采用Fe基釬料激光釬焊金剛石的可行性研究

黃杰榕，王穎達(dá)，黃國欽

（華僑大學(xué) 制造工程研究院，福建 廈門 361021）

目前，釬焊金剛石的釬料多使用Ni－Cr、Ag－Cu和Cu－Sn三類合金。其中，應(yīng)用最廣泛的是Ni－Cr釬料。Ni基釬料具有較高的強(qiáng)度及硬度，但釬焊時(shí)溫度極高，容易對(duì)金剛石造成熱損傷而導(dǎo)致金剛石性能下降，影響釬焊金剛石的強(qiáng)度和工具壽命。Ag－Cu或Cu－Sn以低熔點(diǎn)合金作為釬料，對(duì)金剛石浸潤性良好，金剛石熱損傷小。但低熔點(diǎn)合金釬料硬度不高，耐磨削、耐高溫性能差，應(yīng)用范圍受到限制［1－3］。

鐵基釬料［4－5］的主要優(yōu)點(diǎn)是：較適宜的力學(xué)性能，如抗彎強(qiáng)度、硬度等；對(duì)金剛石有較好的潤濕性和更高的附著力；對(duì)骨架材料的潤濕性好；同時(shí)，鐵基釬料具有價(jià)格低廉的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)，深受廣大研究者和廠商的重視，是近年來國內(nèi)外重要的應(yīng)用及發(fā)展方向［6］。因此本文嘗試使用鐵基釬料釬焊金剛石，通過評(píng)價(jià)釬焊后的表面質(zhì)量、金剛石剪切力及磨削性能來對(duì)該釬料進(jìn)行探索，以期為鐵基釬料的使用和推廣提供基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)條件及方法

所用磨粒為韓國日進(jìn)ISD1600品級(jí)35／40目（約420～500μm）金剛石。基體材料為45鋼，釬焊前用酒精對(duì)其進(jìn)行浸泡清洗。釬料為Fe基合金粉末，其主要元素成分如表1所示，釬料涂覆厚度為150μm。釬焊試驗(yàn)在圖1所示的UWLPYPO1連續(xù)激光焊接機(jī)上進(jìn)行，激光器為IPG500W光纖激光器。激光采用連續(xù)出光模式，圓形光斑，并采用Ar氣保護(hù)，激光加熱可調(diào)整參數(shù)為激光功率、掃描速度和離焦量。采用日本浩視公司KH-8700三維視頻顯微鏡觀測(cè)焊后金剛石的形貌。

表1 Fe基釬料成分Table 1 Fe－based filler alloy composition

圖1 激光釬焊設(shè)備Fig.1 Laser brazing equipment

1.1 釬焊金剛石把持力測(cè)試

為測(cè)試釬焊金剛石磨粒與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度，搭建如圖2所示剪切試驗(yàn)裝置。該裝置主要由剛性機(jī)架、三軸精密進(jìn)給裝置、硬質(zhì)合金車刀、微型攝像頭和測(cè)力儀及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。垂直方向上對(duì)刀裝置由非旋轉(zhuǎn)芯軸微分頭（精度10μm）控制，以此保證剪切深度的精確性。

圖2 釬焊金剛石磨粒剪切裝置Fig.2 Shearing device of brazed diamond grits

圖3 剪切示意圖Fig.3 Schematic diagram of shearing

剪切力試驗(yàn)方案如圖3所示，將釬焊金剛石工件由夾具固定在測(cè)力儀上，通過微型攝像頭及測(cè)力儀信號(hào)，將硬質(zhì)合金刀具刀刃部分移動(dòng)到金剛石磨粒的最高表面，再結(jié)合前期測(cè)量出的金剛石出刃高度H，通過微分頭移至金剛石出刃1／2H處為剪切點(diǎn)。控制步進(jìn)電機(jī)速度0.5mm／s進(jìn)行單顆金剛石剪切試驗(yàn)。對(duì)釬焊金剛石磨粒進(jìn)行剪切測(cè)試，對(duì)剪切過程中X、Y、Z三個(gè)方向的力信號(hào)進(jìn)行采集，由此可計(jì)算合力，表征釬焊金剛石磨粒與鋼基體的結(jié)合強(qiáng)度。

1.2 釬焊金剛石磨損試驗(yàn)

