍敷技術(shù)多用于改善工件的表面性能，為提高表面性能，需要針對(duì)硬質(zhì)合金所需的性能選擇合適的鍍敷材料。目前常見(jiàn)的幾種工藝主要有電鍍、化學(xué)鍍、氣相沉積、物理沉積技術(shù)等。羅娟[27]在 YG8 表面進(jìn)行了 Ni-Cu-P 鍍敷，并且提出了降低 YG8 在預(yù)處理階段脫 Co 程度現(xiàn)象的影響因素，研究了溶質(zhì)、PH 值、溫度等因素對(duì)涂層鍍敷速率、結(jié)合力、涂層結(jié)構(gòu)的作用，試驗(yàn)得出在 Cu、Ni 原子比為 1∶5、PH＝11、T＝90 ℃ 的條件下，沉積得到的涂層具有最佳的潤(rùn)濕性能。許左琳等人[28]借助電泳沉積工藝，實(shí)現(xiàn)了在硬質(zhì)合金粉末表面涂層金剛石粉末。發(fā)現(xiàn)當(dāng)硬質(zhì)合金粉末與金剛石粉末質(zhì)量比為 6∶1 時(shí)，涂層效果最佳，且改性后粉末間的結(jié)合強(qiáng)度遠(yuǎn)高于未改性粉末間的結(jié)合強(qiáng)度。制備的復(fù)合粉末兼具金剛石的高硬度及高耐磨性和硬質(zhì)合金的高抗彎強(qiáng)度，可作為刀具的材料體系。王琦[29]采用激光加工技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行表面毛化處理，有效增強(qiáng)了潤(rùn)濕性，并去除表面游離態(tài)碳、氧化物等雜質(zhì)，對(duì)提高硬質(zhì)合金釬縫界面處連接強(qiáng)度的效果顯著。同時(shí)該研究人員利用電沉積技術(shù)，率先實(shí)現(xiàn)硬質(zhì)合金表面 Co-Ni 涂層的混合鍍敷，進(jìn)行釬縫結(jié)構(gòu)及組織設(shè)計(jì)。結(jié)合涂層生長(zhǎng)過(guò)程，記錄分析了鍍敷時(shí)間對(duì)涂層形貌、厚度、成分以及鍍速的影響，發(fā)現(xiàn)釬縫中固溶強(qiáng)化相 α -Cu(s，s)含量增多。周云[30]將表面微織構(gòu)技術(shù)與涂層沉積技術(shù)結(jié)合，提出復(fù)合織構(gòu)化預(yù)處理的CrAlN 涂層刀具的新思路，如圖9 所示。在刀具表面加工出不同的微織構(gòu)，利用微織構(gòu)的抗黏減摩功能，緩解涂層刀具與切屑間的劇烈摩擦磨損問(wèn)題。同時(shí)，CrAlN 涂層的耐磨損性能，起到保護(hù)織構(gòu)化表面，延長(zhǎng)刀具使用壽命的作用，協(xié)同發(fā)揮兩種技術(shù)的性能特點(diǎn)。

綜合來(lái)看，目前現(xiàn)有的表面改性技術(shù)主要追求兩方面，改善潤(rùn)滑或減少摩擦，且往往更側(cè)重單一性能的改善，在幾種性能協(xié)同改善的研究上投入不大，在表面改性提升硬質(zhì)合金的性能從而影響刀具質(zhì)量方面的相關(guān)創(chuàng)新也鮮見(jiàn)報(bào)道。

