（机械电子工程专业论文）pdc刀具高频感应钎焊的研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 p d c 复合片( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t , 简称p d c ) 的焊接是聚晶金刚石刀 具制作的关键工序。高频感应钎焊凭借其环境污染小、生产效率高等优点成为目前世界 各国主要采用的p d c 刀具焊接方法。但是由于p d c 复合片的钎焊工艺性差，且国内在 这方面的研究和应用起步比较晚，与国外相比有较大差距，在国内的生产实践中经常会 出现p d c 复合片与刀具基体结合强度低，所焊刀具出现脱片现象。因而，为了尽快提 高国产p d c 刀具的制作水平，有必要对影响p d c 刀具高频感应钎焊质量的因素进行系 统、全面的研究。 本文刀具基体材料选用4 5 # 钢和y g 8 硬质合金，使用g p l 5 - c w 6 型高频感应焊机， 在空气氛围下对p d c 复合片进行了钎焊试验。采用自制的剪切力标定装置，同时借助 扫描电镜及电子探针等手段研究了焊前处理、钎料、钎剂的搭配、钎焊工艺参数以及焊 后冷却对p d c 刀具钎焊质量的影响。 首先，研究了焊前母材表面处理对焊缝剪切强度的影响，发现p d c 复合片表面和 刀槽的表面都经过锉削处理时可获得较好性能的p d c 刀具钎焊接头，并且试件两钎焊 表面锉削方向一致时性能更好。其次，采用石膏粉冷却和空气冷却两种方式对比试验。 研究了焊后冷却对刀具性能的影响，认为石膏粉冷却可以阻碍钎焊接头的氧化及裂纹的 产生，获得较好的钎焊效果。随后，进行了钎料、钎剂搭配对p d c 刀具钎焊性能影响 的试验，结果表明：p d c 复合片与y g 8 硬质合金钎焊，采用l # 钎料与q j l 0 2 钎剂搭 配时钎焊接头剪切强度最高，2 # 钎料与q j l 0 2 钎剂搭配方式获得的钎焊接头性能最差； p d c 复合片与4 5 # 钢钎焊时，2 # 钎料与f 5 0 0 a 钎剂搭配效果最好，1 # 钎料与f 5 0 0 a 钎剂搭配最差。然后对钎焊温度和钎焊压力等钎焊工艺参数进行定量研究，得出以下结 论：钎焊温度越高，p d c 刀具的剪切强度越大，焊缝厚度越小；为了获得综合性能较好 的钎焊接头，p d c 复合片与y g 8 硬质合金刀体的钎焊温度应控制在6 9 0 左右，p d c 复合片与4 5 # 钢刀体的钎焊温度最好控制在6 7 0 左右；随着钎焊压力的增大，剪切强 度先增大后减小，最后基本不变；而焊缝厚度却随着压力的增大而减小，最终趋于定值。 最后，探讨了在钎料、钎剂及钎焊工艺参数不变的条件下，一些特殊措施对p d c 刀具 钎焊性能的影响，认为复焊和用陶瓷棒施加钎焊压力可进一步提高p d c 刀具钎焊强度。 关键词：聚晶金刚石刀具；高颓感应钎焊；剪切强度；焊缝厚度 大连理工大学硕士学位论文 s t u d yo nt h eh i f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n g o fp d c c u t t i n gt o o l s a b s t r a c t n ep o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c to o c ) sb r a z i n gi sak e yp r o c e d u r eo fm a k i n g p o l y e r y s t a l l i n ed i a m o n dc u t t i n gt o o l s n o w a d a y s t h eh i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n gi st h e m a i nt e c h n i q u eu s e di nt h ep d c sb r a z i n ga r o u n dt h ew o r l d d u et oi t sn o t a b l ea d v a n t a g e s s u c ha sl e s sp o l l u t i o nt oe n v i r o n m e n ta n dh i g h e rp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y h o w e v e r , b e c a u s et h e p d ch a sp o o rb r a z i n gp r o c e s s a b i l i t y ，a n dt h er e s e a r c ha n da p p l i c a t i o no ft h ep d ci nc h i n a 吼i 1 1s t a y sa tal o w e rl e v e lc u r r e n t l y c o m p a r e dt oo t h e rc o u n t r i e s 。