制備激光釬焊金剛石銑磨頭，并通過銑磨603花崗巖（尺寸為100mm×100mm×20mm）進(jìn)行磨損性能評(píng)價(jià)。銑磨試驗(yàn)在沈陽第一機(jī)床廠生產(chǎn)的VMC850E立式加工中心上進(jìn)行，如圖4所示。實(shí)驗(yàn)方案如表2所示，觀察不同加工量下銑磨頭表面金剛石的磨損形態(tài)情況。

圖4 銑磨試驗(yàn)Fig.4 Abrasion grinding test

表2 銑磨試驗(yàn)方案Table 2 Program of abrasion and grinding tests

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同激光加工參數(shù)下釬焊金剛石表面形貌

保持離焦量－12mm、掃描速度0.35mm／s（以下實(shí)驗(yàn)都采用此離焦量和掃描速度），調(diào)整激光功率在100～140W范圍變化，得到釬焊后金剛石試樣的表面形貌如圖5所示。

如圖5a和b所示，激光功率為100W和110W時(shí)，釬焊層表面致密化有限，出現(xiàn)氣穴和孔洞。這是因?yàn)榧す夤β势停辖鸱厶幱诓煌耆刍臓顟B(tài)，潤濕性差［7］，因此形成斷續(xù)的表面；提高激光功率到120W時(shí)，如圖5c所示，釬焊層表面光滑，合金粉末熔化充分，金剛石顆粒保存完整，晶型完整，棱角分明，表面無明顯的損傷；如圖5d和e所示，進(jìn)一步將激光功率提高到130W和140W時(shí)，釬焊金剛石表面出現(xiàn)嚴(yán)重的熱損傷，功率越大熱損傷越嚴(yán)重。

綜上所述，從釬焊后的試樣形貌，焊道完整性，金剛石是否受損來分析，在離焦量－12mm、掃描速度0.35mm／s的工藝參數(shù)下，選擇激光功率120W可獲得良好的焊接質(zhì)量。

2.2 釬焊金剛石把持力測(cè)試

圖5 不同激光功率下的釬焊金剛石的表面形貌Fig.5 The brazing morphologies of diamonds with different laser powers

金剛石顆粒在磨削過程中的破壞形式主要以剪切破壞為主，而剪切力正是導(dǎo)致金剛石破壞甚至脫落的主要原因，因此，用剪切力的大小來表征金剛石工具的釬焊強(qiáng)度，更符合磨粒的實(shí)際切削狀態(tài)［8］。

在激光功率120W，掃描速度0.35mm／s、離焦量－12mm的試驗(yàn)條件下，選取40顆釬焊金剛石進(jìn)行剪切。實(shí)驗(yàn)中，固定每次剪切金剛石磨粒的力臂為1／2金剛石出刃高度。在具體操作時(shí)，先將硬質(zhì)合金刀降到釬料層高度，然后利用非旋轉(zhuǎn)芯軸微分頭將刀具升起至金剛石高度1／2出刃處，移動(dòng)工作臺(tái)金剛石磨粒施加剪切力，直到金剛石磨粒發(fā)生剪切破壞。金剛石磨粒受剪切載荷時(shí)的信號(hào)波形如圖6所示，通過讀取最大峰值與初始值的差值來確定每個(gè)方向上所受載荷，并計(jì)算三個(gè)方向上的合力，即為剪切力大小。

圖6 剪切信號(hào)波形Fig.6 Signal waveform of shearing

釬焊金剛石剪切力統(tǒng)計(jì)如圖7所示。從圖中可知，釬焊金剛石剪切力的范圍主要分布在50～100N和100～150N之間，其比例各占30.5%；剪切力在150～200N之間占比18%；其中剪切力在0～50N和200～250N及250～300N范圍之間分別占比6%、6%和9%。

圖7 釬焊金剛石剪切力統(tǒng)計(jì)圖Fig.7 Statistical diagram of diamond shear force

進(jìn)行剪切試驗(yàn)時(shí)，釬焊金剛石顆粒出現(xiàn)折斷現(xiàn)象，根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)，大多數(shù)金剛石磨粒受剪切力時(shí)，其破壞形式均為折斷，僅少數(shù)出現(xiàn)金剛石脫落現(xiàn)象，從圖8可見，金剛石受剪切載荷時(shí)自身發(fā)生脆性斷裂，說明釬料與金剛石界面已經(jīng)形成了牢固結(jié)合。因?yàn)橐话銖?qiáng)度測(cè)試斷面應(yīng)該是接頭復(fù)合體最薄弱的環(huán)節(jié)，在測(cè)試中金剛石發(fā)生斷裂，說明此時(shí)釬料對(duì)金剛石的把持力大于金剛石自身強(qiáng)度，從而當(dāng)施加剪切載荷時(shí)，金剛石從釬料層被斷裂下來，這是理想的釬焊效果，因此可以肯定合金釬料與金剛石界面已形成了牢固結(jié)合。