4 盾構(gòu)刀具釬焊工藝及技術(shù)研究

4.1 釬焊工藝

對(duì)于某些不同釬焊面積的盾構(gòu)刀具，或使用不同的釬料焊接硬質(zhì)合金時(shí)，所選擇的釬焊方法也各不相同。目前常用于硬質(zhì)合金刀具焊接的主要有感應(yīng)釬焊、真空釬焊、激光釬焊、超聲波輔助釬焊等技術(shù)。高華等人[31]采用 3 種不同成分釬料(CuZn、CuZnNi 和Ag-Cu-Ag)對(duì) YG16/35CrMo 異種金屬進(jìn)行高頻感應(yīng)釬焊，發(fā)現(xiàn)在 YG16 釬縫的界面均出現(xiàn)了脆性 η 相，造成了界面的脆化。侯克忠等人[32]針對(duì)合金刀片與鋼基刀體之間的大面積焊接技術(shù)，開(kāi)發(fā)了復(fù)合焊片高頻釬焊技術(shù)，制備的特種刀具經(jīng)實(shí)際施工考核，與引進(jìn)的先進(jìn)刀具效果相當(dāng)。感應(yīng)釬焊升溫較快，操作簡(jiǎn)單、靈活方便；但焊接硬質(zhì)合金時(shí)在焊縫處易產(chǎn)生熱應(yīng)力，最終導(dǎo)致焊件中裂紋的產(chǎn)生，需要調(diào)整合適的工藝參數(shù)，還應(yīng)結(jié)合適當(dāng)?shù)暮负鬅崽幚砉に噥?lái)緩解應(yīng)力。張冠星等人[33]使用三明治復(fù)合釬料對(duì) YG15 硬質(zhì)合金和 42CrMo 鋼進(jìn)行爐中釬焊，添加一定量的釬劑保護(hù)，實(shí)現(xiàn)了硬質(zhì)合金的焊接，研究了不同釬焊溫度與保溫時(shí)間對(duì)釬焊接頭組織的影響規(guī)律。相比于這兩種釬料，應(yīng)用更為廣泛的是真空釬焊，其具有提高抗腐蝕性、節(jié)省生產(chǎn)成本、濕潤(rùn)性和流動(dòng)性良好等優(yōu)勢(shì)；何亞洲[18]采用 CuMnNi+CuMnNi 釬料層進(jìn)行 Co 基 WC/40Cr 鋼常規(guī)真空釬焊，其接頭剪切強(qiáng)度高于感應(yīng)釬焊接頭。在釬焊溫度為 925 ℃、保溫 20 min 時(shí)可獲得 225.5 MPa 的剪切強(qiáng)度，但與進(jìn)口接頭相比，常規(guī)真空釬焊接頭塑性不佳。同時(shí)在釬縫中加入Ni 網(wǎng)，有效增加進(jìn)口釬焊接頭焊縫寬度，緩解殘余應(yīng)力，所以進(jìn)口釬焊具有較好的塑性性能。Amelzadeh M 等人[14]采用 Cu/Ni-Cr-Fe-B 雙層釬料對(duì) WC-Co/鋼異種接頭進(jìn)行真空釬焊，在 1 200 ℃ 下，釬焊進(jìn)行不同時(shí)間的保溫，然后研究了接頭的微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)性能。發(fā)現(xiàn)隨著釬焊時(shí)間的增加，剪切強(qiáng)度降低，其原因是由于殘余應(yīng)力釋放的減少。在釬焊時(shí)間為 5 min(413 MPa)時(shí)，剪切強(qiáng)度最高。

激光釬焊是近些年的新興技術(shù)，備受研究人員的青睞。Sechi Y 等人[34]采用激光釬焊工藝，制備了性能優(yōu)異的氮化硼與碳化鎢異質(zhì)接頭。結(jié)果發(fā)現(xiàn) h-BN 與Ag-Cu-Ti 釬料之間的潤(rùn)濕性能良好，沒(méi)有間隙，如圖10 所示，斷裂全部發(fā)生在靠近界面的 h-BN 體中。Ma S 等人[35]采用高速激光釬焊，使用純 Cu、Ag、Ni(厚度小于 0.5 mm)作為釬料連接硬質(zhì)合金 WC-Co 與鋼異種材料，分析了焊接參數(shù)和釬料對(duì)釬焊接頭組織、性能和熱力學(xué)行為的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，釬焊接頭出熔透完全，焊縫成形良好；增大激光功率有利于提高最大焊接速度。但根據(jù)有限元分析，焊接速度的增加會(huì)導(dǎo)致特別是夾具附近的殘余應(yīng)力集中。因此，對(duì)于給定的釬料采用激光釬焊，如何優(yōu)化激光功率及焊接速度仍然是一個(gè)挑戰(zhàn)。

