CN105108362A

CN105108362A - 一种电子束焊接截齿的方法

Info

Publication number: CN105108362A
Application number: CN201510611509.4A
Authority: CN
Inventors: 陈国庆; 张秉刚; 冯吉才; 张博
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2015-09-23
Filing date: 2015-09-23
Publication date: 2015-12-02
Anticipated expiration: 2035-09-23
Also published as: CN105108362B

Abstract

一种电子束焊接截齿的方法，它涉及一种焊接截齿的方法，具体是涉及一种掘进机截齿的圆柱形齿头和凹槽形基座之间的电子束焊接方法。本发明是要解决现有截齿制造中采用钎焊的方法其强度差、使用寿命短但采用熔焊方法又不能保证底面有效连接的问题。方法：一、机械打磨预处理，退磁，然后采用丙酮超声处理，将侧面填充箔片钎料嵌入凹槽侧壁底部，然后将钎料箔片压入凹槽底面，再将齿头放入基座的凹槽中，得到待焊工件；二、对待焊工件进行焊接。本发明用于采煤机和掘进机截齿的电子束焊接。

Description

一种电子束焊接截齿的方法

技术领域

本发明涉及一种焊接截齿的方法，具体是涉及一种掘进机截齿的圆柱形齿头和凹槽形基座之间的电子束焊接方法。

背景技术

采煤机和掘进机截齿大多由硬质合金齿头固定到钢基座中制成。硬质合金是用粉末冶金方法生产的，由过渡族难熔金属化合物(如WC、TiC、TaC、NbC等)和粘结金属(如Co、Ni、Fe)组成的，具有硬质相+粘结相的组织结构特征，具有较好强度、硬度与韧性匹配性的工程复合材料，被广泛应用于金属切割、冷成型工具和耐磨件等领域。但由于硬质合金制备比较困难且价格昂贵，因此一般不会单独使用，而是与其他材料连接起来使用。目前，与硬质合金连接使用的材料一般为结构钢或碳钢，能够用来连接硬质合金与钢的方法包括机械固定、粘接及焊接等。焊接领域中目前主要集中于熔化极气体保护焊(MIG或MAG)，但是这种方法生产效率低，焊缝易于产生裂纹，且不适用于凹槽结构的焊接。钎焊由于其具有很好的适用性可以广泛应用于复杂结构的连接，但是由于其钎缝力学性能较熔焊接头低，同时针对硬质合金与钢凹槽结构焊接时容易产生裂纹，因此不宜单独应用于该结构的连接。

发明内容

本发明是要解决现有截齿制造中采用钎焊的方法其强度差、使用寿命短但采用熔焊方法又不能保证底面有效连接的问题，而提供一种电子束焊接截齿的方法。

本发明一种电子束焊接截齿的方法是按以下步骤进行的：

一、对齿头的侧面和底面、基座的凹槽侧壁和凹槽底面及侧面填充箔片钎料进行机械打磨预处理，得到待加工齿头、待加工基座和表面平整的侧面填充箔片钎料，将待加工齿头、待加工基座和表面平整的侧面填充箔片钎料在退磁机上退磁，然后采用丙酮超声处理5min～15min，得到处理后齿头、处理后基座和处理后的侧面填充箔片钎料，将两片处理后的侧面填充箔片钎料对称竖直嵌入处理后基座的凹槽侧壁的底部，然后将两片厚度为50μm～100μm的钎料箔片相叠加压入处理后基座的凹槽底面，再将处理后齿头放入处理后基座的凹槽中，得到待焊工件；

二、将步骤一得到的待焊工件放入电子束焊接真空室，固定在工作台上，将电子束焊接真空室的真空度控制在4×10^-4torr，然后在3000mA的聚焦电流下采用16mA的焊接束流以300mm/min速度进行两圈预热，然后在聚焦电流为2480mA、电子束功率为880W～1210W、焊接束流为16mA～22mA、施焊平面距离电子束枪距离为160mm、电子束下束位置偏钢侧0.1mm～0.5mm和焊接速度为300mm/min的条件下进行焊接，焊接完成后再在3000mA的聚焦电流下采用12mA～14mA的焊接束流以300mm/min速度进行两圈后热，然后在真空度为4×10^-4torr的电子束焊接真空室中冷却2min～3min，取出冷却至室温，完成焊接硬质合金与凹槽状结构钢基座。

