CN104759724A - 使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及的是使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法，这种使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法如下：一、选取200目合金粉末和20~30目化合物粉末作为填充金属，合金粉末包括Cu粉末、Zn粉末、Ni粉末、Co粉末、Cr粉末、B粉末、Fe粉末、W粉末，化合物粉末为WC颗粒，WC颗粒的质量分数为0.1％~10％；二、将球磨球、WC颗粒和合金粉末一起放入球磨机中，混合均匀；三、将硬质合金焊接面切出约1~5°倾角的坡口；四、将硬质合金焊接面经打磨清洗干燥后，进行喷砂、喷涂；五、对0.1~0.2mm厚的Ni片和Co片打磨清洗，按照Ni/Co/Ni的顺序叠合组装，形成中间层；六、将喷涂完的硬质合金进行装夹，并将中间层固定在两个硬质合金中间，随后进行激光加热。本发明可以显著降低硬质合金与硬质合金焊接接头的残余应力，焊缝强度高。
Description
技术领域
本发明涉及硬质合金与硬质合金之间的焊接技术，具体涉及使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法。
背景技术
随着木材工业技术的进步，各种木质复合材料、贴面板、木、竹集成材，尤其是三聚氰胺浸渍纸贴面板、PVC贴面板等材料越来越多地用于家具、地板、屋面板和工程木制件等。但是这些木材需要分层切削加工，常规的切削工序、简单的刀具结构和普通的刀具材料难以胜任或根本无法实现切削加工。硬质合金刀具具有切削速度快，加工效率高，耐磨性能好，使用寿命长的优点，已经成为木材工业加工首选刀具。由于其加工木质材料的原始尺寸都较大，相应的加工刀具尺寸也随之要变长。但硬质合金是以难熔金属化合物为基体，以过渡族金属为粘结相，通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料，这种制备方法就限制了较难生产长尺寸的硬质合金材料，为了获得长尺寸（大于2米）硬质合金刀具，必须使用焊接技术实现硬质合金与硬质合金之间的可靠连接。
关于硬质合金与硬质合金的焊接主要存在两个问题，成为限制超长硬质合金焊接的瓶颈。这两个问题分别是：其一填充材料的选取。如果选普通填充材料，其材料与硬质合金相比硬度、耐磨性往往相差很多，在工作中填充材料会首先磨损，这样会在其加工木质材料上面留下凸痕，影响产品的质量，严重时会使产品无法使用；其二填充材料与硬质合金这两种材料的热膨胀系数存在很大的差异，这会导致在焊接过程中产生较大的残余应力，造成硬质合金焊接接头部位严重变形，在后续的木质材料加工中就会导致硬质合金刀具焊接接头首先出现裂纹直至最后碎裂。
激光作为一种新型的焊接热源，具有加热速度快、热影响区窄、焊后变形及残余应力小等特点，特别是在减弱接头熔合区脆化方面，具有独特的优点，这使其有可能应用于硬质合金与硬质合金的焊接。据相关文献报道，可采取激光的“深熔焊”和“热导焊”模式进行硬质合金与钢的钎焊，这种方法可使钎料在瞬时内充分熔化，以浸润硬质合金，又能将硬质合金基体加热到较高的温度而不致熔化，使其能够更好地被液态钎料所润湿，形成钎焊接头。但是相关文献中只研究了硬质合金与钢的焊接，而硬质合金与硬质合金的焊接难度较大，技术含量高，所以在我国这种高质量长尺寸硬质合金与硬质合金的焊接技术尚属空白，国外目前为止也没有这方面实质性的报道。
发明内容
本发明的目的是提供使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法，这种使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法用于解决硬质合金与硬质合金焊接成为超长工件的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法如下：
一、填充材料配制：
按质量分数选取200目合金粉末和20~30目化合物粉末作为填充金属，合金粉末包括Cu粉末、Zn粉末、Ni粉末、Co粉末、Cr粉末、B粉末、Fe粉末、W粉末，化合物粉末为WC颗粒，以合金粉末和WC颗粒的总质量计，WC颗粒的质量分数为0.1％~10％；
