工艺夹具毕业设计49金刚石锯片的生产工艺及激光焊接毕业设计论文

第 1 页 金刚石锯片的生产工艺及激光焊接 1 前言 随着装饰材料市场的发展，对石材的需求是大大增加，在石材加工中，金刚石工具的需求亦越来越大。然而，现时云浮市场上的金刚石锯片质量不大理想。往往是开始很锋利，切到一半时金刚石出刃不好，脱落严重，或切割数量少，一个工时换多次锯片头，导致加工效率不高。石材企业迫切需要高效优质，性价比好的金刚石锯片。 在二十一世纪， 随着 对切割工具的要求越来越高， 生产出高质量的金刚石工具已经迫在眉睫，尤其是金刚石锯片，它已经被用于很多行业！ 金刚石成分配方，热压烧结和焊接是金刚石锯片质量的保 证。 提高金刚石锯片切割效率与寿命的一个关键因素是提高胎体对金刚石的把持力。胎体对金刚石有好的把持力，金刚石就不会过早脱落，并具有最大的凸出高度，切割时锋利，效率高。 具体会在下面分析！ 热压烧结在提高金刚石刀头的质量方面也起着至关 重要的作用， 金刚石锯片生产中一道关键工艺 。 它的好坏将影响锯片的刀头密度、硬度与切割性能，烧结设备的技术性能也影响锯片生产成本、产品与质量。 金刚石刀头与基体的焊接在 生产成本 ，质量方面起着决定性作用！ 激光焊接锯片由于具有很多优点，在美国和欧洲不断获得发展，到目前已有 15 年的历史，全 世界金刚石工具行业已有 300 条激光锯片生产线，在我国已超过 20 条。因此发挥现有设备的生产能力，研制高档激光焊接专用锯片，占领国际市场是我们的发展目标。 (1)激光发生器不断完善与更新换代。国外已由横流式、快速轴流式发展到 第三代板块式。功率达 2 2.5kW,我国研制出气体横向流动、纵向约束放电激励、多折激光谐振腔、低吸收光学元件激光发生器。它们的特点是：功率大，耗气量少，运行成本低，维修工作量少，工作可靠，光束质量好，光斑小，焊接质量提高。 (2)锯片基体与刀头固定方式由手动改为全自动，精度高，工作可靠。美 国、意大利、德国、韩国与我国都有不同固定方式，其中有手动夹具、磁力夹具、气动夹具、滚压夹具等。 (3)不用焊料，但必须采用合理过渡层配方，使其性能与工作层及基体相匹第 2 页 配，提高焊接强度、焊透性，减少气孔与裂纹。 (4)研制合理的工作层配方。一般 Fe 基、 Co 基、 Ni 基胎体易焊接，对含Cu、 Sn、 W、 Wc、 Pb 过多的胎体难以焊接。 (5)为适应沥青、养护混凝土加工的需要，研制斜齿、高低齿、刀形齿、硬质合金加强齿。 (6)重视激光锯片刀头烧结工艺的研究，选择合理的烧结温度、压力与时间，控制好烧结气氛与温度，是保证激光 焊接质量的重要因素。 (7)选择合理的焊接工艺参数，控制好焊接功率、角度、速度、偏移量、深宽比，保证焊接质量与强度 . 1.1 金刚石圆锯片定义及分类 金刚石圆锯片是一种整体上呈圆盘状的刀具，它采用粉末冶金的方法将金刚石颗粒镶嵌在基体的周围。利用金刚石颗粒的压裂压碎以及大面积剪崩其他材料而达到切削的目的。总的说来，金刚石圆锯片的种类很多，分类也很复杂。通常有以下几种分类方式： 1) 按结构分类：宽水槽金刚石锯片、节块组合式金刚石锯片、窄水槽金刚石锯片、钥匙孔槽金刚石锯片、钻头锯片、碗形锯片等； 2) 按加工 工艺分类：激光焊接金刚石锯片、烧结式金刚石锯片、高频焊接金刚石锯片等； 3) 按加工对象分类：大理石切割锯片、花岗石切割锯片、混凝土切割锯片等。 当然，上述分类方法不能把所有的金刚石圆锯片都包括进去，还有一些特殊用途的金刚石圆锯片。 1.2 金刚石圆锯片的应用场合 一般说来，金刚石圆锯片的工作环境比较恶劣，产品的主要用途是锯切石材，广泛应用于大理石、花岗石、陶瓷墙地砖及混凝土制品的切割，是石材、建材行业重要且广泛使用的加工工具 第 3 页 2 选题背景 在二十一世纪初，在切割方面，有些切割工具已经无法满足对超硬 材料的切割，这就要求研发新的切割工具！这样金刚石切割工具也随之产！ 金刚石莫氏硬度为 10，显微硬度为 98 654.9MPa（ 100 060kg/mm2） ，绝对硬度大于石英的 1 000 倍，大于刚玉的 150 倍。矿物性脆，贝壳状或参差状断口，在不大的冲击力下会沿晶体解理面裂开，具有平行八面体的中等或完全解理，平行十二面体的不完全解理。矿物质纯，密度一般为 3 470 3 560kg/m3。 