pcd復(fù)合片的焊接研究 一、引言
聚晶金剛石復(fù)合片由pcd(polycrystalline diamond)層和硬質(zhì)合金基底組成。pcd層具有高硬度，硬質(zhì)合金基底則具有良好的韌性，二者結(jié)合使pcd復(fù)合片在切削加工、木材加工和鉆探等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。pcd工具的制作方法有多種，大體依據(jù)加熱方式、焊料的使用與否來劃分。制作過程中，加熱方式起著決定性的作用，焊料的選擇對焊接質(zhì)量會產(chǎn)生重大的影響，焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計也是提高質(zhì)量的重要手段。因此在pcd工具制造過程中，焊接成為其關(guān)鍵技術(shù)。
pcd復(fù)合片的焊接實質(zhì)上是硬質(zhì)合金基底與刀桿等支撐體的焊接。對硬質(zhì)合金的焊接多用mn基釬料，釬焊溫度為1000℃左右。然而pcd層的耐熱溫度一般不超過700℃，否則會造成pcd層的熱損傷，降低刀具焊接后的使用性能。因此必須尋找一種既能降低釬焊溫度、又能同時保證足夠焊接強度的焊接方法。目前pcd復(fù)合片的焊接方法有激光焊接、真空擴散焊、真空釬焊、高頻感應(yīng)釬焊、水冷釬焊、惰性氣體保護釬焊等。雖然焊接強度足夠，但有些方法所用設(shè)備的成本高、維護費用大，且其工藝過程復(fù)雜，不便于生產(chǎn)操作，大大增加了pcd復(fù)合片刀具的制作成本，不利于pcd刀具的推廣應(yīng)用。下面就各種pcd復(fù)合片焊接方法的優(yōu)缺點進行了比較分析。
二、pcd的焊接方法
1、激光焊接
激光焊(laser beam welding)是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、適應(yīng)性強等優(yōu)點。激光焊接過程屬于傳導(dǎo)焊接，即激光輻照工件表面，產(chǎn)生的熱量通過熱傳導(dǎo)向內(nèi)部傳遞。通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件達到一定的熔池深度而表面又無明顯的汽化，即可進行焊接。由于功率密度大(可達109w/cm2)，因此激光焊接過程中在金屬材料上生成小孔，激光能量通過小孔往工件的深部傳輸，減少橫向擴散，材料的融合深度大，焊接速度快，單位時間焊合的面積大。此外，激光焊接形成的焊縫深而窄，深寬比大(可達2～10)，焊合單位面積所需能量小，熱影響區(qū)小，焊接變形小。一般不加填充金屬，依賴焊件自身融合。激光焊接系統(tǒng)有高度的柔性，易于實現(xiàn)自動化。但用激光焊接時，要求被焊件有較高的裝配精度，原始裝配精度不能因焊接過程熱變形而改變，且光斑應(yīng)嚴(yán)格沿待焊縫掃描而不能有顯著的偏移，否則將造成嚴(yán)重的焊接缺陷。此外，由于激光器及其焊接系統(tǒng)的一次投資較大，焊接成本高，對母材的要求較高，參數(shù)多，對操作技能的要求高等等，都制約了激光焊接的廣泛應(yīng)用。使用激光進行pcd復(fù)合片的焊接，獲得的焊接接頭強度可高達1800mpa，且對金剛石層不會產(chǎn)生熱損傷，是一種理想的pcd焊接方法，目前多用于金剛石圓鋸片的焊接。
2、真空擴散焊
真空擴散焊(vacuum diffusion bonding)是指在較高的溫度和較大的壓力下，使處于真空中清潔的零件表面相互靠近，在相當(dāng)小的距離內(nèi)原子相互擴散從而將兩部分連接在一起的焊接方法。真空擴散焊一般是在被焊材料熔點溫度(溫度)的60%～80%的溫度下進行的，因此對于膨脹系數(shù)差異很大的材料(如pcd復(fù)合片的硬質(zhì)合金基底與45#鋼刀桿)，此種方法顯得十分有效。在進行擴散焊時，零件在真空室中的加熱是在不斷往外抽氣的情況下進行的，因而能除掉零件表面的吸附氣體和氧化膜。此外，真空擴散焊能保持工件的幾何尺寸和形狀精度，獲得具有真空密封的、熱穩(wěn)定的、抗震的接頭。因此，真空擴散焊在pcd地質(zhì)鉆頭的焊接中得到了廣泛應(yīng)用。它的應(yīng)用可保證鉆頭的質(zhì)量，提高焊接強度，增大鉆頭的進尺深度。美國桑迪亞實驗室在焊接表面進行鍍鎳處理，鍍層厚25～50μ，然后在650℃下經(jīng)受214.62mpa的壓力達4小時，進行真空擴散焊，其剪切強度為413.36～551.2mpa。
使用真空擴散焊進行pcd復(fù)合片焊接時，其焊接工藝過程復(fù)雜，焊接時間較長，成本高，需用專用設(shè)備，一次性投資很大。目前，真空擴散焊一般只用于焊接強度要求高、使用時振動較大的地質(zhì)鉆頭的焊接，還未用于大批量制造通用刀具的生產(chǎn)中。
3、真空釬焊