二、填充材料合金化：
将球磨球、步骤一中称取的WC颗粒和步骤一中称取的合金粉末一起放入行星球磨机中，把填充材料粉与WC颗粒混合均匀，球磨球直径为2~10mm，球料质量比为9:1~14:1，行星球磨机抽真空后充入氩气，然后以转速为50~400r/min间歇式球磨4~22h，球磨机每6~11min转换一次转动方向，每球磨2~5h停歇0.6~1.1h；
三、硬质合金加工：
硬质合金准备时，用线切割先将硬质合金焊接面切出约1~5°倾角的坡口，并打磨去除加工痕迹；
四、表面复合化：
将步骤三处理后的硬质合金焊接面经用砂纸打磨、用丙酮清洗、干燥后，使用24目棕刚玉砂进行喷砂处理；接着进行喷涂，喷涂材料粉末形貌呈球形或近球形，粒径范围为44~105μm，喷涂工艺参数为：电压30~60V，电流200~500A，氩气流量30~45L/min，送粉量1~2.5kg/h，喷涂距离80~120mm，喷涂层厚度约200~900μm；喷涂后在保温炉中进行热处理，其中热处理参数为：200~700℃保温0.6~1h，空冷；
五、中间层制备：
采用砂纸对0.1~0.2mm厚的Ni片和Co片进行打磨，并清洗干燥后，按照Ni/Co/Ni的顺序进行叠合组装，形成三明治形式的中间层；
六、焊接过程：
将步骤四喷涂完的硬质合金进行装夹，并将步骤五制备的中间层固定在两个硬质合金中间，随后进行激光加热，其中填充材料要进行干燥，然后通过摆针刮吸式送粉器和四孔式同轴送粉喷嘴实现同轴送填充材料，激光焊接工艺为：激光功率为3~6kW，光斑直径1~1.5mm，离焦量为1~8mm，焊接速率为10~25mm/s，保护气体为氦气，气体流量为32L/min。
上述方案中合金粉末的组成为：以合金粉末和WC颗粒的总质量计，合金粉末由按质量分数为10％~60％Cu粉末、10％~40％Zn粉末、1％~70％Ni粉末、1％~10％Co粉末、1％~10％Cr粉末、0.1％~10％B粉末、0.1％~10％Fe粉末、1％~20％W粉末组成。
上述方案中喷涂材料由按质量分数为：15％~20％Cr、3.0％~4.5％B、3.5％~5.5％Si、0.5％~1.1％C、0.5％~5.0％Fe、余量的Ni组成。
本发明具有以下有益效果：
一、本发明里中间层与填充材料配合使用可以显著降低硬质合金与硬质合金焊接接头的残余应力，提高了焊缝强度，提高整体硬质合金构件的性能。
二、本发明制备的填充材料在球磨过程中WC增强相与钎料合金粉末可以充分均匀混合。
三、本发明在焊接时直接可以得到WC颗粒增强的复合焊缝，也可使接头的残余应力显著下降。
附图说明
图1是本发明的示意图。
图中：1.硬质合金，2.喷涂层，3.填充材料，4.激光束，5.夹具。
具体实施方式
下面对本发明作进一步的说明：
实施例1：
这种使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法如下：
一、填充材料配制：
按质量分数选取200目合金粉末和20目化合物粉末作为填充金属，其合金粉末包括Cu粉末、Zn粉末、Ni粉末、Co粉末、Cr粉末、B粉末、Fe粉末、W粉末，化合物粉末为WC颗粒；按质量分数称取10％Cu粉末、40％Zn粉末、10％Ni粉末、1％Co粉末、1％Cr粉末、7.9％B粉末、10％Fe粉末、20％W粉末，以及0.1％WC颗粒。
二、填充材料合金化：
将球磨球、步骤一中称取的WC颗粒和步骤一中称取的合金粉末一起放入行星球磨机中，把填充材料粉与WC颗粒混合均匀，球磨球直径为2mm，球料质量比为9:1，行星球磨机抽真空后充入氩气，然后以转速为50r/min间歇式球磨4h，球磨机每6min转换一次转动方向，每球磨2h停歇0.6h；本发明中球料质量比为步骤一中称取的WC颗粒和步骤一中称取的合金粉末二者的质量之和与球磨球质量的比值。
三、硬质合金加工：
硬质合金准备时，用线切割先将硬质合金焊接面切出约1~5°倾角的坡口，并打磨去除加工痕迹。
四、表面复合化：
将步骤三处理后的硬质合金焊接面经用砂纸打磨、用丙酮清洗、干燥后，使用24目棕刚玉砂进行喷砂处理；接着进行喷涂，喷涂材料由按质量分数为：15％Cr、3.0％B、5.5％Si、0.8％C、0.7％Fe、余量的Ni组成，粉末形貌呈球形或近球形，粒径范围为44μm，喷涂工艺参数为：电压30V，电流200A，氩气流量30L/min，送粉量1kg/h，喷涂距离80mm，喷涂层厚度约200μm；喷涂后在保温炉中进行热处理，其中热处理参数为：200℃保温0.6h，空冷。