金刚石化学性质稳定，具有耐酸性和耐碱性，高温下不与浓 HF、 HCl、 HNO3作用，只在 Na2CO3、 NaNO3、 KNO3的熔融体 中，或与 K2Cr2O7和 H2SO4 的混合物一起煮沸时，表面会稍有氧化；在 O、 CO、 CO2、 H、 Cl、 H2O、 CH4 的高温气体中腐蚀。金刚石还具有非磁性、不良导电性、亲油疏水性和摩擦生电性等。 我们都知道金刚石是世界上硬度最高的物体，由于它独特的原子结构（正八面体 ，如左图所示 ），再加上它的自身的特点：耐高温，稳定性好， 所以在与其他物体摩擦时不容易磨损。 以其超硬性广泛用于机电、光学、建筑、交通、冶金、 地勘、国防等工业领域和现代高、新技术领域。 图 1 工业用金刚石常用作刀具、钻具、研磨、轴承、拉丝模、硬度计 压痕器、锯片、光学精密仪器及修整器等。 金刚石工具的概念，是指以金刚石为切磨材料，借助于结合剂或其它辅助材料（ 如 Fe、 Co、 Ni 等易焊接胎体 ）制成的具有一定形状、性能和用途的制品。而金刚石锯片就是其中的一种。 其实在生活中，我们大多数人多见到过金刚石工具。如家里划玻璃用的刀具，就是最常见的金刚石工具，相对其他的金刚石工具的制作工艺比较简单。与玻璃接触的那一部分就是金刚石，金刚石是被镶嵌 （焊接） 在刀柄上的 。 金刚石的品级质量、粒度和浓度对金刚石工具有决定性的作用。我国在金刚石合成方面，六面顶小吨位高强工艺已趋成 熟，六面顶大吨位大腔体工艺不断完善，两面顶合成金刚石也初具规模，粉末触媒合成、碳素、叶腊石块原材料生产不断完善。因此针对我国金刚石工具制造，批量合成性能稳定、粗颗粒、热稳定性能好的高强金刚石是完全可能的。国外的金刚石公司，除推出 SDA+、SDB、 DSN、 MBS、 ISD 系列外， De Beers 针对中国市场推出 BKI、 BK30、 BK60、第 4 页 BK70 金刚石，韩国日进公司推出六面顶合成的 SDS 系列金刚石，都值得我国同行借鉴。 大颗粒的金刚石不能够直接用于制作金刚石工具，必须先作成粉末状，再于其他金属混合！ 图 2 图 3 金刚石粉末非常细小，如图 1、 2、 3 所示。图 4 为金刚石放大的效果图！ 图 4 图 5 金刚石锯片分为两部分：刀头和基体。 将做好的金刚石刀头通过激光焊接到基体上。刀头的生产和焊接是非常重要的 。 刀头是由 铁，钴，镍等一些金属粉末按照金刚石刀头所需的硬度的比例进行混合，然后添加松脂和丙酮黏合剂搅拌，这必须经过多次的实验。 对 于不同的配方要选择不同的烧结工艺 ，金刚石刀头的硬度要达到100HRC 110HRC。 焊接是至关重要的，所以我们必须考虑它的质量，效率和经济等方面的因素。 国内 常采用钎焊的方法连接。金刚石 锯片 工作时由于转速 极快，受强烈的冲击和震动，需要高的剪切强度和高温强度。钎焊的 刀头经常由于高速钻进发热引起钎料熔化而脱落。所以，国外从 80 年代后期就发展用激光焊代替钎焊，激光焊与钎焊比较有如下优点：由于基体与刀头是冶金结合，强度高，刀头不易脱落，特别是在无水的情况下；焊缝为细小均匀的柱状晶组织，不易产生裂纹，保证钻头在高速 钻进时不致于开裂而产生危险；焊缝和热影响区极窄，对金刚石没有影响，保证了产品的最佳性能；易于实现自动化，效率高，质量稳定可靠，并且产品的平均成本低。 激光主要的四大特性是： 激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性 。 激光焊接金刚石锯片较高频 钎焊 具有明显的优越性，在该领域有广阔的发第 5 页 展前景。为了能在硬质石材的切割中达到与大理石切割同样的锯切深度和效率，德、英、意等欧洲石材加工强国联合组织了在超大切割深度条件下切割花岗石的可行性研究，焊缝的强度是关键问题之一。我国面临石材工业的大发展，高品质大直径金刚石圆锯片拥有巨 大的市场潜力，加速激光焊接技术在该领域的应用是当前急需解决的问题。 金刚石刀头通过激光焊接到基体上，其牢度必须满足 45Nm 50 Nm。 然后，开侧面刃时要用专用开刃夹具逐件开侧面刃，要求刀头无油漆，金刚石暴露，开刃方向正确；开外圆刃时也要用专用开刃夹具逐件开外圆刃，要求金刚石暴露，开刃方向正确。 ！ 我们必须严格按照工序来，要满足每一个技术要求！ 3 方案论证 生产之前首先要对金刚石锯片的工作环境有详细的了解，这样才能生产出所需要的金刚石锯片。 金刚石锯片在工作时会受到很大的应力和冲击载荷。特别是在 刀头进入工作状态的一刹那，与岩石的撞击，会对金刚石产生很大的破坏性。并且锯片的线速度越高，岩石越硬，走刀速度越快，岩石对金刚石的撞击力就越大！