原理：焊接前调整电子束焊接真空室的真空度为4×10^-4torr，施焊平面距离电子束枪距离为160mm，电子束下束位置偏钢侧0.1mm～0.5mm，根据焊接顺序将焊接路径分为0°、90°、180°、270°四个焊接位置；焊接过程：①在聚焦电流为3000mA和焊接速度为300mm/min的条件下，在0°～90°位置处焊接束流匀速由0mA增加到16mA，而后以16mA的束流焊接2圈而后焊接束流由16mA降为0mA，随后保持焊接束流0mA，焊接位置归为0°；②之后采用聚焦电流2480mA、焊接速度300mm/min，0°～90°位置处焊接束流逐渐由0mA增加到16mA～22mA，而后以16mA～22mA束流焊接2圈，而后焊接束流由16mA～22mA降为0mA，随后保持焊接束流0mA，焊接位置归为0°；③最后聚焦电流3000mA、焊接速度300mm/min，0°～90°位置处焊接束流逐渐由0mA增加到14mA，而后以14mA束流焊接1圈此时焊接位置到达90°位置处，而后在90°～180°位置处焊接束流由14mA降为12mA，在180°～270°位置处焊接束流由12mA降为0mA，随后保持焊接束流0mA，焊接位置由270°归为0°，然后在真空度为4×10^-4torr的电子束焊接真空室中冷却2min～3min，取出冷却至室温，完成焊接硬质合金与凹槽状结构钢基座。

步骤①实现底面钎焊过程，使钎料润湿铺展，该过程采用散焦方式在硬质合金与钢的上表面进行一定宽度环形区域加热，利用热传导的方式将电子束能量传递到底面的钎料处，达到熔点使其熔化，并润湿铺展。

步骤②实现侧壁电子束熔焊过程，同时进行钎焊的保温过程。该过程采用聚焦方式，将电子束作用于硬质合金与钢的界面处，此过程结束后侧壁实现熔钎焊连接，同时传递到底面的热量会持续熔化钎料延长保温过程。

步骤③采用散焦方式在硬质合金与钢的上表面进行一定宽度环形区域加热，保证底面钎料与母材的扩散时间同时降低冷却速度防止缺陷产生。焊接结束后真空中缓冷一段时间，取出后冷却至室温，该过程能进一步防止裂纹的产生。

本发明的有益效果：

1、本发明解决了传统熔化焊对于此类凹槽结构不能一次性实现环壁与底面同时焊接的弊端，提高了焊接效率，采用电子束焊接的方法有效的减小了热影响区范围，减少了元素烧损以及硬质相的损失，降低了焊缝中脆性相的生成和裂纹的产生。

2、本发明利用电子束焊接时的热量使底面钎料熔化形成钎焊接头，很好的减少了整体钎焊容易产生裂纹的问题，同时保证了底面的有效连接。

3、本发明中焊前散焦预热首先保证了底面钎料的熔化、铺展，同时配合焊后散焦后热降低了两种焊接接头中的焊接应力，有效的防止了硬质合金处的裂纹产生。

4、本发明向凹槽侧壁根部嵌入箔片能够很好的缓释接头根部应力，同时利于熔焊接头根部的焊合，同时利于熔焊接头根部的焊合。

附图说明

图1为焊接接头示意图，其中1为齿头，2为带凹槽的基座，3为侧壁熔焊接头区域，4为底面钎焊接头区域；

图2为图1中侧壁熔焊接头区域的SEM图；

图3为图1中底面钎焊接头区域的SEM图。

具体实施方式

具体实施方式一：本实施方式一种电子束焊接截齿的方法是按以下步骤进行的：

本实施方式解决了传统熔化焊对于此类凹槽结构不能一次性实现环壁与底面同时焊接的弊端，提高了焊接效率，采用电子束焊接的方法有效的减小了热影响区范围，减少了元素烧损以及硬质相的损失，降低了焊缝中脆性相的生成和裂纹的产生。

本实施方式利用电子束焊接时的热量使底面钎料熔化形成钎焊接头，很好的减少了整体钎焊容易产生裂纹的问题，同时保证了底面的有效连接。

本实施方式中焊前散焦预热首先保证了底面钎料的熔化、铺展，同时配合焊后散焦后热降低了两种焊接接头中的焊接应力，有效的防止了硬质合金处的裂纹产生。

本实施方式向凹槽侧壁根部嵌入箔片能够很好的缓释接头根部应力，同时利于熔焊接头根部的焊合，同时利于熔焊接头根部的焊合。

具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：步骤一中所述的齿头的材质为WC-Co。其他与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：步骤一中所述基座的材质为40Cr。其他与具体实施方式一或二相同。

具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三不同的是：步骤一中所述侧面填充箔片钎料为BNi₂箔片钎料。其他与具体实施方式一至三相同。