五、中间层制备：
采用砂纸对0.1mm厚的Ni片和Co片进行打磨，并清洗干燥后，按照Ni/Co/Ni的顺序进行叠合组装，形成三明治形式的中间层。
六、焊接过程：
如图1所示，将步骤四喷涂完的硬质合金进行装夹，将两个硬质合金喷涂后的喷涂层2相对应放置，用夹具5夹紧，并将步骤五制备的中间层固定在两个硬质合金1中间，中间层为图1中两个喷涂层之间的白色区域，随后进行激光加热，其中填充材料要进行干燥，然后通过摆针刮吸式送粉器和四孔式同轴送粉喷嘴实现同轴送填充材料，激光束4穿过填充材料3进入到两个硬质合金之间进行激光加热，激光焊接工艺为：激光功率为3kW，光斑直径1mm，离焦量为3mm，焊接速率为10mm/s，保护气体为氦气，气体流量为32L/min。
实施例2：
这种使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法如下：
一、填充材料配制：
按质量分数选取200目合金粉末和30目化合物粉末作为填充金属，其合金粉末包括Cu粉末、Zn粉末、Ni粉末、Co粉末、Cr粉末、B粉末、Fe粉末、W粉末，化合物粉末为WC颗粒；按质量分数称取58％Cu粉末、10％Zn粉末、％Ni粉末、8％8Co粉末、9％Cr粉末、0.1％B粉末、0.9％Fe粉末、1％W粉末，以及8％WC颗粒。
二、填充材料合金化：
将球磨球、步骤一中称取的WC颗粒和步骤一中称取的合金粉末一起放入行星球磨机中，把填充材料粉与WC颗粒混合均匀，球磨球直径为8mm，球料质量比为12:1，行星球磨机抽真空后充入氩气，然后以转速为200r/min间歇式球磨18h，球磨机每8min转换一次转动方向，每球磨3h停歇0.9h。
三、硬质合金加工：
硬质合金准备时，用线切割先将硬质合金焊接面切出约1~5°倾角的坡口，并打磨去除加工痕迹。
四、表面复合化：
将步骤三处理后的硬质合金焊接面经用砂纸打磨、用丙酮清洗、干燥后，使用24目棕刚玉砂进行喷砂处理；接着进行喷涂，喷涂材料由按质量分数为： 20％Cr、4.5％B、3.5％Si、0.5％C、5.0％Fe、余量的Ni组成，粉末形貌呈球形或近球形，粒径范围为85μm，喷涂工艺参数为：电压45V，电流300A，氩气流量40L/min，送粉量1.5kg/h，喷涂距离100mm，喷涂层厚度约600μm；喷涂后在保温炉中进行热处理，其中热处理参数为：500℃保温0.9h，空冷。
五、中间层制备：
采用砂纸对0.2mm厚的Ni片和Co片进行打磨，并清洗干燥后，按照Ni/Co/Ni的顺序进行叠合组装，形成三明治形式的中间层。
六、焊接过程：
将步骤四喷涂完的硬质合金进行装夹，并将步骤五制备的中间层固定在两个硬质合金中间，随后进行激光加热，其中填充材料要进行干燥，然后通过摆针刮吸式送粉器和四孔式同轴送粉喷嘴实现同轴送填充材料，激光焊接工艺为：激光功率为4kW，光斑直径1.2mm，离焦量为5mm，焊接速率为18mm/s，保护气体为氦气，气体流量为32L/min。
实施例3：
这种使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法如下：
一、填充材料配制：
按质量分数选取200目合金粉末和30目化合物粉末作为填充金属，其合金粉末包括Cu粉末、Zn粉末、Ni粉末、Co粉末、Cr粉末、B粉末、Fe粉末、W粉末，化合物粉末为WC颗粒；按质量分数称取10％Cu粉末、10％Zn粉末、70％Ni粉末、2％Co粉末、2％Cr粉末、2％B粉末、1％Fe粉末、2％W粉末，以及1％WC颗粒；
二、填充材料合金化：
将球磨球、步骤一中称取的WC颗粒和步骤一中称取的合金粉末一起放入行星球磨机中，把填充材料粉与WC颗粒混合均匀，球磨球直径为10mm，球料质量比为14:1，行星球磨机抽真空后充入氩气，然后以转速为400r/min间歇式球磨22h，球磨机每11min转换一次转动方向，每球磨5h停歇1.1h；
三、硬质合金加工：
硬质合金准备时，用线切割先将硬质合金焊接面切出约1~5°倾角的坡口，并打磨去除加工痕迹；
四、表面复合化：