t h ep d ce u t a n gt o o l s s o m e t i r u e sc a nb r e a ko f fw h e ni ti su s e di np r a c t i c ef o rt h el o wb r a z i n gi n t e n s i t yb e t w e e nt h e p d ca n db a s em a t e r i a l s t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r yt oi n v e s t i g a t et h ei n f l u e n c ef a c t o r so nt h e h i f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n gt e c h n i q u eo fp d ci nd e t a i la ss o o na sp o s s i b l e ，i no r d e rt o u p g r a d et h ep e r f o r m a n c eo f p d cc u t t i n gt o o l s t h ep d c sb r a z i n ge x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u ti na i ra t m o s p h e r e 、i t l lt w ob a s e m a t e r i a l s ( 4 5 群s t e e la n dy g 8c e n l e n t e dc a r b i d e ) ，u s i n gh i g l l - f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n g m a c h i n eg p l 5 一c w 6 1 1 1 ee f f e c to fp r e - t r e a t m e n tb e f o r eb r a z i n g t h ea r r a n g e m e n to fb r a z e a l l o y sa n ds o l d e r i n gf l u x ，b r a z i n gp a r a m e t e r sa n dc o o l a n tm e t h o da f t e rb r a z i n go np d c t o o l s b r a z i n gq u a l i t yw e r es t u d i e ds y s t e m a t i c a l l yb ym e a n so fs e l f - m a d es h e a r i n ge q u i p m e n t , 鹤 w e l la ss c a n n i n ge l e c t r o nm i c r o s c o p y ( s e m ) a n de l e c t r o n i cp r o b em i c r o s c o p y ( e p n i ) f i r s t l y , t h ee f f e c t so fb a s em a t e r i a l s s u r f a c ep r e - t r e a t m e n to nt h es h e a r i n gs t r e n g t ho f b r a z i n gj o i n t sw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a si n d i c a t e dt h a th i g h s t r e n g t hb r a z i n gj o i n t sw o u l db c o b t a i n e dw h e nt h es u r f a c e so ft h ep d ca n db a s em e t a lw c r cb o t hf i l e d ，a n dt h eb r a z i n gj o i n t w o a dr e a c ht h eg r e a t e s te f f e c te s p e c i a l l yw h e nt h ef i l i n gs t r i p so nt h ec o m p a c t sw e r ea l i g n e d w i t ht h a to nb a s em e t a l ss u r f a c e s e c o n d l y , t h r o u g hc o m p a r i s o ne x p e r i m e n tw i t ht w oc o o l i n gm e d i u m ( a i rc o o l a n ta n d p l a s t e rp o w d e rc o o l a n t ) ，t h ei n f l u e n c eo ft h ec o o l i n go np d ct o o l s u s i n gp