刃具硬質合金與結構鋼釬焊工藝研究

呂鵬 劉慶梅 徐楠

（中航工業沈陽黎明航空發動機（集團）有限責任公司，遼寧 沈陽 110043）

1 概述

硬質合金與結構鋼的焊接，因焊接質量較差，只能作為量具對表件或普通硬質合金車刀焊片時使用，不能用于高精度（要求同軸度0.02以內）回轉類刃具的刀桿與刀刃部分對接使用，通過此論文說明一下高精度回轉類刃具的刀桿與刀刃的釬焊工藝過程及后期試驗結果。

2 硬質合金與結構鋼的釬焊

2.1 硬質合金的焊接特點

硬質合金主要用于制造刀具、量具等雙金屬結構。切削部分為硬質合金，基體為碳素鋼、低合金鋼通常為中碳鋼。這類工件在工作時受到相當大的應力作用，特別是壓縮彎曲、沖擊和交變載荷，要求接頭強度高、質量可靠。硬質合金有高硬度和耐磨性好的特點，但是存在脆性高、韌性差等缺點。

2.1.1一般焊接特點

（1）線膨脹系數與釬焊裂紋的關系

硬質合金的尺寸較小，一般固定在一個比較厚大的鋼支撐材料上。釬焊是把硬質合金和基體金屬連接在一起的焊接方法。硬質合金的線膨脹系數（4.1-7.0X10-6/℃）與普通鋼的線膨脹系數（12X10-6/℃）相比差別很大，硬質合金只有鋼的1/3--1/2左右。加熱時硬質合金和鋼都自由膨脹，但冷卻時鋼的收縮量比硬質合金大的多。此時焊縫處于受壓力狀態，在硬質合金表面則承受拉應力，如果殘余應力大于硬質合金的抗拉強度時，硬質合金表面就可能產生裂紋。這是硬質合金釬焊時產生裂紋的主要原因之一。

（2）硬度與裂紋敏感性的關系

硬質合金的硬度與耐磨性和焊接裂紋敏感性成正比，硬質合金的硬度越高，釬焊時產生裂紋的可能性越大。而且，一般精加工或超精加工所用的硬質合金，在釬焊時容易發生裂紋。

（3）焊接殘余應力的影響

焊接區域的殘余應力是一種潛在的危害，盡管焊接硬質合金工件上不一定馬上發現裂紋，但隨后的刃磨、保管或使用過程中卻容易產生裂紋，造成工具報廢。焊接時必須采取措施減小釬焊應力，可采取降低釬焊溫度、焊前預熱及緩冷、選用塑性較好的釬料、加補償墊片、改進接頭結構等措施。釬焊大面積硬質合金時，無論強度高低，均應采取特殊措施，以減小焊接應力和防止裂紋的產生。

（4）氧化問題

硬質合金在空氣中加熱到800℃以上時，硬質合金表面開始氧化，生成疏松的氧化物層，同時伴隨脫碳現象。加熱至950-1100℃時，表面層會發生劇烈氧化，形成的氧化薄膜使硬質合金變脆，降低力學性能。表面氧化層的存在，也降低了焊縫的強度、硬度。在焊接時采取措施盡量減少硬質合金焊接部位的氧化現象，是提高焊接質量的重要措施。

2.2 基體材料的選擇和槽型設計

2.2.1 基體材料的選擇

硬質合金通常與基體材料連接在一起使用，基體材料的選擇主要考慮硬質合金使用時所受載荷的大小。一般載荷的刀具基體材料可用45鋼或40Cr鋼。需要淬硬的刀體可選用9SiCr鋼，因為9SiCr鋼焊后淬火用的冷卻介質溫度比40Cr高，對硬質合金有利。

2.2.2 槽型設計

鋼與硬質合金刀具釬焊質量的好壞還決定于刀槽形狀的設計是否合理，硬質合金槽型的設計是否合理。硬質合金槽形設計原則如下：

（1）盡量減少釬焊面，避免采用封閉和半封閉槽型結構，以減少釬焊應力，防止產生裂紋，盡可能采用自由焊槽形，使釬焊應力降低到最低。

（2）焊接前裝配硬質合金時應盡量靠硬質合金自重或靠基體上的凸臺、凹槽等部位定位，盡量避免使用夾具固定硬質合金。

（3）設計槽型時應考慮在釬焊過程中便于排渣，避免因焊縫中夾渣而使焊縫強度降低或脫焊現象。

（4）釬焊后刀頭部分不應黏附過多的焊料，以免刃磨困難，尤其是在設計硬質合金多刃刀具時應特別注意。

2.3 硬質合金與鋼的釬焊

硬質合金與鋼的釬焊方法主要有氧氣--炔火焰釬焊、高頻感應釬焊、接觸電阻釬焊、浸銅釬焊以及爐中釬焊等種類。

2.3.1 釬焊方法-高頻感應釬焊

高頻感應釬焊使用頻率為600KHz，功率為10KW-100KW之間的高頻感應加熱源，產生高頻電流。當高頻電流穿過感應器時產生高頻交變磁場，在感應器中的被焊金屬產生感應電流。高頻加熱速度很快，可以在很短時間內加熱到很高的溫度，使焊料熔化。