将步骤三处理后的硬质合金焊接面经用砂纸打磨、用丙酮清洗、干燥后，使用24目棕刚玉砂进行喷砂处理；接着进行喷涂，喷涂材料由按质量分数为：18％Cr、4.0％4B、4.5％Si、0.8％C、3％Fe、余量的Ni组成，粉末形貌呈球形或近球形，粒径范围为105μm，喷涂工艺参数为：电压60V，电流500A，氩气流量45L/min，送粉量2.5kg/h，喷涂距离120mm，喷涂层厚度约900μm；喷涂后在保温炉中进行热处理，其中热处理参数为： 700℃保温1h，空冷；
五、中间层制备：
采用砂纸对0.1mm厚的Ni片和Co片进行打磨，并清洗干燥后，按照Ni/Co/Ni的顺序进行叠合组装，形成三明治形式的中间层；
六、焊接过程：
将步骤四喷涂完的硬质合金进行装夹，并将步骤五制备的中间层固定在两个硬质合金中间，随后进行激光加热，其中填充材料要进行干燥，然后通过摆针刮吸式送粉器和四孔式同轴送粉喷嘴实现同轴送填充材料，激光焊接工艺为：激光功率为6kW，光斑直径1.5mm，离焦量为8mm，焊接速率为25mm/s，保护气体为氦气，气体流量为32L/min。
Claims (3)
1.一种使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法，其特征在于：这种使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法如下：
一、填充材料配制：
按质量分数选取200目合金粉末和20~30目化合物粉末作为填充金属，合金粉末包括Cu粉末、Zn粉末、Ni粉末、Co粉末、Cr粉末、B粉末、Fe粉末、W粉末，化合物粉末为WC颗粒，以合金粉末和WC颗粒的总质量计，WC颗粒的质量分数为0.1％~10％；
二、填充材料合金化：
将球磨球、步骤一中称取的WC颗粒和步骤一中称取的合金粉末一起放入行星球磨机中，把填充材料粉与WC颗粒混合均匀，球磨球直径为2~10mm，球料质量比为9:1~14:1，行星球磨机抽真空后充入氩气，然后以转速为50~400r/min间歇式球磨4~22h，球磨机每6~11min转换一次转动方向，每球磨2~5h停歇0.6~1.1h；
三、硬质合金加工：
硬质合金准备时，用线切割先将硬质合金焊接面切出约1~5°倾角的坡口，并打磨去除加工痕迹；
四、表面复合化：
将步骤三处理后的硬质合金焊接面经用砂纸打磨、用丙酮清洗、干燥后，使用24目棕刚玉砂进行喷砂处理；接着进行喷涂，喷涂材料粉末形貌呈球形或近球形，粒径范围为44~105μm，喷涂工艺参数为：电压30~60V，电流200~500A，氩气流量30~45L/min，送粉量1~2.5kg/h，喷涂距离80~120mm，喷涂层厚度约200~900μm；喷涂后在保温炉中进行热处理，其中热处理参数为：200~700℃保温0.6~1h，空冷；
五、中间层制备：
采用砂纸对0.1~0.2mm厚的Ni片和Co片进行打磨，并清洗干燥后，按照Ni/Co/Ni的顺序进行叠合组装，形成三明治形式的中间层；
六、焊接过程：
将步骤四喷涂完的硬质合金进行装夹，并将步骤五制备的中间层固定在两个硬质合金中间，随后进行激光加热，其中填充材料要进行干燥，然后通过摆针刮吸式送粉器和四孔式同轴送粉喷嘴实现同轴送填充材料，激光焊接工艺为：激光功率为3~6kW，光斑直径1~1.5mm，离焦量为1~8mm，焊接速率为10~25mm/s，保护气体为氦气，气体流量为32L/min。
2.根据权利要求1所述的使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法，其特征在于：所述的合金粉末的组成为：以合金粉末和WC颗粒的总质量计，合金粉末由按质量分数为10％~60％Cu粉末、10％~40％Zn粉末、1％~70％Ni粉末、1％~10％Co粉末、1％~10％Cr粉末、0.1％~10％B粉末、0.1％~10％Fe粉末、1％~20％W粉末组成。
3.根据权利要求1或2所述的使用激光加热连接超长硬质合金的焊接方法，其特征在于：所述的喷涂材料由按质量分数为：15％~20％Cr、3.0％~4.5％B、3.5％~5.5％Si、0.5％~1.1％C、0.5％~5.0％Fe、余量的Ni组成。
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