圖8 釬焊金剛石磨粒折斷圖Fig.8 Fracture of brazed diamond

2.3 釬焊金剛石磨損試驗(yàn)

釬焊金剛石工件在整個(gè)磨削試驗(yàn)過程中出現(xiàn)5種典型表面晶型形態(tài)：完整、磨平、微破碎、宏觀破碎、脫落。如圖9所示。其中，完整晶形：金剛石磨粒外形和表面無明顯損傷，保持鋒利的切削刃；磨平：一般是由于機(jī)械式摩擦及磨蝕造成的，磨平進(jìn)一步擴(kuò)大，金剛石將失去切削能力；微破碎：在磨削過程中金剛石受到機(jī)械沖擊和熱沖擊作用產(chǎn)生局部破碎，局部破碎使金剛石產(chǎn)生新的切削刃，可維持磨粒的切削能力，屬于正常工作狀態(tài)；大破碎：是磨粒經(jīng)受重載荷或小塊破碎進(jìn)一步受損而產(chǎn)生，導(dǎo)致金剛石破碎面積相應(yīng)增大，嚴(yán)重影響其切削能力，甚至失去切削能力；脫落：是由于結(jié)合劑對(duì)金剛石的把持力不足而使其脫落或拔出。從工具使用效率和壽命考慮，磨削過程中磨粒完整和微破碎所占百分比越高越好，而發(fā)生脫落和大破碎的比例越小越好［9］。

圖10為金剛石正常磨削過程形貌追蹤統(tǒng)計(jì)圖，在釬焊金剛石銑磨603花崗巖過程中：隨著花崗巖磨量的增加，完整的金剛石磨粒數(shù)量逐漸減少；微破碎的金剛石磨粒數(shù)逐漸增減，在磨削過程中僅1顆脫落的金剛石破損形態(tài)。在磨損試驗(yàn)初始階段（花崗巖去除量12cm3），微破碎金剛石顆粒快速增加；在花崗巖去除量達(dá)到140cm3期間，微破碎金剛石數(shù)目速度相對(duì)平緩，并出現(xiàn)金剛石宏觀破碎和脫落的磨損形貌；花崗巖去除量達(dá)到220cm3時(shí)，微破碎金剛石數(shù)目繼續(xù)增加，但仍未發(fā)現(xiàn)金剛石磨粒被大面積磨平。在磨削過程中，主要出現(xiàn)磨平、微破碎、大破碎的正常磨損形式，極少發(fā)現(xiàn)金剛石顆粒整顆脫落的情況，這一方面說明鐵基釬料很好地實(shí)現(xiàn)了對(duì)金剛石的高度把持，金剛石很好地發(fā)揮了其切削性能。

圖9 激光釬焊金剛石幾種典型磨損形貌Fig.9 Typical wear morphologies of laser brazed diamond

圖10 激光釬焊金剛石磨損形貌與花崗巖去除量Fig.10 Wear morphologies of laser brazed diamond against the removal of granite

3 結(jié)論

本文主要進(jìn)行了激光加熱下采用鐵基釬料連接金剛石／45鋼基體的可行性探討，主要結(jié)論如下：

（1）激光加熱下，采用鐵基釬料可以實(shí)現(xiàn)金剛石的釬焊。從釬焊后的試樣形貌，焊道完整性來分析，在離焦量－12mm、掃描速度0.35mm／s的工藝參數(shù)下，選擇激光功率120W可獲得良好的焊接質(zhì)量。

（2）釬焊金剛石剪切力的范圍主要分布在50～100N和100～150N，金剛石磨粒受剪切力后的破壞形式為折斷，說明釬焊層對(duì)磨粒有著很強(qiáng)的把持力。

（3）磨損時(shí)，金剛石磨粒出現(xiàn)有完整、磨平、微破碎、大破碎和脫落的表面晶型形態(tài)，主要破壞形式為微破碎，極少出現(xiàn)磨粒脫落的情況。金剛石的磨損狀態(tài)在一定時(shí)間內(nèi)保持了相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)，表現(xiàn)出良好的磨削性能。