硬质合金的焊接工艺现状与展望.doc

硬质合金的焊接工艺现状与展望高频感应钎焊，硬质合金钎焊，高频感应加热设备硬质合金是一种以难熔金属化合物(WC、TaC、TiC、NbC等)为基体，以过渡族金属(Co，Fe，Ni)为粘结相，通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料，它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小以及化学性质较为稳定等优点，广泛应用于切削工具、耐磨零件、采矿与筑路工程机械等领域【1】。硬质合金的材质脆硬、韧性差而且价格高，这些因素使其难以被制成大尺寸、形状复杂的构件加以应用，而硬质合金与钢体材质的焊接是弥补其不足的主要方法，合适可靠的焊接技术正在不断拓展它的应用范围。因此，欲更好更合理地应用硬质合金，必须了解它的性能特点，根据其用途的不同而选择合适的焊接工艺。1硬质合金的焊接性由于与硬质合金相焊的基体材料一般是碳素钢，硬质合金与之相比具有较小的热膨胀系数和较低的热导率，因此焊接时容易出现以下问题：1)焊接裂纹硬质合金的热膨胀系数较小，一般为钢的1/21/3，硬质合金和钢材焊后由于不能同步收缩，会在焊缝区形成很高的残余应力，且在硬质合金上多为拉应力，由此导致硬质合金开裂。焊接应力是钎焊硬质合金时出现裂纹以及接头低应力断裂的主要原因【2】。2)焊缝脆化主要是在焊缝区形成M6C 型复合碳化物相，其中M包含W、Fe、Co、Ni等元素，主要原因是硬质合金与钢进行焊接时，硬质合金中的碳向钢侧扩散，使硬质合金中含碳量降低而形成相【3】。焊缝脆化导致接头的抗弯强度低。3)气孔、夹渣及氧化这主要是出现在钎焊接头中。当加热温度过高时，造成钎缝氧化及焊料成分的严重烧损;而加热温度偏低，则钎料流动性不好，形成虚焊,且焊缝内留有大量气孔和夹渣，以至严重降低焊缝强度【4,5】。2硬质合金的焊接方法与工艺要素由于硬质合金与碳素钢之间的物理性能相差较大，目前钎焊和扩散焊仍然是可行而又实用焊接方法。此外一些新的焊接方法如钨极惰性气体保护电弧焊(TIG),电子束焊(EBW)，激光焊(LBW)等也在积极的研究探索之中，将有可能在硬质合金的焊接中得到应用。2.1 钎焊钎焊是一种传统且广泛应用的硬质合金焊接方法，它的工艺成熟可靠，依据加热方式的不同分以下一些工艺方法：1)火焰钎焊火焰钎焊是用可燃气体(乙炔、丙烷等)与氧气或压缩空气混合燃烧的火焰作为热源进行焊接的一种方法。火焰钎焊设备简单、操作灵活方便，根据工件形状可用多火焰同时加热焊接。钎料多采用丝状或片状的铜基、银基钎料，其中HL105锰黄铜钎料应用最为广泛;钎剂一般采用脱水硼砂。火焰钎焊主要适用于中小尺寸硬质合金刀具、模具和量具的小批量生产，对于大型的硬质合金工具，由于火焰加热的温度和速度难以控制，加热时会产生较大的温度梯度，容易引发裂纹的产生，因此一般不采用此方法【2,6】。2)电阻钎焊电阻钎焊一般可分为直接加热法和间接加热法。直接加热法是将电极置于接头两侧，使电流经过钎缝面的接触电阻而发热，从而完成焊接过程;间接加热法是将电极置于接头一侧的钢质母材上，电流通过钎缝一侧的母材电阻发热(或通过发热元件发热)来实现钎焊。采用间接加热法可避免电极与硬质合金接触，防止硬质合金的过热和烧损，避免其硬度的降低和开裂。可配用铜基或银基钎料，常用的有H68、HL105钎料等，其中HL105钎料的抗剪强度较高，对于YT5刀具的焊接，抗剪强度可达28.5GPa，对于YG8可达到29.7GPa。钎剂一般采用脱水硼砂【7】。加热电压是电阻钎焊的重要参数，要选择合适的数值以保证合理的发热升温速度;其次要保证电极与工件接触处于良好状态。加热过程中要及时排渣，防止钎缝夹杂和气孔形成而降低强度。