真空釬焊(vacuum brazing)是指在真空狀態(tài)下進行零件的釬焊焊接。由于這種方法是在無氧化氣體的氣氛中進行的，所以能獲得強度、韌性和均勻性都比較高的優(yōu)良接頭，是一種新興的焊接方法。進行真空釬焊必須采用專用設(shè)備，焊接過程中，在控制真空度的同時還要控制焊接溫度，因此工藝復(fù)雜，操作難度較大。目前，利用真空釬焊的方法進行pcd油田鉆頭的焊接，其釬縫的剪切強度可達451.9mpa。
4、高頻感應(yīng)釬焊
高頻感應(yīng)加熱技術(shù)是二十世紀(jì)初發(fā)展起來的一項加熱技術(shù)。由于它具有加熱速度快、材料內(nèi)部發(fā)熱和熱效率高、加熱均勻且有選擇性、產(chǎn)品質(zhì)量好、幾乎無環(huán)境污染、易于實現(xiàn)生產(chǎn)自動化等一系列優(yōu)點而得到迅速推廣。目前，這種加熱技術(shù)在機床制造、汽車、拖拉機制造、軸承制造、量具刃具制造及一般機械零件制造中都得到了廣泛應(yīng)用，并且其應(yīng)用范圍日益擴大，高頻感應(yīng)釬焊就是其中一個主要應(yīng)用方向。
高頻感應(yīng)釬焊(hi-frequency induction brazing)就是利用電磁感應(yīng)原理使電磁能在釬料和零件中轉(zhuǎn)化成熱能，將釬料加熱到熔融狀態(tài)，從而將零件焊接在一起的焊接方法。采用這種方法，釬焊加熱速度快，功率密度可達10～100kw/cm2，通?？稍趲酌腌妰?nèi)完成加熱過程，并能保證零件的尺寸精度，其剪切強度可達300～400mpa。
與激光焊接、真空擴散焊、真空釬焊等焊接方法比較，高頻感應(yīng)釬焊的在于其設(shè)備投資少、焊接工藝易于掌握，其缺點在于高頻感應(yīng)加熱的溫度難于控制。目前，高頻感應(yīng)釬焊pcd復(fù)合片的應(yīng)用比較廣泛，但其工藝還有待于進一步提高。
三、焊接接頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計
金剛石圓鋸片特殊的接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計增強了鋸片的使用性能，減少了掉頭率。英國de beers公司推出鑲有pcd的麻花鉆新產(chǎn)品，其新穎的接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計，減少了pcd材料的浪費，節(jié)約了開支，可以實現(xiàn)鉆頭幾何參數(shù)的變化。
四、焊接釬料、釬劑的研究
除了對焊接方法和工藝的研究外，研究人員還針對pcd復(fù)合片的特點，開發(fā)了專用的釬料和釬劑，用以改善釬料對焊接金屬的潤濕能力。如de beers實驗室開發(fā)的一種含鋼53%、金14.5%、錳29.0%、鎳3.5%的新焊料，改善了焊接質(zhì)量；含氯化鈷的釬劑能使銀基或銅基釬料很好的潤濕pcd復(fù)合片和硬質(zhì)合金表面，并能防止它們脫鈷，從而提高焊接強度，降低鉆頭的脫片率；特殊的焊前處理方法能在pcd或硬質(zhì)合金表面燒滲一層ni-co-pd合金層，填充其表面裂紋等缺陷，防止硬質(zhì)合金脫鈷，具有良好一致的潤濕性，釬縫剪切強度可達320mpa。低銀釬料的研究一直是一個重要方向，一種低銀無鎘釬料結(jié)合與之匹配的釬劑使金剛石工具的剪切強度可達179.5mpa；組成為氟化鉀、氯化鈉、氟硼酸鉀、硼酸、蒸餾水等的銀釬焊膏，在500～700℃內(nèi)可配合各種銀釬焊料使用，增加潤濕能力。與此同時，旨在降低成本、替代銀基釬料的低銀、無銀釬料的研究也很多，且效果很好。
5 結(jié)語
針對pcd耐熱性差的特點，采用水冷釬焊、惰性氣體保護釬焊等改進方法是為了減少加熱過程對pcd層的熱損傷，以相應(yīng)地提高焊接溫度，獲得更高的焊接強度。
在改進現(xiàn)有技術(shù)的同時，新的制作方法也不斷涌現(xiàn)。美國宇航局噴氣推進實驗室開發(fā)了一種焊接碳化鎢和金剛石硬釬焊接點的微波加熱工藝。這種接點能承受硬巖石鉆探溫度達900℃，并能用來制造鉆地?zé)峋玫慕饎偸繉鱼@頭。其原理是利用微波具有選擇性加熱的特點，不使金剛石過熱又能夠達到釬焊溫度的要求。為了連接材料，把厚2～3mm的金剛石圓盤放在厚0.08～0.8mm釬焊層間的頂部(釬焊層位于碳化鎢襯底上面)。將這個裝置放在微波室的強電場中，加熱到釬料熔化為止。釬料及其尺寸是根據(jù)焊件不同熱膨脹系數(shù)使得接點強度達到而殘余應(yīng)力最小來確定的。
綜上所述，合理的加熱方式是具有革命性意義的，可以帶來焊接質(zhì)量的大幅度提高。接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計和釬料、釬劑的合理選擇以及水冷、保護氣體等輔助措施，均可改進現(xiàn)有技術(shù)的不足。