因此，我们在生产之前一定要对锯片的刀头进行力学分析！ 金刚石锯片 如右图5所示 图 6 在设计金刚石锯片刀头时，除了应对所锯切的岩石锯切性有所了解外，还应对刀头的受力情况进行必要的分析！ 锯片刀头受有三个力： 1、垂直向下的压力； 2、横向走刀的推力； 3、锯片切向的切削力。以下分别进行讨论。 3.1 垂直向下的压力 锯片垂直向下的压力，就是锯片的重力。如果超过锯片的重力，切 机体系就会承受一个力矩，使锯片偏斜，从而使切出的石板偏斜。因此，我们说，锯片给予刀头的垂直压力应等于或略小于锯片的重力，锯片的重力计算可按下式计算： 第 6 页 G = /4D2br10-3 （ 1） 式中 : G 锯片重量 ,kgf; D 锯片直径 ,cm; r 钢的比重 ; b 锯片厚度 ,cm. 3.2 横向走刀的推力 横向走刀的推力受 垂直压力的制约 .从力学分析来看 ,垂直压力 G 与 横 向走刀的推力 f的合力应处在 1/2r角的位置 ,(见图 6 锯片受力分析图 ).如 f力过大 ,则合力的方向就超越 1/2r.这时必将增加石材工作面向上的顶力 ,使锯片承受大于 G的力 .因此 ,认为横向走刀的推力应按以下方法计算 : F = (G2+f2)1/2 （ 2） f = FSin(/2) （ 3） = cos-1(R-t)/R = cos-1(80-t)/80 （ 4） 式中 : F 垂直力 G 与横向力 f 的合力 ; 锯片切削弧线对应的角度 ; t 切削厚度 ; R 锯片半径 图 7 表格 1 切深（进刀量）与锯片受力关系 由表 1看出， 横向推力 f对合力 F值影响很小，所以可以忽略不计。 3.3 切向离的计算 根据锯片切削时消耗的功率，可以计算出锯片的切削力 T值。 锯片切削时所消耗的功率 N 切 按 式（ 5）计算： N 切 = N N 0 = 380 （ I - I 0） （ 5） 式中： N 切 锯片切削时所消耗的功率 ， kw； t(cm) 1 2 3 4 5 6 7 9.079 12.84 15.74 18.19 20.36 22.33 24.15 f 8.7 12.4 15.2 17.6 19.8 21.7 23.5 F 110.3 110.7 111.0 111.4 111.8 112.1 112.5 第 7 页 N 切机工作时的功率， kw; N 0 切机空转时的功率， kw; I 切机锯切时的电流值， A； I 0 切机空转时的电流值， A。 锯片切削时所产生的力矩只能式（ 5）计算： M = 973.6 M 切 /n kgfm 锯片作用在岩石工作面上的切力： T = M/R 式中： M 锯片切削时所产生的力矩， kgfm； n 锯片转速， r/min; 按以上公式 计算结果列于表 2 表格 2 切削力 T N 切 千瓦 3 4 5 6 7 8 N(rpm) 300 300 300 300 300 300 Tkgf 12.2 16.3 20.3 24.4 28.5 32.5 从表 2 的数据看出， T 力值并不大，可以说比预计的要小的多。这是由于锯片的直径很大，也就是力臂很大。如果有一个比较大的 T 力，对锯片就会产生一个很大的反力矩，使锯片无法转动。 3.4 讨论 求出三个力 G， F， T 的合力，就会发现这个合力是很小的，只能它们的最大值计 算。 刀头与岩石接触面积，计算结果列于表 3。刀头规格： 长 宽 = 2.4 0.9 cm2 切削深度与弧线长度、接触压力的关系列于表 3 表 3切深、弧长、接触压力之间的关系 切深（ cm） 1 2 3 4 5 6 7 弧 长 126.6 179.3 219.8 253.9 284.3 311.8 337.2 接触刀头 数 2.7 3.8 4.7 5.5 6.1 6.7 7.3 接 触 面 积 5.8 8.2 10.2 11.9 13.2 14.5 15.8 压力kgf/cm2 20.2 14.2 11.5 9.8 8.9 8.1 7.4 第 8 页 从表 3中的数据看出，刀头作用在岩石表面上最大的压力也只有 20 kgf/cm2。这与金刚石 钻头无法相比。金刚石钻头胎体表面上的压力一般都在 100 kgf/cm2左右 ，个别的可达到 150 kgf/cm2。国外有的加到 200 kgf/cm2。 在我国水利系统的钻孔，钻头的压力也加到 30 40 kgf/cm2。 