使用硼砂钎剂时一定要先经过脱水处理，否则由于结晶水的存在，在焊接过程中结晶水蒸发，在焊接区域内产生大量气体，既影响了正常排渣，又易在焊缝中产生气孔【7】。电阻钎焊的操作较为简单方便，效率比火焰钎焊高，工件表面的氧化较少，但是在加热过程中易造成工件局部过热烧损。此外对于复杂形状的工件、多刃刀具及尺寸很小的工件也不便操作【2】。3)感应钎焊感应加热钎焊的优点是加热迅速，钎料液化过程短，并可以在各种气氛(空气、保护气体、真空)下进行，能减轻硬质合金过热和氧化，有利于提高焊接质量;该方法的缺点是设备较复杂、一次性投资较大，其次是感应电流的趋表效应，当钎焊大厚工件时，加热温度不均匀，难于保证钎焊质量，且效率也低，故一般只适用于钎焊结构型式简单(最好是轴类细长型)的小尺寸焊件【2】。感应钎焊的工艺参数一般包括钎缝间隙、加热速度、冷却速度、感应圈形状尺寸、钎料钎剂的加入方式等因素。这些因素必须有一个合适的组配范围，因素的波动会对焊缝质量造成不良影响，尤其是在硬质合金中产生较大的焊接应力。钎缝间隙值是确保钎焊质量的重要参数。通常认为钎缝越小,焊接应力越大,反之亦然。钎缝间隙过小时,会发生“挤死”和“钎不透”,使接头强度下降和焊接应力增加;而间隙过大,毛细作用减弱,也会导致“钎不透”,使接头强度下降。因而大小适中的钎缝间隙对减小焊接应力和增强焊缝牢度有很大的作用【8】。加热和冷却速度对钎头焊接质量有很大影响。加热速度太快,合金中会产生较大的应力;加热太慢,则高温停留时间长,这虽然能使液态钎料的润湿和扩散更完善,但会造成合金的氧化烧损。通常加热以不超过100/s为宜。冷却速度太快,合金中会产生很大的收缩应力;冷却速度太慢,虽然能减小焊接应力,但对钢体材质的淬火不利，故一般以60/s为宜【8】。感应圈是感应加热设备的重要元件,交流电源的能量是通过它传递给焊件而实现加热的,因此,感应圈的结构是否合理对于钎焊质量和生产率有很大影响。正确设计和选用感应圈的原则是:感应圈应有与焊件相适应的外形, 尽量减少感应圈本身和焊件之间的无用间隙,间隙最好不大于23mm，以便提高加热效率。为了使焊件加热平稳、均匀，防止焊件尖角处发生局部过热,应当合理选择感应圈的匝数和感应电流的交变频率等参数。4)炉中钎焊将装配好的工件放在电阻丝发热的加热炉中进行加热钎焊的方法称之为炉中钎焊,其特点是工件整体加热，加热均匀、工件变形小。不足之处是加热速度慢、效率低。但对于批量生产，一炉可以同时钎焊多个接头及焊件，以此可以弥补加效率低的不足【9】。炉中钎焊的加热气氛有以下几种：a)空气炉由于焊件在空气中加热时工件容易氧化，且升温速度较慢，不利于钎剂去除氧化膜，故应用受到一定的限制，目前已逐渐被保护气氛炉中钎焊和真空炉中钎焊所代替【9】。b)保护气氛炉根据保护气氛的不同，可以分为还原气体和惰性气体炉中钎焊【9】。还原性气体一般用H2或CO，不仅能避免工件在加热过程的氧化，还能还原工件表面的氧化膜，有助于钎料的润湿;惰性气体一般用Ar、N2和He等，对气体纯度的要求较高，一般要在99.99%以上，在气体入炉前还要经过脱水(硅胶、浓硫酸)脱氧(海绵钛)装置。工件通常应放在容器内，在流动的气体中进行加热钎焊。用惰性气体比用还原性气体的安全性要高。加热温度、保温时间及冷却速度是主要的工艺参数。加热温度高于900时，硬质合金的硬度会有明显降低。保温时间过长时也会引起硬质合金的硬度降低。焊后应缓慢冷却，以防止开裂【10-12】。c)真空炉真空钎焊是基于在真空中加热时金属及其氧化物产生蒸发，破坏其表面氧化膜，从而达到去膜效果的。在真空条件下，有一些金属可在低于熔点的温度下便发生显著蒸发，也有一些金属氧化物会发生挥发。金属，特别是金属氧化物的蒸发能有效地破坏表面氧化膜，使真空条件下的无钎剂钎焊成为可能。