e r f o r m a n c ew a s a n a l y z e d t h er e s u l t ss h o w e d t h a tt h ep l a s t e rp o w d e rc o o l i n gc o u l dr e s t r a i nb r a z i n gj o i n t so f p d cc u t t i n gt o o l sf r o mo x i d a t i o na n dm i c r o o a c k s ，s ot h ee f f e c to f t h ep l a s t e rp o w d e rc o o l i n g w a sm u c hb e t t e rt h a nt h a to f t h ea i rc o o l a n t s u b s e q u e n t l y , t h ee f f e c to fb r a z ea l l o ya n ds o l d e r i n gf l u xm a t c h i n gi np a i r so nb r a z i n g p e r f o r m a n c ew a si n v e s t i g a t e d ，u s i n gt w od i f f e r e n tb r a z ea l l o y s ( 1 撑、2 群) a n dt w od i f f e r e n t s o l d e r i n gf l u x e s ( q j l 0 2a n df s o o a ) i tw a sf o u n d e dt h a tt h eb e s tb r a z i n gj o i n to f t h ep d c a n dy g 8c e m e n t e dc a r b i d ec o u l db ea c q u i r e di na r r a n g e m e n t so f b r a z ea l l o y1 撑a n ds o l d e r i n g - p d c 刀具高频感应钎焊的研究 f l u xq j l 0 2 a n dt h ew o r s to n ew a st h ec o m p o u n d i n go fb r a z ea l l o y2 样a n ds o l d e r i n gf l u x q j l 0 2 o nt h eo t h e rh a n d ，f o rt h eb r a z i n go fp d ca n d4 5 # s t e e l ，b r a z ea l l o y2 群a n ds o l d e r i n g f l u xf 5 0 0 aw a st h eb e s ta r r a n g e m e n t , w h i l et h eb r a z ea l l o yl 拌w i t hs o l d e r i n gf l u xf 5 0 0 aw a s t h ew o r s t b ym e a r k $ o fs i n g l ef a c t o re x p e r i m e n t s ，t h e1 1 i 曲一f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n gp a r a m e t e r s o fp d ct o o l ss u c ha sb r a z i n gt e m p e r a t u r ea n db r a z i n gp r e s s u r ew e r ea n a l y z e dq u a n t i t a t i v e l y l a t e r t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a tw i t ht h ei n c r e a s eo f b r a z i n gt e m p e r a t u r e t h es h e a r i n gs 仃e n g t h i n c r e a s e dg r a d u a l l y ，b u tt h ej o i n tw i d t hd i m i n i s h e do t h e r w i s e t og e tab e t t e ri n t e g r a t e d p r o p e r t yo fb r a z i n gj o i n t s ，i tw a sp r o p o s e dt h a tt h eb r a z i n gt e m p e r a t u r eo ft h ep d cc o m p a e g y g 8c e m e n t e dc a r b i d es h o u l db ec o n t r o l l e da ta b o u t6 9 0 c ，a n dt h ep d cc o m p a c t 4 5 # s t e e l