3.5 金刚石所承受的负荷 知道了刀头所承受的压力，就可以计算金刚石所承受的负荷，并用下式计算： = p/ 式中： 单粒金刚石所受的名义上的力（实际受的力要大的多）； 刀头表面上露出的金刚石颗粒数，粒 /cm2 p 刀头表面所承受的压力， kgf/cm2 国内一般钻头中金刚石的 = 0.5 1.2 kgf/粒 如果 根据国内钻头的 值计算刀头的 。 = （ 11 20） /（ 0.5 1.2） =（ 9.1 40） 粒 /cm2 以此计算金刚石浓度，大约 3.5% 5.3%。而实际上，现在刀头中的金刚石浓度都大雨 5%， 因此金刚石所承受的 值还要小。 3.6 锯切规程与金刚石撞击强度的关系 可以预料金刚石切削深度越大，所 承受的撞击强度越大。可以从图 7 的分析中看出，金刚石的切削深度取决于走刀速度，与进刀量无关。 第 9 页 图 8 走刀速度与刀头切入点的分析图 锯片 刀头是有间隔的，在前面一个刀头切削过，后面的刀头经过一个水口，再进入切削面工作。在这个时间间隔中，锯片的中心向前运动了一个距离，后面一个刀头的切入点，不是在 a点，而是在 b点（参看图 7），走刀速度越快，切入点越高（ b2,b3）。切入点越高，岩石对金刚石切入的阻力越大，对金刚石的撞击越大。因此说走刀速度越快，岩石对金刚石的撞击也越大。 不言而喻，岩石 的硬度越大，对金刚石的撞击也越大。 以上仅仅是从理论上分析，但现在该不知道它们之间的定量关系。 由此可以看出，金刚石在切削岩石时的负荷并不太大， 主要是由于撞击破坏的。因此，要求金刚石应具有高的抗撞击强度。抗压强度相同、晶体相近的金刚石，抗冲击强度却有很大的不同。以下列出北京金轮晶体制造有限公司的一组实验数据，可以说明这一问题。 第 10 页 表 4 晶体相近、透明度不同的样品抗压强度 TI、 TTI 测试结果 序号 粒度 抗压强度 TI（） TTI（） 镜下观察 1 45/50 12 64.35 31.37 晶体内 喊有较多裂纹 2 45/50 12 63.50 51.71 晶体透明度 较好 3 50/60 12 62.06 42.47 晶体内均匀 分布裂纹 4 50/60 14 66.15 48.68 晶体透明度 较好 表 5 晶体相近、磁性不同的样品抗压强度 TI、 TTI 测试结果 序号 粒度 抗压强度 TI（） TTI（） 磁化率 1 45/50 12 63.51 51.71 34.6 2 45/50 12 58.22 28.40 85.8 3 40/45 9 52.43 46.11 36.0 4 45/45 10 45.00 19.62 96.4 从表 4、 5 中数据看出，抗压强度相同晶体相近的金刚石，可她加热后的抗撞击 （ TTI） 却相差很大。对于锯片，不能仅仅根据抗压强度与晶形选择金刚石，而应根据 TTI来选用。 所烧制出的刀头，质量不稳定，时好时坏，这就与金刚石的 TTI 强度有关。大多数厂家一般认为两次所选用的金刚石抗压 强度相同的。而事实上，两次所选用的金刚石 TTI 却相差很大，结果刀头使用的效率也相差很大。所以要想使刀头的质量稳定，必须根据 TTI选用金刚石。 3.7 结论 （ 1） 刀头在破碎岩石时金刚石的负荷 并不太高； （ 2） 刀头在由非工作状态，进入工作状态的一刹那，承受极高的撞击力， 是破坏金刚石的主要原因； （ 3） 走刀速度越快，岩石越硬，线速度越高，金刚石承受的撞击强度越大； （ 4） 进刀量对金刚石的撞击强度，影响不大； （ 5） 应根据 TTI 测试结果选择刀头的金刚石。仅根据晶形与抗压强度选择金刚石，不能保证刀头质量的稳定性。 第 11 页 3.8 方案 我们 必须对以上方面进行详细的分析后才能指定金刚石锯片的方案。 首先要根据 金刚石锯片所加工的材料的硬度来确定金刚石刀头的配方，然后选择适当的烧结参数，使刀头达到所要求的性能，再根据 金刚石锯片在工作中所需要的力矩等方面的要求来选择激光焊接的参数，最后再进行试切实验。试切实验结束后再对金刚石锯片进行各方面的检测，再对金刚石锯片的工艺进行相应的调整，直至达到最好的性能要求。 以下是金刚石锯片生产的工序路线图（图 8） 图 9 工序路线图 4 过程 (设计或实验 )论述 4.1 配料 将金刚石小颗粒，铁，钴，镍等一些金属粉末按照 计算出的数据及 金刚石刀头 所需的硬度的比例进行混合，然后添加松脂和丙酮黏合剂搅拌，凉干后即可！ 除了考虑以上的以外，还要考虑到金刚石脱落的问题，即对金刚石的把持力。 