对于以TiC为硬质相的YW类硬质合金来说，采用Ag-Cu-Zn系合金作为钎料，在真空炉中钎焊是一种比较好的方法，因为焊接过程中Zn的挥发能使Cu的扩散能力增强，从而使焊缝强度升高【13】。真空钎焊的优点是可防止被焊金属、硬质合金及钎料与氧、氢、氮等气体介质发生反应而产生不良影响，并且由于钎焊组装件在真空炉中升温、降温缓慢，从而可大大降低温度梯度，有利于减少钎焊应力，获得高质量的钎焊质量，在焊接大件及形状较复杂的硬质合金时采用真空钎焊技术尤为有利。由于金属及其氧化物的蒸发是随着周围气压的降低及温度升高而加剧的【14】，因此真空钎焊的炉内真空度、加热温度及保温时间是影响钎焊质量的主要因素，正确选择这些参数对钎焊质量至关重要。加热温度的选择应参照所用钎料的实际熔点，在空气中加热一般比熔点高1030。而在真空钎焊时，由于传热的滞后效应，也为了提高钎料的流动性，加热温度应比空气中略高一些【14】;对于同样尺寸的焊件，真空钎焊时的保温时间应比空气炉中的适当延长。如果时间太短，则钎料与被焊母材之间来不及形成足够的冶金结合，还可能由于加热不均匀而造成“虚焊”。相反，如果保温时间过长，则有可能导致钎料严重烧损蒸发，从而导致焊缝强度降低【14】。真空度的选择与被焊件材质及所用钎料的成分、性质有关，同时也与钎焊温度有关，一般应在10-3Mpa以上，以便获得良好的去膜效果。钎料中的Zn、Ag在真空状态下显著蒸发的温度较低，为避免钎料中的这类元素蒸发，在接近焊料熔化温度时，可停止抽真空。此外，对于一定材质的焊件及所用钎料，可由确定的加热温度来反推所需的炉内真空度【14】。5)激光钎焊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的焊接【15】。据相关文献报道，可采取激光的“深熔焊”和“热导焊”模式进行硬质合金的钎焊，用纯Cu、Ag-Cu合金作为钎料。相关的工艺参数主要有激光功率、焊接速度、焦点位置、填充层厚度等【15-17】。由于硬质合金与钎料之间的熔点相差很大,在焊接中要严格控制工艺参数, 既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, 形成理想的钎焊接头【16】。在激光“深熔焊”过程中, 激光功率密度很高,在激光直接作用的区域, 硬质合金瞬间可达很高温度,并与钎料中的Cu发生剧烈的“亲合”作用，还容易发生钎料的蒸发和过度烧损，使表面出现严重的凹陷现象【15】，因此必须通过适当调整工艺参数来减少钎料的烧损。另外由于硬质合金中Co的含量一般都很低,在激光“深熔焊”的高温作用下极易逸失, 而使WC以疏松的状态存在, 此时的硬质合金将不能保持原有的致密烧结组织和性能,导致接头不可避免地出现一些裂纹、气孔等缺陷【17】。在“热导焊”过程中，激光束直接作用在钎料上，需采用表面涂料来提高钎料对激光的吸收率。另外，为了使钎料在瞬间尽量多地吸收激光能而熔化，应采用小直径光斑【15】。焊接时，激光束的大部分能量被钎料吸收，吸收的能量在极短的时间内迅速向下传导，使其完全熔化，从而浸润硬质合金。这种方式较易获得没有凹陷的完整钎焊接头【15】。在激光钎焊过程中,由于热过程极短，一般只存在硬质合金中的Co向液态钎料的溶解和短距离扩散，而钎料中的Cu则基本上未向硬质合金扩散，因而两者之间的冶金结合不够充分,这会直接降低接头的剪切强度。由于Ni与硬质合金中的Co物理化学性质相似,能够与硬质合金很好地亲和, 同时又能够与Cu无限互溶, 因而为了改善钎料与硬质合金的冶金结合, 提高接头质量,可采用预先在硬质合金钎焊面上电镀Ni的方法加以改善【17】。2.2 扩散焊真空扩散焊和热等静压扩散焊可应用于硬质合金的焊接。