a t6 7 0 c t h er e s u l t sa l s os h o w e dt h a t , w i t ht h ei n c r e a s eo fb r a z i n gp r e s s u r e t h es h e a r i n g s t r e n g t hi n c r e a s e df i r s t ，d e c r e a s e da f t e r w a r d , a n db e c a m es t e a d ya f t e rr e a c h i n ga c e r t t a i nv a l u e w h i l et h ej o i n tw i d t hj u s td e c r e a s e da l la l o n g 谢t ht h ei n c r e a s eo fb r a z i n gp r e s s u r ea n d r e a c h e das t e a d yv a l u ea tl a s t f i n a l l y ，s p e c i a lt e c h n i c a lm e a s u r e ss u c ha st h eg a i n - b r a z i n gt e c h n o l o g ya n da p p l y i n g b r a z i n gp r e s s u r ew i t hc e r a m i cb a rw e r ed i s c u s s e di nc a s eo f s t a t i o n a r yb r a z ea l l o ya n db r a z i n g p a r a m e t e r s ，a n dt h e yw e r ec o n s i d e r e da sf u n c t i o n a lm e t h o d sw i t ha na p p a r e n te n h a n c e m e n to f s h e a r i n gs t r e n g t ho f t h ep c d t o o l s k e yw o r d s ：p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n dc u t t i n gt o o l s ；h i g h - f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n g ； s h e a r i n gs t r e n g t h ：j o i n tw i d t h 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：至奎 日期：型绰! 盆和 大连理上人学硕j ：学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交 学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也可 采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：皇垒 一 新虢拯。 上早年阜月翠f 1 大连理工大学硕士学位论文 1绪论 1 1p d c 刀具简介 百余年来，刀具材料经历了碳素钢、高速钢、硬质合金、涂层刀具材料、陶瓷、p d c 、 p c b n 的发展历程，车削加工的切削速度提高了1 0 0 多倍，而且主要新刀具材料出现的 周期也越来越短。实践证明，以高的切削效率切削难加工材料的理想刀具材料应该同时 具有金刚石的高硬度和良好的耐磨性，立方氮化硼或陶瓷的高热稳定性和化学惰性，以 及硬质合金的高强度和抗冲击性。可以预见，p d c 刀具仍将是未来发展的方向。 1 1 1p d c 刀具的应用现状及发展趋势 聚晶金刚石复合片( p o l y e r y s t a l l i n ed i a m o n dc o m p a c t , 简称p d c ) 最早由美国通用 电器( g e ) 公司于1 9 7 2 年推出，这种刀具材料的研究是在聚晶金刚石( p o l y c r y s t a l l i n e d i a m o n d ，简称p c d ) 研究的基础上发展起来的，它是将o 5 o 7 m r n 厚的p c d 层在高 温、高压下使其牢固地和硬质合金衬底相结合而制成的一种超硬复合材料；它既具有金 刚石的高硬度和高耐磨性，又具有硬质合金的高韧性和可焊性，故它的问世在各个领域 引起了革命性的工艺改进，为世界范围内机械加工工业的发展注入了新的活力。 p d c 刀具实际上是将聚晶金刚石复合片通过机械夹固、粘接和钎焊等方式牢固地压 制在硬质合金或者结构钢等支撑体上制作而成的超硬刀具，p d c 刀具的结构如图1 1 所 示。由于具有聚晶金刚石复合片的优异性能，使得p d c 刀具具有了如下几个优良特性： p d c 刀具寿命长，加工过程中换刀频率低，综合成本低；加工精度高，车削可达到镜面 级精度，加工表面质量稳定；切削速度高，对加工效率的提高作用显著。