硬质合金工具焊接质量问题与解决方法

理质合金工具焊接质量问题与解决方法蒋青谷【摘要】硬质合金是一种通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷材料，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被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.但硬质合金的材质比较脆,而且价格较高，这些因素使其难以被制成大尺寸、形状复杂的工具或零部件，而硬质合金与钢基体材质焊接可以得到形式多样的工具或零部件，大大的扩展了其应用领域.但硬质舍金焊接时容易出现淬硬组织、变形和裂纹等问题，必须采取有效的工艺方法和措施，才能获得较好的焊接质量.一般生产中硬质合金与钢基体焊接常用的焊接方法主要有钎焊和扩散焊,一些新方法如电弧焊，电子束焊，激光焊等也在各应用领域积极的研究探索之中.本文主要针对硬质合金的感应钎焊工艺结合实际生产进行阐述.【期刊名称】《装备制造技术》【年(卷)，期】2017(000)005【总页数】3页(P149-151)【关键词】硬质合金;钎焊;裂纹【作者】蒋青谷【作者单位】桂林广陆数字测控有限公司广西桂林541004【正文语种】中文【中图分类】TG425.2硬质合金是由金属碳化物（碳化钨、碳化钛、碳化铌和碳化钒等）与黏结剂（金属钻或金属镍等）通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷材料。我国生产的硬质合金分为YT和YG两大类。YT类是由碳化钛、碳化钨和钻等组成，主要成分为WC、TiC和Co,多用于制作切削钢材的刀具。YG类是碳化钨和钻的合金，主要成分是WC和Co,多用于制造切削铸铁件、淬火钢、不锈钢等的刀具，以及用于制造各种硬质合金量具、模具、地质采矿和石油钻井用的采掘工具等。此外，还有YW类加入少量碳化钽或碳化铌等贵重金属碳化物的钛钨钻类硬质合金，用做切削特殊耐热合金材料的刀具。硬质合金主要钎焊于刀具、量具、模具、采掘工具等的工作面。其工作面部分为硬质合金，基体为碳素钢或低合金钢。这类工件在工作时受到相当大的挤压、冲击或交变载荷，这就要求焊缝强度高、质量可靠。硬质合金本身硬度高和耐磨好，但脆性高、韧性差。大部分工具是将硬质合金焊接在钢基体上使用，所以焊接质量的好坏直接影响到硬质合金工具的使用效果和寿命。与硬质合金焊接的基体材料一般是碳素钢，硬质合金线（热）膨胀系数一般为钢的1/2左右，而且硬质合金的导热率较低，所以焊接时易出现如下问题：3.1焊接产生裂纹硬质合金的线（热）膨胀系数较小，硬质合金与钢基体焊后由于不能同步冷却收缩，焊缝区会形成很大的应力，导致硬质合金变形、开裂或焊缝开裂及硬质合金脱落。3.2焊接区发生脆化钎焊金属成分向焊缝区液态钎料扩散，使钎焊金属发生表面组织改变甚至溶蚀，导致焊接区发生脆化和接头的抗弯强度低。3.3焊接产生致密性低缺陷这主要是出现在钎焊的焊缝中。当加热温度过高、升温过快时，造成钎缝氧化及钎料成分的严重烧损；而加热温度偏低或加热不均匀，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。一般生产中硬质合金与钢焊接常用的焊接方法主要有钎焊和扩散焊，一些新方法如电弧焊、电子束焊、激光焊等也在各应用领域积极的研究探索之中。本文主要针对硬质合金的感应钎焊工艺结合实际生产进行阐述。4.1感应钎焊［2］感应钎焊是感应圈通过感应电流对焊接区域进行加热，感应电流使钎料液化后把硬质合金与钢基体润湿，冷却后就形成一体胚件。感应钎焊的优点是能对工具局部进行迅速加热，能减轻工具变形、硬质合金过热和氧化，有利于提高焊接质量和效率，可以在空气中作业，也可以在保护气氛下作业；缺点是设备配套复杂，且体积大、资金投入高，还有感应电流的趋表效应，当钎焊大厚工件时，工件内部升温慢，加热不均匀，难于保证钎焊质量，且效率也低，所以感应钎焊一般只用于焊接结构型式简单、细长的小尺寸胚件。4.1.1感应钎焊相关工艺参数对焊接质量的影响感应圈是感应钎焊加热设备的重要元件，感应圈通过感应电流对焊件进行加热，感应圈的结构、规格尺寸是否合适对钎焊质量和生产率有很大影响。设计和制作感应圈应该使感应圈的形状与工件焊缝加热区的形状相仿，一般使用外径4~10mm的圆或扁铜管绕制而成，在不影响焊接作业的情况下，感应圈与焊件之间的间隙尽量小（实践证明间隙为1~2mm比较合适），有助于提高加热效率。