可以在其中加 强碳化物形成元素 ， 提高 对 金刚石把持力 ，同时也可以 提高金刚石锯片切割效率与寿命 ，这曾在前言部分提到过。 胎体对金刚石有好的把持力，金刚石就不会过早脱落，并具有最大的凸出高度，切割时锋利，效率高。 提高机械把持力， 这是由于金属粉末在烧结时产生收缩，形成压缩应力把持住金刚石。压缩应力的产生是由于金刚石与胎体金属热膨胀系数不同，由于检测 实验 激光焊接装 模 并 选 择 相 应的参数进行烧结冷压根据有关参数进行配方第 12 页 烧结时或晶体形成与长大引起体积变化所致。由于胎体屈服强度有限，故产生的压缩应力与机械把持力有限。粉末中添加少量强碳化物形成元素如 Cr、 W、Mo 等，由于其对金刚石润湿性与亲和 力较好，烧结时在金刚石与胎体金属界面上形成碳化物，实现对金刚石的次金结合，有利于把持力的加强与提高。 金刚石表面镀覆一层强碳化物形成金属元素如 Cr、 Ni、 Ti、 W 等。这是近几年来采用较多的工艺措施。 4.2 冷压 所谓的冷压就是在常温下，通过对物体施加一定的压力，增加其内部引力，使得其能够成为我们所需要的形状！ 金刚石刀头 如右图 9， 10所示 图 10 图 11 金刚石刀头 ， 它 的本质是基体通过适当胎体材料将金刚石嵌镶固定。它是在基体上焊接一种由金刚石颗粒 与胎体材料组成的复合烧 结体，常称之为刀头。 胎体即结合剂，应具备两个基本功能：一是把持金刚石；二是能随着金刚石的磨耗而磨耗，使金刚石正常出刃。结合剂除了具备一定的硬度和耐磨性之外，还应具备一定的韧性。结合剂有四种基：铜基结合剂、钴基结合剂、铁基结合 剂、碳化钨基结合剂。其中，以钴基结合剂使用效果最好，但由于价格昂贵，不能大规模应用。应用最为广泛的是铁基结合剂。结合剂中的添加成分有四种：粘结成分、骨架成分、强化成分、亲和成分。对于不同基的结合剂，其添加成分也不相同。在胎体成分中常选用高熔点的金属如钨、碳化钨等以调节胎体的硬度和耐磨性，同时选用低熔点并对碳有很好化学亲和性的金属如钴、镍、锰等铜基合金作为金刚石的粘结材料 。 本产品主要用于石材行业 ，如切割 等 。具有磨削力强，耐磨程度高，抛光效果好等特点。 先将 下凸模 放入模具中，再将混合金属粉末 面料和底料依次 倒 入 凹 模具里，弄均匀后再 将 上 凸模插入 。放在冷压机中，对其进行施加压力， 其 高度有定位块来控制，最后进行脱模即可 。 冷压工序图如下： 第 13 页 图 12 冷压工序图 4.3 装模具，热压烧结 先将压好的金刚石刀头装入石墨模中，然后进行热压烧结。 金刚石 刀头 烧结 适用范围较广，具有极强的耐磨性，寿命长、时效高 。烧结时必须保温一段时间！ 烧结参数如下： 表 6 时间(min) 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 温度( ) 397 458 503 576 664 793 879 880 880 461 379 图 13 时间-温度曲线010020030040050060070080090010001 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 时间温度脱模装好上模 冷压依次倒入面料和底料放好下模和凹模第 14 页 表 7 图 14 4.4 激光焊接 在 20 世纪 70 年代 激光焊接 主要用于焊接 薄壁材料和低速焊接，焊接过程属热传导型，即激光辐射加热工件表面，表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数，使工件熔化，形成特定的熔池。由于其独特的优点，已成功应用于微、小型零件的精密焊接中。 高功率 CO2 及高功率 YAG 激光器的出现，开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接，在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。 激光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热，激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散，将材料熔化后形成特 定熔池。