实践证明，p d c 刀具对于广大用户具有前所未有的吸引力。 图1 1p d c 刀具结构示意图 f i g 1 1 s k e t c hm a po f p d cc t l t 蛐l gt o o l p d c 刀具高频感应钎焊的研究 随着制造业的快速发展，p d c 刀具的生产和应用逐年增加，至2 0 0 2 年p d c 刀具的 年销售额己达2 8 亿美元，且国外p d c 材料的消耗量仍然以2 0 以上的速度增长，p d c 复合片俨然已经成为当今世界无法替代的优质材料。目前，p d c 刀具的加工范围已从传 统的金属切削加工扩展到石材加工、木材加工、金属基复合材料、玻璃、工程陶瓷等材 料的加工，在工业中应用情况如图l _ 2 所示。通过对近年来p d c 刀具应用的分析【1 1 可见， p d c 刀具主要应用于以下两方面：难加工有色金属材料的加工：用普通刀具加工难加 工有色金属材料时，往往存在刀具易磨损、加工效率低等缺陷，而p d c 刀具则可表现 出良好的加工性能。如用p d c 刀具可有效j j n i 新型发动机活塞材料一过共晶硅铝合 金( 对该材料加工机理的研究已取得突破) ，目前中国第一汽车集团已有1 0 0 多个p d c 车刀使用点。难加工非金属材料的加工：p d c 刀具非常适合对石材、硬质碳、碳纤维 增强塑料( c f l 讲) 、人造板材等难加工非金属材料的加工。如华中理工大学1 9 9 0 年实 就成功现了用p d c 刀具加工玻璃；目前强化复合地板及其它木基板材( 如m d f ) 的应 用日趋广泛，用p d c 刀具加工这些材料可有效避免刀具易磨损等缺陷，p d c 刀具在木 材加工行业的应用现状如图1 3 所示。 图1 2p d c 刀具在现代工业中的应用 f i g 1 2a p p l i c a t i o no f p i ) ct o o l si nm o d g l r l i n d u s t r y 圈1 3p d c 刀具在木材加工中的应用 f i g 1 3a p p l i c a t i o no f p d c t o o l si nw o o d c r a f t i n d u s t r y p d c 刀具在我国的发展大致分为两个阶段：第一阶段是1 9 7 0 1 9 9 0 年期间p d c 刀 具开始大批涌进中国市场的时期，据统计，这2 0 年中金刚石材料从4 6 万克拉迅速增至 3 5 0 0 万克拉；第二阶段是9 0 年代以后我国p d c 刀具的快速发展时期，许多高校和科研 单位开始对p d c 刀具的生产加工进行广泛和深入的研究，特别是不少超硬材料生产专 业厂家从国外引进了成套的超硬材料合成设备及技术，使p d c 刀具得到了更加广泛的 应用。目前，我国p d c 刀具正处于稳步发展阶段，并逐步接近国际领先水平。 大连理工大学硕士学位论文 可以预见，p d c 作为一种性能优良的超硬刀具材料，必将随着现代工业的迅猛发展 而扮演越来越重要的角色，其研究及应用也将进一步拓展，这将有力推动p d c 刀具的 普及应用以及p d c 刀具技术更快地向前发展。 1 1 2p d c 刀具的制作工序 p d c 刀具的制作主要包括p d c 复合片的切割、p d c 复合片的焊接、刀具刃磨等步 骤如图1 4 所示。其中，复合片的切割一般采用激光切割、超声波切割或线切割，在专 用切割机上可以把p d c 复合片切成相应的任何形状；刃磨一般在专用的p d c 刃窘机床 上( 如瑞士r s l 2 、r s l 5 、台湾f c 2 2 0 0 d 、f c 2 5 0 0 d 等) 采用金刚石砂轮进行磨削。 图1 4p d c 刀具制造工序流程 f i g 1 4m a n u f a c t u r e p r o c e s so f p d c o t t i n g m o l s p d c 复合片的焊接是p d c 刀具制作工序中十分关键的一环，焊接质量的好坏直接 关系到刀具的寿命。目前，对于p d c 复合片的焊接。比较成熟的方法有激光焊接、真 空扩散焊、真空钎焊、高频感应钎焊。激光焊接强度高，焊接效率高，但要求被焊件有 较高的装配精度，对光斑扫描路径要求也很严格，操作技能要求高。焊接系统的一次性投 资较大，焊接成本高，因而制约了激光焊接的广泛应用。而采用真空扩散焊时，连接组 件的形状、尺寸对焊接有很大限制，一般要求p d c 复合片和刀体的刀槽正面接触，以 实现轴向对接；其焊接工艺过程复杂，焊接时间较长，成本高，需用专用设备，一次性 投资很大。真空钎焊能达到很高的焊接质量，但要求同时控制真空度和温度，工艺复杂， 操作难度较大。而高频感应钎焊( h i f i e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n g ) 凭借其操作简便、加热 时间快、生产效率高、投资少、成本低等优点在p d c 复合片的焊接中得到广泛应用闭 1 2p d c 复合片与刀体材料的焊接性 实现p d c 复合片与刀体材料的紧密连接，增强p d c 刀具的抗剪切能力，是研究p d c 复合片焊接技术的最终目标，也是提高p d c 刀具制造水平的关键。