在真空扩散焊接中，影响接头质量的因素很多，如材料成分，被焊表面质量、真空度、中间夹层材料以及加热和冷却速度等，但最主要的因素是温度、压力和时间【18】。焊接压力的增加对缩短焊接时间、提高生产率尤为重要;焊缝的剪切强度一般会随焊接时间的增加而提高，因为焊接时间延长可使被焊表面上的显微凸点大多消失，明显增加接触面积，原子的扩散较为充分，焊合率可得到明显提高。焊接时间的进一步延长对低压力扩散焊的接头强度仍是有益的【19】，但过长的时间难以在生产中实施应用。焊接压力和时间的合理搭配可以通过正交试验法来选定【18,19】。由于Co和Ni具有相同的晶体结构类型和相近的点阵常数，两者之间能够无限互溶而形成连续固溶体，因此焊接过程中一般选取Ni为中间层。低温扩散焊接头强度主要受到两个微观因素的影响，即Ni/WC-Co界面上的相互扩散程度和是否形成脆性相。要使接头强度达到使用要求，一般必须使Ni在WC-Co中的扩散达到一定深度。例如对于以Ni为中间层的PDC复合片硬质合金刀杆扩散焊接头来说，要使剪切强度达400MPa以上，至少要保证Ni在WC-Co中的扩散距离大于10m。对于脆性相来说，只要不偏聚在相界、晶界等处，一般不会影响接头强度。以纯Ni作为中间层可以大大减少相的形成【20】。真空扩散焊对焊件的尺寸和形状有限制，一般只适用于轴向对接式的简单复合工件，应用范围有很大的局限性。随着对复杂形状大型硬质合金复合构件应用要求的增多，例如轧辊、导辊等，由于被焊面大，焊件形状复杂，构件工况条件苛刻，一般的钎焊和真空扩散焊难以满足要求，而采用热等静压扩散焊工艺是解决此类问题的最佳途径【21】。热等静压扩散焊的工艺参数主要是温度、压力、时间、中间层材料及其厚度。焊接的主要问题是残余应力，因为硬质合金与钢扩散形成大面积连接后，会因热膨胀系数的失配而产生很大的残余应力，特别是在硬质合金表面产生过大的残余拉应力，它是导致接头低载荷断裂的主要因素。采用Ni作中间层可有效地减少残余应力，提高接头强度【21】。2.3 钨极惰性气体保护电弧焊TIG焊作为一种连接硬质合金与钢的新方法，目前还处于试验阶段。在焊接硬质合金时，一般采取Ni-Fe合金、纯Ni、Co-Fe合金和Ni-Fe-C合金作为填充金属。焊接过程中的主要问题是在焊缝界面处硬质合金一侧易形成有害的相。这些相主要是由于在焊接过程中C向焊缝金属中扩散，而Fe向WC中扩散形成。大块相的存在是焊接接头的抗弯强度低下的原因，严重影响了焊接接头的韧性。在焊接YG30与45钢的试验中，当大块相存在时，接头的抗弯强度为0.960GPa;当接头没有相时，弯曲强度可达1.341GPa【22】。填充金属中的Fe元素促进相的形成，Fe元素含量增加，易形成大块相，并在界面聚集分布;而Ni元素抑制相的形成，在热影响区形成弥散分布的细小相【23】。用Ni-Fe合金焊丝焊接所得焊缝硬度略高于纯Ni焊丝焊接所得焊缝硬度【3】。2.4 电子束焊电子束作为焊接热源具有加热功率密度大、焊后变形小、焊缝深宽比大、规范参数调节范围广等优点，并且由于焊接热过程极短，能在一定程度上控制元素的扩散，抑制硬质合金与钢界面形成有害的相，使接头具有一定的抗弯强度，所以它有可能作为一种焊接硬质合金的新方法。有研究表明，在焊接YG30与45钢的试验中，采用预热、低电流、慢速度的焊接规范，可获得界面结合良好的接头，但接头的显微组织中有相生成，并且分布于焊缝靠YG30一侧的熔合区，在界面处聚集长大，主要原因是焊接过程中硬质合金中的C熔入焊缝以及焊缝中的Fe向硬质合金中迁移造成的【24】。3 硬质合金焊接技术的展望中国目前是世界上最大的硬质合金生产与消费国。随着我国工业化与现代化进程的加快，硬质合金在工业领域的应用会越来越广泛，而焊接作为连接硬质合金与钢基金属的一种重要方法，