它是一种新型的焊接方式，激光焊接主要针对薄壁材料、精密零件的焊接，可实序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 时间(min) 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 5.5 6 6.5 7 8 9 10 压力(Mpa) 11 11 11 14 16 21 27 41 60 62 62 65 61 60 65 65 43 0 时间- 压力曲线0102030405060701 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 时间压力第 15 页 现点焊、对接焊、叠焊、密封焊等，深宽比高，焊缝宽度小，热影响区小、变形小，焊接速度快，焊缝平整、美观，焊后无需处理或只需简单处理，焊缝质量高，无气孔，可精确控制，聚焦光点小，定位精度高，易实现自动化。 激光焊接 技术是现代工业生产中不可缺少的先进制造技术 ,它与传统的焊接方法相比具有优良的焊接性能。但是如果焊接中由于工艺参量的选取不当 ,就会导致焊接接头各项性能的下降 ,所以正确地选取焊接工艺参量是获得良好焊接性能的重要因素。在一定的焊接 功率、焊接速度、保护气体流量和光斑直径下对奥氏体不锈钢进行激光焊接 ,可以获得外观上成型良好 ,焊缝平滑美观的接头 ,但其抗拉强度只达到基体的 63.5%,远低于文献报道的 99.4%。通过对焊接接头金相微观组织的分析 ,得出引起这一现象的主要原因是激光功率低、焊接速度慢以及热影响区 (HAZ)大等。 金刚石 锯片加工石材制品时，幅面的宽度小于锯片的半径，其有效切割宽度一般只达到圆锯片直径的 30% 35%，传统上是通过增加金刚石 锯片直径的方法来增加锯切深度，从而达到加工大幅面石材制品的目的。但是，目前国内激光焊接生产的锯片 直径均不大于 600mm，大直径金刚石锯片激光焊接技术及设备有待进一步开发。 目前我国激光焊接技术应用关键在于解决产品性能价格比值，主要因素有两方面：其一，大型激光焊接及其配套设备成本高昂，自动化程度高，适合于大批量生产。由于前期投入大，若市场需求量不足，将直接影响大直径金刚石锯片的制造成本；其二，大直径金刚石锯片基体成本约占总成本的 80%以上，采用高频 钎焊 的锯片基体一般可以重复使用 10次左右，而目前激光焊接锯片基体是一次性使用。 在开题报告中曾说到激光焊接的一些优点： 1、速度快、深度大、变形小； 2、能在室温或特殊条件下进行焊接，焊接设备装置简单。例如，激光通过电磁场，光束不会偏移；激光在真空、空气及 某种气体环境中均能施焊，并能通过玻璃或对光束透明的材料进行焊接； 3、可焊接难熔材料如钛、石英等，并能对异性材料施焊，效果良好。 4、激光聚焦后，功率密度高，在高功率器件焊接时，深宽比可达 5： 1，最高可达 10； 5、可进行微型焊接。激光束经聚焦后可获得很小的光斑 ，且能精确定第 16 页 位，可应用于大批量自动化生产的微、小型工件的组焊中； 6、可焊接难以接近的部位，施行非接触远距离焊接，具有很大的灵活 性。尤其是近几年来， 在 YAG 激光加工技术 中采用了光纤传输技术，使激光焊接技术获得了更为广泛的推广和应用； 7、激光束易实现光束按时间与空间分光，能进行多光束同时加工及多工位加工，为更精密的焊接提供了条件。 但是，激光焊接也存在着一定的局限性： 1、 要求焊件装配精度高，且要求光束在工件上的位置不能有显著偏移。这是因为激光聚焦后光斑尺雨寸小，焊缝窄，为加填充金属材 料。若工件装配精度或光束定位精度达不到要求，很容易造成焊接缺憾； 2、 激光器及其相关系统的成本较高，一次性投资大。 激光焊接的工艺参数有以下几 种： 1、功率密度。 功率密度是激光加工中最关键的参数之一。采用较高的功率密度，在微秒时间范围内，表层即可加热至沸点，产生大量汽化。因此，高功率密度对于材料去除加工，如打孔、切割、雕刻有利。对于较低功率密度，表层温度达到沸点需要经历数毫秒，在表层汽化前，底层达到熔点，易形成良好的熔融焊接。因此，在传导型激光焊接中，功率密度在范围在 104106W/CM2； 2、激光脉冲波形。 激光脉冲波形在激光焊接中是一个重要问题，尤其对于薄片焊接更为重要。当高强度激光束射至材料表面，金属表面将会有 60 98%的激光能量 反射而损失掉，且反射 率随表面温度变化。在一个激光脉冲作用期间内，金属反射率的变化很； 。 3、激光脉冲宽度。 脉宽是脉冲激光焊接的重要参数之一，它既是区别于材料 去除和材料熔化的重要参数，也是决定加工设备造价及体积的关键参数； 4、离焦量对焊接质量的影响。 