生产实践中，许多 厂家和研究单位生产p d c 刀具仅依靠经验操作，缺乏可靠的科学依据。焊接时经常出 现气孔、夹渣等缺陷，导致p d c 复合片脱焊，另外焊接工艺的不当也会使刀具产生裂 p d c 刀具高频感应钎焊的研究 纹而报废。因此，对p d c 复合片焊接技术进行深入的研究，从而得出建立在科学试验 基础之上的焊接工艺，对于提高p d c 刀具焊接质量和指导刀具生产具有重要现实意义。 1 2 1 异种材料的焊接性 所谓焊接性就是指金属材料对焊接加工的适应性和焊后使用时安全可靠运行的能 力，也就是指在一定的焊接工艺条件下，金属材料获得优质钎焊接头的难易程度p 】。它 反应的是一种综合性能，具体可以概括为两个方面的内容：结合性能，就是某种金属 材料在指定的焊接工艺条件下对焊接缺陷形成的敏感性，具体有冶金相容性和接合致密 性等性能指标；使用性能，是指金属材料在规定的焊接工艺条件下所形成焊接接头适 应使用要求的能力。理想的焊接性应该是保证熔融焊料具有良好的流动性、润湿性以减 少气孔、夹渣等缺陷，同时所形成的焊接接头具有较低的冷、热裂纹敏感性，在热影响 区无脆化，最终能形成外形美观、性能优良的焊接接头。 研究材料焊接性的目的在于查明各种材料在给定焊接工艺条件下可能产生的问题 及原因，以便j 下确地制定焊接工艺和提出改进材料材质的方案。由于不同材料的物理性 能、化学性能、成分和组织差异较大，因此异种金属焊接性的问题相对比较复杂，主要 表现在以下几个方面1 4 4 j ： ( 1 ) 结晶化学性的差异 结晶化学性的差异主要是指晶格类型、晶格常数、原子半径和原子外层电子结构等 的差异，即前面提到的冶金学上的“冶金相容性”问题。两种被焊材料在冶金学上是否 相容取决于它们在液态和固态时的互溶性，以及在焊接过程中能否产生金属间化合物 ( 即脆性相) 。 ( 2 ) 物理性能差异 两种材料的物理性能差异主要指熔化温度、热膨胀系数、导热系数和比电阻等的差 异。它们将影响焊接过程中的的热循环、结晶条件以及焊接应力，进而影响接头质量。 当两种被焊金属的熔点和沸点相差悬殊，焊接就会变得困难。 ( 3 ) 表面状态 对不同材料进行焊接时必须对材料表面状态予以足够重视，生产实践中往往由于材 料表面氧化膜及其它吸附物的存在，而使焊接难度增大。 ( 4 ) 异种材料焊接存在的主要问题 对于大多数异种材料组合来说，两种材料之间的熔点、密度、导热性。热膨胀系数、 晶体学特征、机械性能等差别可能很大，从而在焊接时使焊缝产生裂缝、形成脆性相、 出现气孔和夹渣等缺陷。此外，在异种材料界面处必定会产生一层性能和组成与母材、 焊料都不同的过渡层。通过分析不同焊接方式下异种材料的焊接性能，可以总结出异种 大连理工大学硕士学位论文 材料的焊接主要存在以下几个方面的问题：基体之间不能形成冶金结合；焊接过 程中焊缝金相组织发生变化或者是产生新的组织使得接头性能变差；熔合区及热影 响区的机械性能变差，特别是塑性大大降低；基体材料热膨胀系数不同而引起热应 力；因塑性变差和应力集中容易引起裂纹。 综上所述，只有通过合适的焊接方法，选用合理的焊料、焊剂搭配。制定正确的焊 接工艺，同时采取一些特殊的措施才能获得性能优良的焊接接头。 1 2 2 p d c 复合片的焊接性分析 p d c 复合片是由聚晶金刚石颗粒烧结在y g 类硬质合金基体上而形成的复合超硬材 料嘲；同时，p d c 复合片的聚晶金刚石层的耐热温度一般不超过7 2 0 c ，焊接温度过高， 复合片将会产生热损伤，从而使p d c 刀具使用寿命和性能降低。因此，研究p d c 复合 片的焊接实质上就是探讨硬质合金与刀体材料( 如4 5 # 铜1 ，y g 8 等) ，在中、低温下如 何实现紧密焊接。 硬质合金是高硬度、低塑性的粉末冶金制品，由于其粉末冶金的特点，硬质合金中 往往存在大量的微孔及内部组织缺陷，在焊接过程中这些缺陷处就很容易形成应力集 中，增大基体及焊缝出现裂纹倾向。温度较低时，p d c 的硬质合金基体化学性能是非常 稳定的，在空气中加热到8 0 0 。c 时才开始急剧氧化，此时一般的钎料合金很难润湿硬质 合金：并且硬质合会中的钴很容易形成氧化物。钴被氧化后，其粘接性能将大幅降低， 从而大大降低硬质合会的性能，有时甚至会使硬质合金层脱落。因此，p d c 复合片不适 宜长时间处于高温钎焊环境中。 p d c 的硬质合金基底的热膨胀系数为( 4 5 6 2 ) x 1 0 1 m m ( m m c 9 ) 与4 5 4 钢刀杆的热 膨胀系数差异较大( 4 5 。钢的为1 l x l 0 。6 m m ( m m c ) ) ，这使得焊接及焊后处理过程中，在 界面处容易产生较大的热应力和应变集中，这是造成焊接接头在交变的热应力作用下发 生失效的主要原因之一。 硬质合金基体与4 5 “钢焊接时，由于两种材料化学成分差异大，碳元素化学势不同， 焊接时会形成脱碳区在界面两侧形成微观范围内的组织和性能不均匀。而且由于它们 结构差异大，界面处晶体结构不协调性很强，晶格缺陷密度也很大，这些缺陷都可能使 焊缝结合强度大大降低。 硬质合金基体硬度高，熔点高，无塑性，组织缺陷多，界面化学惰性高，焊接性能 似乎很差，但从硬质合金各组元的物化性能来看，确定其焊接性的结论并非如此简单。 