2.3.2 硬質合金釬料與釬劑

（1）釬料的選擇

①釬料應對被釬焊硬質合金和鋼基體有良好的潤濕能力，保證釬料具有良好的流動性與滲透性。

②硬質合金的使用特點有較高的紅硬性，所以要保證釬焊焊縫在常溫下有足夠的硬度。

③釬料的熔點要盡可能地低，以減少釬焊應力，防止發生裂紋，但釬料的熔點要高于焊縫的工作溫度300℃，保證正常切削。

我廠多使用常溫釬料H62。

（2）釬劑的選擇

釬劑的作用是使刀桿和釬焊表面的氧化物還原，使釬料能很好的潤濕被釬焊的金屬表面，一般釬劑的熔點低于釬料100℃以上，并有較好的流動性和較低的黏度。

我廠使用硼砂作為硬質合金與鋼釬焊的最常用釬劑，使用中應該注意各種硼砂的適用范圍。

①工業硼砂在釬焊加熱過程中會產生大量泡沫，不但使釬焊操作困難，而且也影響焊縫質量，最好不要采用。

②脫水硼砂可用于各種牌號硬質合金工作，釬焊溫度范圍850℃-1150℃左右，不能用于800℃以下釬料，保存應注意防潮。

2.3.3 硬質合金與鋼的釬焊工藝

（1）焊前準備

①焊前應檢查硬質合金是否有裂紋、彎曲等缺陷，保證釬焊面平整并保證有一定幾何形狀，保持與基體間有良好接觸。

②對硬質合金進行噴砂處理去除釬焊表面的氧化層和黑色字母，防止脫焊。

（2）釬焊過程

①焊接硬質合金工具時均勻加熱刀桿和刀頭是保證焊接質量的基本條件。如果硬質合金部分溫度高于刀桿，熔化后的釬料潤濕硬質合金而不能潤濕刀桿，接頭強度降低，沿焊縫剪切硬質合金時，釬料不破壞，而隨硬質合金脫開。如果相反，現象相反。

②釬焊后冷卻

冷卻時硬質合金片表面產生瞬時拉應力，硬質合金的抗拉應力大大低于抗壓應力。通常焊接后工件立即插入石灰槽或木炭粉槽中，使工件緩慢冷卻。有條件的可在釬焊后立即將工件放入220℃-250℃爐內回火6h-8h。采用低溫回火處理能消除部分釬焊應力，減小裂紋和延長硬質合金工具使用壽命。

③焊后清理

要對焊好的硬質合金工件進行焊后清理，以便將焊縫周圍殘余的溶劑清理干凈，常用清除方法是將焊后冷卻工件放入沸水中煮1-2h左右，然后再進行噴砂處理，即可清除焊縫四周黏附的殘余釬劑和氧化物。

（3）釬焊的質量檢驗

正常的焊縫應均勻無黑斑，釬料未填滿的焊縫不大于焊縫總長10%，焊縫寬度小于0.15mm。硬質合金裂紋傾向可用下面方法檢測。

①刀具經噴砂處理后，用煤油清洗，用肉眼和放大鏡觀察。有裂紋時有明顯黑線。

②用65%煤油、30%的變壓器油及5%的松節油調成溶液，加入少量蘇丹紅，將檢查的刃具放入該溶液中浸泡10-15min，取出用清水洗凈，涂上高嶺土，烘干后檢查表面，如果有裂紋，溶液的顏色將在白土顯示出來，肉眼可查。

3 刃具焊接及后續試驗

3.1 刃具焊接結構：

3.1.1 焊接結構分類

插入式結構

3.1.2 焊接后刃具

3.1.3 焊接體常溫力學實驗報告通過實際測量刀桿可抗拉力18070N。

3.1.4 試件的加工

通過使用CrWMn為試驗切削材料，淬火到HRC50-55，用數控銑機床進行切削試驗。

結論

刃具可以完成預先設計好試驗加工過程，加工中刃具性能穩定可靠。

結語

通過此項目達到硬質合金與結構鋼釬焊刀桿的現場應用，能夠更好利用現有設備、人員完成此項目所要求的工藝過程。

[1]朱警雷，黃繼華，張華.趙興科.硬質合金與鋼異種金屬焊接的研究進展[J].焊接，2008.

[2]羅慶.硬質合金的焊接工藝現狀與展望 [J].現代焊接，2007.

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