激光焊接通常需要一定的离做文章一，因为激光焦点处光斑中心的功率密度过高，容易蒸发成孔。离开激光焦点的各平面上，功率密度分布相对均匀。 在选题背景提到的 激光主要有四大特性：激光高亮度、高方向性、高单色性和高相干性 。 激光的高亮度：固体激光器的亮度更可高达 1011W cm2Sr。不仅如此，具有高亮度的激光束经透镜聚焦后，能在焦点附近产生数千度乃至上万度的高第 17 页 温，这就使其可能可加工几乎所有的材料。 激光的高方向性：激光的高方向性使其能在有效地传递较长的距离的同时，还能保证聚焦得到极高的功率密度，这两点都是激光加工的重要条件 激光的高单色性：由于激光的单色性极高，从而保证了光束能精确地聚焦到焦点上，得到很高的功率密度。 激光的高相干性：相干性主要描述光波各个部分的相位关系。 正是激光具有如上所述的奇异特性因此在工业加工中得到了广泛地应用。 我们必须综合各方面的因素来 选择 合理的焊接工艺参数，控制好焊接功率、角度、速度、偏移量、深宽比，保证焊接质量与强度。 4.5 表面清理，喷漆，开刃 清理表面黑斑，按照定单要求喷漆 开侧面刃： 用专用开刃夹具逐件开侧面刃， 要求刀头无油漆，金刚石暴露，开刃方向正确 开外圆刃： 用专用开刃夹具逐件开外圆刃， 金刚石暴露，开刃方向正确 4.6 检测 检验焊接牢固度，即抗弯强度和焊接质量 ，然后进行试切实验。 试切之后，对金刚石锯片各方面的性能进行检测和分析，这包括锯片刀头的磨损，扭曲等。 如果不满足要求，必须调整热压烧结参数，激光焊接参数等一些工艺方案。 5 结果分析 由岩屑和液体组成的混合岩浆对胎体表面的磨损是由相等切屑厚度（ heq）和间隙 c的比率决定的： （ heq） = 切割率 /锯片圆周速度 为了给排屑提供足够的空间，锯切操作特性参数必须和锯齿的成份结合起来，以免岩浆过稠这样就避免了胎体磨损的苛刻的条件。 岩浆稠时，岩石散粒可能在胎体表面滚动或滑动，导致胎体快速磨耗，这种磨耗方式是三体磨粒磨损机制。通过岩浆变稀，即减小 heq/c，后面称之为岩浆稠度比，那么胎体磨损就会变为冲蚀磨损，在这种情况下，由金刚石切削按时面射出的固体颗粒 以一定角度撞击胎体表面而磨损胎体。 第 18 页 试验结果如下表： 表 8 序号 胎体名称 硬度 HV 磨粒磨损 率 % 冲蚀磨损 率 % 屈服强度 Mpa 冲击强度 J/ cm2 1 HD 287 320 100 100 586 680 4.8 6.3 2 HB 246 63 152 671 1.4 3 SB 194 83 158 364 1.4 4 SVD 163 46 126 346 90.3 5 VHB 527 34 69 765 2.9 (1) H 硬 S 软 B 脆性 D 韧性 VH 很硬 VD 韧性很好 (2) 三体磨粒磨损试验值，结果和胎体 HD 有关 (3) 碰撞角 =30 度结果和胎体 HD 有关 (4) 在有 V 形缺口样品上测得的 我们可以在热压烧结的环节修改烧结参数，即将压力增大，加长保温时间，从而减少胎体的磨损，增加胎体对金刚石的把持力。 金刚石刀头与基体的焊接牢度我们可以 通 过扭转检测法和弯曲检测法 对其进行 检测 ， 这样我们可以大概知道焊接牢度的一个范围。虽然这两种方法都是近似的检测方法，准确性和精度不是很高，但它们的操作性简单和实际性强，这也成为它的应用之广的一个因素！ 金刚石锯片在锯切石材时受到交变的切削力作用径 向切削力，周向切削力以及由于石材材质的不均匀而产生的轴向切削力。在一般情况下，我们认为石材材质均匀，那么锯片所受的轴向切削力可忽略不计，所以锯片承受的剧切力主要是径向切削力和周向切削力。此外，考虑到锯片的高速旋转以及产生的大量切削热，可以推出：锯片在锯切过程中同时承受着切削力，切削热以及由于锯片高速旋转而产生的离心力 的 作用 ，都 在 锯片中产生相应的应力分布。 由于以上等因素，我们可以通过利用变形微机检测系统对对金刚石锯片的轴向进行检测。 以下图 12是变形微机检测系统的原理框图： 第 19 页 图 15 原理框图 我们可以利用这一系统来检测出金刚石锯片的轴向变形的一些参数，这样可以使我们生产出更好的高质量、高技术和低成本的产品。 锯片在使用过程中，由于各种各样的原因，常常导致锯片基体形位误差超过规定的允许值。因此，基体必须经过校正才能继续使用。校正基体的方法通常有三种：冷校法，热校法和综合法。