粘接相钴，是具有一定塑性的金属，易于与多种金属形成固溶体；硬质相w c 能被铁族 金属润湿：而且y g 类硬质合金热导率和膨胀系数都会随钴含量增加而增加，因而通过 p d c 刀具高频感应钎焊的研究 选择合适的填充材料，是可以实现焊接结合的，这些都是焊接结合的有力因素。大量试 验研究表明，钎焊是实现p d c 复合片与刀体材料焊接结合的最好方式。 钎焊时，工件通常被整体加热或者钎缝周围大面积均匀加热，故工件的变形量以及 钎焊接头的残余应力小，工件变形小，易于保证工件的尺寸和形状精度；钎焊加热的湿 度低，因而钎焊所涉及到的反应只在焊接界面几微米至几十微米的厚度内进行，并不影 响材料的深层结构，所以对母材组织和性能的影响都很小：而且焊接完成后还可对钎缝 进行扩散处理，以加强钎缝的强度。 1 2 3p d c 复合片钎焊机理 钎焊是固相连接方法的一种，当熔焊不能满足某些焊接要求( 如：考虑连接母材的 热稳定性) 时，就不得不采用钎焊。钎焊与其它两类焊接技术( 熔焊和压焊) 之间有着本质 的差别。钎焊采用比母材熔化温度低的钎科，在低于母材固相线而高子钎料液相线的如 熟温度下，借助液念钎料的在母材表面润湿、铺展，与母材相互溶解和扩散，在母材间 隙中润湿、毛细流动、填缝，以及与母材相互溶解和扩散而填充连接母材间隙，然后冷 凝形成牢固的焊接接头1 7 j 。 润湿是液相取代固相表面间气相的过程，润湿角0 是衡量熔化后钎料对固相母材润 湿能力的指标。润湿性的好坏可以通过润湿角的大小来表征。当0 8 9 2 1 2 钎料、钎剂的选择 由于硬质台会表面激活能较高，钎料对其润湿能力比4 5 # 钢刀体差，导致p d c 复合 片和硬质合金刀体的焊接强度低刀具在使用过程中易脱焊。因此在钎料不变的条件下， 进一步提高其对硬质合金的润湿能力是解决硬质合金焊接强度较低的关键。而钎料和钎 剂的搭配直接影响着钎料的润湿，铺展行为及钎焊接头的组织结构，进而将对p d c 刀 具钎焊接头的结合强度、断裂位置和断口形貌产生影响。同时，选用匹配合理的钎料和 钎剂能降低对焊料性能的要求，可显著降低刀具生产厂家的生产成本，提高p d c 刀具 的性价比。 ( 1 ) 钎料的选择原则 3 0 - 3 3 l 由于钎焊接头的强度在很大程度上取决于钎料的性能，为了满足p d c 复合片钎焊 工艺的要求，获得较高质量的钎焊接头，必须选择合理的钎料，对于具体的结构，选用 钎料时应考虑如下几个方面： p d c 刀具高频感应钎焊的研究 具有合适的熔点。既保证钎焊接头的强度，又避免金刚石层石墨化。 钎料能与母材金属形成良好的冶金结合。钎料对刀体及p d c 复合片要有良好的 润湿性、漫流性以及填充间隙的能力，能与刀体及p d c 复合片产生相互作用，但不希 望在焊缝界面处形成脆性化合物。 钎料应具有稳定和均匀的成份，尽量减少钎焊过程中的元素偏析现象和易挥发 元素的损耗。 钎料强度应与接头强度相适应。应根据接头的工作状态、应力水平来确定承载 强度，选择钎料强度级别比接头载荷强度高一些的钎料。 钎料应具有良好的塑性，能根据钎焊接头的结构，加工成各种形状以便于安装； 获得的钎焊接头应能满足产品的技术要求，使之有足够的力学性能、导电性能、抗腐蚀 性能及较好的耐冲击性能。 鉴于本课题的技术要求，p d c 刀具的强度应是优先考虑的因素。结合上述钎料的选 择原则，p d c 复合片的钎焊应采用硬钎料，本试验选用熔点稍低的银基钎料。银基钎料 作为应用最广的一类钎料，对很多金属有良好的润湿性，具有良好的强度、塑性、导热 性、导电性和耐各种介质腐蚀的性能。表2 3 为本试验选用的银基钎料，两种钎料在常 温下均为片状，厚度均为o 1 m m ，使用时将其剪制成与复合片相同的形状和大小 ( 4 m m x 2 m m ) 。 表2 3 钎料的化学成分及熔化温度 t a b 2 3 c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n dm e l t i n gt e m p e r a t u r eo f f i l l e ra l l o y s ( 2 ) 钎剂的选择原s l i t 3 4 0 l 在p d c 复合片钎焊的过程中，随着温度的升高，焊接面氧化速度加快，影响钎料 对刀体及p d c 复合片的润湿。因此，必须采取必要的措施防止焊接过程中刀体和p d c 复合片待焊表面的氧化以及清除在钎料和母材表面已产生的氧化膜。 目前，在钎焊过程中防止氧化和去除氧化物的主要措施是使用钎剂和气体介质保 护，本试验采用钎剂去膜。钎剂的作用主要有：清除钎焊金属和金属表面的氧化物，为 液态钎料在钎焊金属表面铺展创造必要的条件；钎剂以液态薄膜层覆盖钎焊金属和钎料 表面，隔绝空气中氧对它们的氧化作用；此外，钎剂还起界面活性作用，改善液态钎料 大连理工大学硕士学位论文 对钎焊金属表面的润湿。在进行钎焊时，根据钎焊金属和钎料的性质配制和选用合适的 钎剂。溶解和破坏钎焊金属及钎料表面的氧化膜。对所选用的钎剂的要求具体如下： 钎剂的熔点和最低活性温度要低于钎料熔点，使其能在钎料熔化前就开始起作 用，把焊缝和钎料表面的氧化膜去除，为熔化的钎料的铺展准备好条件。 钎剂还应具有良好的热稳定性，在加热过程中能保持其成分和性能的稳定，在 钎焊温度范围内，所选钎剂应粘度小、流动性好、能很好地润湿钎焊金属和减小液态钎 料的界面张力。 