圖10 釬焊界面Fig.10 Brazing interface

為提高釬焊接頭的力學(xué)性能，借助超聲輔助釬焊也是一個(gè)很好的方法。江超[17]就利用超聲振動(dòng)輔助方法，加入外部振動(dòng)方式來(lái)改變硬質(zhì)合金釬焊接頭組織分布，從而提高釬焊接頭強(qiáng)度。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)超聲時(shí)間控制在 0～15 s 時(shí)，接頭力學(xué)性能得到了提高。Wojarski L 等人[36]采用超聲輔助的方法，利用 Ag449 釬料進(jìn)行鋼和硬質(zhì)合金 K40 的爐中釬焊，主要研究了超聲波對(duì)釬焊接頭顯微組織及不同元素?cái)U(kuò)散深度的影響。發(fā)現(xiàn)釬料中形成的針狀或枝晶結(jié)構(gòu)在超聲作用下轉(zhuǎn)變?yōu)榍驙罱Y(jié)構(gòu)，如圖11 所示。此外，超聲波的使用增加了母材和釬料之間的擴(kuò)散以及釬焊接頭邊緣區(qū)域氧化物的溶解和分布。

圖11 不同振幅及激活時(shí)間下超聲釬焊焊縫顯微結(jié)構(gòu)Fig.11 Microstructure of ultrasonic brazing welds at different amplitudes and activation times

4.2 焊后處理技術(shù)

為降低釬焊后盾構(gòu)刀具內(nèi)部的殘余應(yīng)力，提升刀具的使用壽命，很多學(xué)者從刀具焊后熱處理、釬料形態(tài)、釬縫厚度等多方面進(jìn)行研究。針對(duì)熱處理，目前主要存在著淬火后緩冷、調(diào)質(zhì)熱處理等手段，現(xiàn)今已應(yīng)用成熟，目前主要集中于釬料形態(tài)、釬縫厚度等方面進(jìn)行研究。原瑞澤等人[37]通過(guò) ANSYS 仿真軟件建立了 YG8 硬質(zhì)合金與 42CrMo 鋼釬焊接頭的焊接工藝模型和深冷處理工藝模型，分析了接頭表面殘余應(yīng)力分布，并與經(jīng)深冷、回火處理后的焊接接頭表面殘余應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比，如圖12 所示。結(jié)果表明，深冷處理可使焊接接頭 42CrMo 鋼側(cè)形成殘余壓應(yīng)力，且深冷溫度對(duì)殘余壓應(yīng)力的影響較深冷次數(shù)更明顯。為緩解焊接接頭殘余應(yīng)力，除對(duì)焊接溫度、升溫速度、保溫時(shí)間、冷卻速度等工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化外，國(guó)內(nèi)外許多學(xué)者針對(duì)釬料進(jìn)行了較為深入的研究，提出了采用添加中間層、復(fù)合釬料、梯度釬料等方式優(yōu)化釬料，以達(dá)到緩解殘余應(yīng)力，改善焊接質(zhì)量和接頭力學(xué)性能的目的。鄭州機(jī)械研究所有限公司釬焊團(tuán)隊(duì)研制了一種減應(yīng)力的三明治復(fù)合釬料。這種釬料的心部由純銅、錳銅合金或銅鋅合金組成，外部包覆銀釬料。在釬焊過(guò)程中，心部材料不發(fā)生熔化，僅外部的銀釬料熔化，不熔化的高塑性銅合金增加了釬縫厚度，可以有效緩解釬焊接頭內(nèi)部由于硬質(zhì)合金與鋼基體線膨脹系數(shù)不匹配產(chǎn)生的熱應(yīng)力，降低殘余應(yīng)力，從而提高釬縫的結(jié)合強(qiáng)度。

圖12 TG8/42CrMo 釬焊接頭釬焊淬火后的等效應(yīng)力分布Fig.12 Equivalent stress distribution of TG8/42CrMo brazed joints after brazing and quenching