其中： 冷校法原理：基体某局部在人为的压力作用下发生塑性变形，使该局部尺寸伸展，从而使该部分尺寸接近均衡，内应力减小，以达到校正的目的。 热校法原理：通过对基体某局部 人为进行快速加热、快速冷却，引起该局部热 塑性变形，冷却后使该局部尺寸收缩，从而使该部分尺寸接近均衡，内应力减小，以达到校正的目的。 基体失效原因及校正有以下几种： 1、基体与法兰盘打滑引起基体热失效 校正方法：在基体两边烧伤部分附近进行均匀锤击或滚压，使两边烧伤部分附近尺寸得到伸展，以达到校正基体的目的。 2、冷却液不足引进的基体热失效 校正方法：靠近基体外圆周，均匀锤击或滚压，使基体外圆周尺寸伸展，以达到 校正基体的目的。 3、切削力过大引起的基体冷失效 （ 1）冷校法校正：对整片基体进行锤击或滚压（越靠近心部，锤击或滚压密度越大 ，不要锤击或滚压外圆周附近），使整片基体尺寸伸展，以达到校正基体的目的。 （ 2）热校法校正： 用火燃烧或高频均匀加热基体外圆周附近，加热温信号转换器光电编码器信号调理单元信号输入第 20 页 度以 500 700 度较为合适；冷却后，基体外圆周附近发生苏醒变形，使外圆周尺寸得以收缩，从而达到基体校正的目的。 在做校正之前要注意一些事项和了解一些结论： 1、 基体失效常常是由于多种原因共同引起的。校正基体之前，应详细分析基体的失效原因，然后根据基体失效原因及失效程度确定加压大小，加热程度； 2、 基体热失效用冷校法校正比较方便，基体冷失效用热校法校正比较方便； 3、 冷校法校正基 体时，锤击密度由稀到密，锤击一段时间，测量一次。基体若锤击过度，就很难再校正，有可能导致基体报废； 4、 基体 若热校过度，可用锤子锤击加热过的基体局部，将基体重新校正； 5、 理论上，对基体任一面进行校正均可。实际操作中，经常采用均匀锤击或滚压基体两面的方法进行校正。 6 结论或总结 紧张而有序的毕业设计 已经接近尾声，回首这几 个月的点点滴滴， 我 觉得自己受益匪浅 ，学到了在课堂上学不到的东西 。通过这次 的毕业设计， 使 我 懂得 对每一件事都要 认真负责、一丝不苟、 还有团队 精神 的重要性；锻炼了我潜心考察、勇于开拓与实践的基本素质； 使我获得了从文献 、生产实践和调查研究中获取知识的 能力；提高了我从别人经验、从其它学科找到解决问题的新途径的悟性；也似自己知道如何去学习，去思考！ 毕业设计不同于 以前 的课程设计，它持续时间长，且要完成的内容也较多，从查阅资料、开题报告，再到方案设计，最后到完成毕业设计文论文等等，每个环节都不能忽视。通过这次毕业设计，我有了很大收获。 首先，我查阅了大量文献资料，深入了解有关 金刚石锯片及激光焊接 的国内外现状和发展趋势，学习和分析了相关的 数据 。通过这次设计，我学到了许多有关 生产金刚石锯片及激光焊接 方面的知识，知道 了 它 的 每个工序 原则和注意事项，这 也是次毕业设计的 目的。 其次，在这次设计过程中，巩固了我以前所学的知识，包括机械制图、AutoCAD画图 、计算机操作 等等，同时在知识的综合运用、 思考 能力、机械制图 及 计算机的运用等方面有了很大的提高。当然 在实施的过程中 也发现了自己的很多不足，这就要求在以后的工作和学习中加以 巩固 ，努力提高自身的各种第 21 页 技能 和素质。 尤为重要的是，经过本次设计，我已初步掌握了有关 生产金刚石锯片及激光焊接 的基本方法，有了一定的经验， 而且 在很大程度上提高了自己的独立 思考能力和自己动手的 能力。 这次毕业设计 虽然是对毕业生的一种能力测试， 我认为这次毕业设计对 每个毕业生来说是非常有必要的 。因为它除了使我加深了对书本知识的理解外，更使 我们获得了走向实践、投入社会所必需的基本素质，使我通过了从校园走向工作岗位的重要环节。我相信经过毕业设计这一环节的锻炼，我将能够在今后的工作岗位中很快适应新的环境，去迎接新的挑战。 虽然这次毕业设计是在别人帮助下完成的，但我还是学到了很东西。其实，做毕业设计的目的就在于此。学校就是想通过做毕业设计来提高我们学生的独立思考能力，动手操作能力和发现、解决问题的能力！ 只有这样，我们才能在这激 烈竞争的社会中取得成功，这也是我们迈出校门，走向社会关键的一步！ 第 22 页 参考文献 1 H.M.别潦耶夫 .材料力学 .于光瑜等 .1956.2:738 743 2孙佩钦，李文媛 .国内外人造金刚石主要检测标准对比 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