钎剂及其作用产物的密度应小于液态钎科的密度，这样，钎剂才能均匀地在钎 焊金属表面铺展，呈薄层覆盖住钎料和钎焊金属，有效地隔绝空气，促进钎料的润湿和 铺展，当液态钎料填缝时能够将钎剂及其作用产物从间隙中捧出，不致滞留在焊缝中形 成夹渣。 此外，选择钎剂必须注意与钎料的搭配。所选钎剂必须保证活性温度范围覆盖钎焊 温度。钎焊时钎料最好在钎剂完全熔化5 1 0 s 后开始熔化，这时最容易赶上钎剂的活 性高峰。对于升温速度缓慢的工件，钎剂的熔化温度要选择高一点的，因为钎料受热较 慢将使其熔化赶不上钎剂的活性高峰；对熔化温度区间大的钎料，由于其先熔化的低熔 点部分会沿钎缝流走而产生熔析，留下未熔的钎料瘤，故此时应当选择较高熔化温度的 钎剂以推迟钎剂的活性高峰，从而避免钎料中低熔部分过早地流走。 综上可知，钎剂的主要作用是保证钎料对刀具基体的润湿，使得钎焊过程的顺利进 行，它的选择要与所采用的钎料相匹配，其熔化温度及活性温度要低于钎料熔点。针对 所选择的刀体材料及钎料，本试验拟采用以硼砂，硼酐、氟硼酸盐为主，辅以氟化物、 碳酸盐配制而成的q j l 0 2 钎剂和f 5 0 0 a 钎剂，其化学成分和活性温度如表2 4 所示。其 中。q j l 0 2 为耪木状钎剂，在5 5 0 8 5 0 范围内广泛用于硬质合金和钢、钢和不锈钢等 材料的焊接。f 5 0 0 a 钎剂是国外先进钎焊材料国产化而研制开发出的钎剂产品，具有残 渣腐蚀小等特点。 表2 4 钎剂的化学成分和活性温度 t a b 2 4c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n da c t i v et e m p e r a t u r eo f s o l d e r i n gf l u x p d c 刀具高频感应钎焊的研究 2 1 3 试样制备及夹具设计 试验采用的p d c 复合片厚度为2 m m ，用电火花切割成尺寸为( 8 m m 4 m m ) 的长方体 小块。4 5 # 钢和y g 8 硬质合金刀体的刀槽尺寸如图2 1 所示，刀槽是在0 8 r a m 的棒材上 用台湾产f c 2 0 0 d 型专用精密磨床上加工出的，槽底表面尺寸精度可达o 0 0 1 m m 。加 工出的p d c 复合片和刀槽将按后述的试验工艺迸行钎焊试验。 焊后将钎焊试件沿刀槽a - a 方向剖开，使钎焊区充分暴露，左侧部分用于显微组织 观察和微区成分分析，右侧部分用于剪切试验。 狻。 j 1 图2 1 刀槽结构示意图 f i g 2 i s t r u c t u r es l 【e t c ho f t o o lw i t h d r a w a lg r o o v e 试件的装夹工具是保证钎焊试验顺利进行的必不可少的装置，其设计不仅要满足钎 焊试件的定位和失紧要求，还要考虑到钎焊效率。综合上述使用要求，根据钎焊试件的 形状和尺寸以及钎焊环境的空间要求等。自行设计并加工出简易的试件夹具，如图2 2 所示。钎焊时先调整好夹具与高频感应焊机感应线圈之间的相对位置，然后将钎料、钎 剂及p d c 复合片安置好的试件放置在夹具凹槽内，通过夹紧螺栓和垫片实现夹紧。 一一产卜目 r， 大连理工大学硕士学位论文 2 2 试验设备 图2 2 钎焊夹具结构示意图 f i g 2 2 s t r u c t u r es k e t c ho f t l l cc l a m pb r a z i n gs p e c i m e n s 2 2 1高频感应钎焊加热设备 本试验中高频感应加热设备采用国产g p l 5 - c w 6 型产品，如图2 3 所示。 圈2 3g p l 5 - c w 6 型高频感应焊机 f i g 2 3 g p l 5 - c w 6h i - f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n gd e v i c e 1 7 f jq【 p d c 刀具高频感应钎焊的研究 该焊机主要由晶闸管调压、硅堆三相高压整流器、电子管振荡器、控制系统等部分 组成，其电气结构如图2 4 所示。设备中主电源采用三相交流可控硅调压方式进行电压 调节，可控硅调节主电源供给振荡器的电压，从而改变了振荡器输出给加热感应线圈的 电流以及试件中因感应所产生的涡流，达到控制感应加热的目的。 图2 4g p l 5 - c w 6 型高频感应钎焊机电气结构图 f i g 2 4 e l e c t r i c a lc h a l t g p l 5 - - c w 6 h i g h - f r e q u e n c y i n d u c t i o n b r a z i n g m a c h i n e 2 2 2 钎焊温度控制系统 由前面章节的叙述可知，g p l 5 c w 6 型高频感应加热设备是采用可控硅调压方式进 行电压调节的。可控硅是由高频感应加热设备的可控硅脉冲触发电路来控制的，触发脉 冲出现的时刻决定了导通角的大小，而导通角与负载获得的平均电压成正比。高频感应 钎焊试验中，进行控制和调节钎焊温度所采用王适、于宏图等人开发的“p d c 高频感应