为了使焊件加热平稳、均匀，防止焊件尖角处发生局部过热甚至熔化，要合理选用感应圈的匝数、形状及选用合适的感应电流频率等参数，并且最好多次试用、调整线圈参数，取得较好的方案后批量使用［2］。加热和冷却速度对焊接质量有很大影响。加热速度太快会是工具内部加热不均匀，产生内应力和变形;加热过慢会促进诸如母材晶粒长大，钎料中低沸点组元蒸发以及钎料分解等有害过程发生。通常加热以不超过100°C/s为宜。冷却速度太快，合金内部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，所以一般以60C/s为宜(见表4.2.2)［3］。焊缝间隙(焊缝厚度)是确保焊接质量的重要参数。焊缝层过薄，会发生流动填充不充分(钎不透)的缺陷，使焊接强度下降和焊接应力增加;而焊缝层过厚，则毛细作用减弱，也会导致填充不充分(钎不透)的现象，即便是填充充分，焊缝的强度也会下降，甚至自由钎料本身的强度［3］。因而大小适中的焊缝层厚度对减小焊接应力和增强焊缝牢度有很大的关系。4.2硬质合金与钢的感应钎焊工艺方法，质量问题和解决方法4.2.1焊前准备工作焊前先检查硬质合金是否有缺陷。焊接面必须符合图纸技术要求，保证合金与基体之间有平行的缝隙，才容易保证焊接质量。对硬质合金焊接面进行喷砂处理或者打磨处理，去除钎焊面上的氧化层和油脂，保证钎料液化后容易润湿硬质合金，避免发生虚焊甚至脱焊现象［2］。焊接前检查钢基体上的焊接面是否符合图纸技术要求。钢基体也要进行喷砂处理，并且清洗去除油污。干燥后再进行焊接。钎料事先裁剪下料，并用酒精或汽油清洗；有特定要求的钎料形状应与焊接面相仿［2］。实践经验证明：钢基体的焊接位局部如果没有高硬度要求的，应确保焊接区域的低硬度初始状态或对整体淬火胚料的局部进行高频局部退火处理，这样能减少钢基体淬火应力对焊缝质量的影响；如果钢基体存在淬火应力，钎焊加热再产生应力，综合作用很容易出现硬质合金变形、开裂或焊缝开裂及硬质合金脱落等质量问题。4.2.2钎焊过程及工艺参数（1）加热速度对焊接质量有明显的影响。部分硬质合金焊接时允许的加热速度如下表［3］。（2） 实践证明钎焊操作顺序和钎料、钎剂位置对钎焊质量有直接的影响。合适的顺序是：先在钢基体和硬质合金焊接位置上撒上钎剂或涂上钎剂，在固定的钢基体放上钎料，最后放上硬质合金。（3） 焊接后的冷却速度是影响钎焊裂纹的主要因素之一。冷却时硬质合金表面产生瞬间拉应力，由于硬质合金的抗拉应力远低于抗压应力，所以控制好焊接后的冷却速度非常重要。通常做法是将焊后工件立即没入石灰粉或木炭粉中，使工件缓慢冷却。这种方法操作简单，有一定回火去应力的效果，但是无法控制回火温度和效果。最好能在焊后马上将工件放入回火炉中，以320~350°C回火6h.及时低温回火处理能消除部分钎焊应力，减少裂纹产生，延长硬质合金工具的使用寿命［3］。4.2.3确定的钎焊工艺质量检验及方法验证可行的钎焊工艺一般只检查焊好胚件的硬质合金与钢基体焊缝质量以及硬质合金本身有无裂纹存在，通过对胚件成品或试片进行肉眼或显微镜观察，正常的焊缝应均匀无黑斑、气孔、裂纹；检查焊缝厚度是否符合设计要求。硬质合金钎焊胚件位置是否符合要求［3］。硬质合金划线爪，为细长薄壁工具，其工作面合金截面尺寸为：厚2.5mmx宽4mm,长度最长的有100mm左右，过去工艺为火焰钎焊，狭长的焊缝加热不易受热均匀，加热时间长，合金易被氧化以及引起工具变形，甚至合金开裂和断掉，焊缝开裂等，该工艺对工人的操作水平要求高，工艺合格率不稳定，有时批次合格率能达到80%左右，有时合格率只能达到50%左右，经常因为质量问题延误交货。改用感应钎焊后，感应圈的形状做成与工具焊缝形状相仿，根据工艺实验确定适合的加热速度，保证加热均匀，加热时间较老工艺大幅缩短，避免了氧化问题的发生，同时提高了焊接效率和质量；焊接变形比例和变形量也小了很多，后期精磨加工的加工余量也大幅减少。同时弓|入了焊前对合金和钢基体钎焊面进行喷砂、去油工艺;焊前对钢基体焊接区域的局部进行高频退火，去除了钢基体的部分淬火应力，以及焊后及时对工具进行低温时效，去除了部分焊接应力，得到的结果是焊接开裂比例大幅降低，新工艺的采用使产品合格率提升到92%~95%左右，且批次合格率基本稳定在这个水平。硬质合金材料被广泛应用于工具、耐磨零件等领域。钎焊工艺的应用，可以节省大量的贵重金属，降低生产成本的同时提高零部件的使用寿命。采取有效的钎焊工艺，使焊接效率和质量大幅提高，多年的实践和工艺改进，