具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：步骤一中所述厚度为50μm～100μm的钎料箔片是厚度为50μm～100μm的Ag-Cu-Ti箔片。其他与具体实施方式一至三相同。

采用下述试验验证本发明效果：

试验一：一种电子束焊接截齿的方法是按以下步骤进行的：

一、对齿头侧面、齿头底面、基座的凹槽侧壁、基座的凹槽底面和侧面填充BNi₂箔片钎料进行机械打磨预处理，得到待加工工件和表面平整的侧面填充箔片钎料，将待加工工件和表面平整的侧面填充BNi₂箔片钎料在退磁机上退磁，然后采用丙酮超声处理5min～15min，得到处理后的待加工工件和处理后的侧面填充BNi₂箔片钎料，将两片处理后的侧面填充BNi₂箔片钎料对称竖直嵌入钢基座的凹槽侧壁底部，然后将两片厚度为50μm的Ag-Cu-Ti箔片相叠加压入凹槽底面，再将齿头放入基座的凹槽中，得到待焊工件；所述齿头为尺寸为Φ20×5mm的WC-Co，基座为尺寸Φ35×20mm内开Φ20×4mm凹槽的40Cr；所述侧面填充BNi₂箔片钎料的宽度为1.5mm；

二、将步骤一得到的待焊工件放入电子束焊接真空室，固定在工作台上，调整电子束焊接真空室的真空度为4×10^-4torr，施焊平面距离电子束枪距离为160mm，电子束下束位置偏钢侧0.1mm～0.5mm，根据焊接顺序将焊接路径分为0°、90°、180°、270°四个焊接位置；焊接过程：①在聚焦电流为3000mA和焊接速度为300mm/min的条件下，在0°～90°位置处焊接束流匀速由0mA增加到16mA，而后以16mA的束流焊接2圈而后焊接束流由16mA降为0mA，随后保持焊接束流0mA，焊接位置归为0°；②之后采用聚焦电流2480mA、焊接速度300mm/min，0°～90°位置处焊接束流逐渐由0mA增加到16mA，而后以16mA束流焊接2圈，而后焊接束流由16mA降为0mA，随后保持焊接束流0mA，焊接位置归为0°；③最后聚焦电流3000mA、焊接速度300mm/min，0°～90°位置处焊接束流逐渐由0mA增加到14mA，而后以14mA束流焊接1圈此时焊接位置到达90°位置处，而后在90°～180°位置处焊接束流由14mA降为12mA，在180°～270°位置处焊接束流由12mA降为0mA，随后保持焊接束流0mA，焊接位置由270°归为0°，然后在真空度为4×10^-4torr的电子束焊接真空室中冷却2min～3min，取出冷却至室温，完成焊接硬质合金与凹槽状结构钢基座。

图1为焊接接头示意图，其中1为齿头，2为带凹槽的基座，3为侧壁熔焊接头区域，4为底面钎焊接头区域；图2为图1中侧壁熔焊接头区域的SEM图；图3为图1中底面钎焊接头区域的SEM图。从图中可以看出从图中可以看出两种明显的钎焊界面形貌，左侧钎焊层是底面钎料熔化形成，右侧钎焊层是侧壁电子束焊缝金属吸入底面形成的，从而用来填补底面边缘处钎料的不足。实现整体的有效连接，所得焊缝截面观察并未产生裂纹、气孔等缺陷，SEM图像中对焊缝观察可发现并未产生团簇密集的η相，同时近焊缝侧WC颗粒并未出现明显的疏松长大，界面处过渡平缓。

为了较为准确的评定接头的力学性能，试验中对每个焊接试样均沿坐标轴方向切出四个非标准剪切试样，以0.5mm/min的加载速度进行剪切强度测试，结果表明，本发明完成焊接硬质合金与凹槽状结构钢基座后的平均剪切强度达到了506MPa。

Claims

1.一种电子束焊接截齿的方法，其特征在于电子束焊接截齿的方法是按以下步骤进行的：

2.根据权利要求1所述的一种电子束焊接截齿的方法，其特征在于步骤一中所述的齿头的材质为WC-Co。

3.根据权利要求1所述的一种电子束焊接截齿的方法，其特征在于步骤一中所述基座的材质为40Cr。

4.根据权利要求1所述的一种电子束焊接截齿的方法，其特征在于步骤一中所述侧面填充箔片钎料为BNi₂箔片钎料。

5.根据权利要求1所述的一种电子束焊接截齿的方法，其特征在于步骤一中所述厚度为50μm～100μm的钎料箔片是厚度为50μm～100μm的Ag-Cu-Ti箔片。