5 結(jié)論

(1)釬焊作為盾構(gòu)刀具的硬質(zhì)合金與鋼基體連接的主要手段，是影響盾構(gòu)刀具可靠性的關(guān)鍵因素。盾構(gòu)刀具結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用工況苛刻多變，影響盾構(gòu)刀具焊接性能的關(guān)鍵微量元素作用機(jī)理不明，國(guó)內(nèi)盾構(gòu)刀具用釬料尚無(wú)專(zhuān)用系列化產(chǎn)品，現(xiàn)階段存在的問(wèn)題有：釬焊溫度高，硬質(zhì)合金劣化嚴(yán)重；焊接接頭強(qiáng)度低，硬質(zhì)合金易脫落；殘余應(yīng)力難消減，硬質(zhì)合金易開(kāi)裂等，這些都制約著盾構(gòu)刀具向高端方向發(fā)展。針對(duì)上述問(wèn)題，可研制高強(qiáng)韌、低熔點(diǎn)釬料，在降低盾構(gòu)刀具焊接問(wèn)題的同時(shí)，解決盾構(gòu)刀具低溫釬焊時(shí)硬質(zhì)合金難潤(rùn)濕、界面冶金不充分、釬焊接頭強(qiáng)度低的難題。

(2)釬料對(duì)硬質(zhì)合金與鋼的潤(rùn)濕性能是影響硬質(zhì)合金與鋼釬焊接頭連接強(qiáng)度的重要因素。硬質(zhì)合金表面殘存的碳或金屬氧化物，使用釬劑去除困難，在釬焊加熱過(guò)程中，影響釬料對(duì)硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕及釬料的鋪展填縫。另外，在降低釬焊溫度，減少加熱對(duì)殘余應(yīng)力的影響，同時(shí)影響釬料對(duì)硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕性能。低溫釬焊時(shí)，釬料與硬質(zhì)合金發(fā)生反應(yīng)潤(rùn)濕程度減弱，釬料與母材不能充分的發(fā)生冶金反應(yīng)，影響釬焊接頭連接強(qiáng)度。鄭州機(jī)械研究所有限公司采用表面改性技術(shù)改變硬質(zhì)合金表面物性狀態(tài)或結(jié)構(gòu)，證實(shí)可以改善釬料對(duì)硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕性能。采用激光與表面沉積技術(shù)對(duì)硬質(zhì)合金表面進(jìn)行了改性，提高了釬料對(duì)硬質(zhì)合金的潤(rùn)濕性能，進(jìn)而提高了釬焊接頭連接強(qiáng)度。

(3)釬焊接頭殘余應(yīng)力是影響盾構(gòu)刀具硬質(zhì)合金與鋼釬焊性能的關(guān)鍵因素之一。由于硬質(zhì)合金與鋼物性差異較大，釬焊冷卻后接頭殘余應(yīng)力較大。釬焊接頭特別是硬質(zhì)合金中的殘余應(yīng)力，會(huì)導(dǎo)致硬質(zhì)強(qiáng)度下降，甚至出現(xiàn)硬質(zhì)合金開(kāi)裂的現(xiàn)象。盾構(gòu)刀具釬焊結(jié)構(gòu)復(fù)雜，硬質(zhì)合金受兩面或三面的拘束，在焊接升溫與冷卻過(guò)程中，應(yīng)力變化難以預(yù)測(cè)。釬焊合金與鋼所用釬料的強(qiáng)韌性、釬縫間隙、焊接升溫曲線、冷卻曲線等多重因素對(duì)釬焊接頭殘余應(yīng)力的產(chǎn)生均有重要影響?？煽紤]在開(kāi)發(fā)低應(yīng)力釬料的基礎(chǔ)上，通過(guò)調(diào)控溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)釬焊接頭均勻加熱?；跓?力耦合有限元仿真分析，預(yù)測(cè)殘余應(yīng)力分布狀態(tài)，通過(guò)協(xié)同調(diào)控釬料成分-溫度場(chǎng)-接頭結(jié)構(gòu)-界面組織，獲得低殘余應(yīng)力釬焊接頭，提高盾構(gòu)刀具焊接可靠性。