0I:10133745ism001-0x199a06013 第21卷第6期 北京科技大学学报 Vol.21 Ne.6 1999年12月 Journal of University of Science and Technology Beijing Dec.1999 金刚石锯片的激光焊接 夏锦华” 殷声”叶宏煜2) 胡恩良2 1)北京料技人学材料科学与工程学院，北京1000832)深圳森达超硬材料有限公司 摘要研究了激光焊接工艺参数对金刚石锯片焊接质量和焊缝成分组织及性能的影响.结果表 明，激光功半、焊速，离焦量等对牌接质量有影有.焊缝组织由a-Fε和Fe,Ni)固溶相组成。 关键词金刚石：锯片：激光焊接 分类号TF1248 80年代末金刚石锯片的激光焊接在国外开 钢基对接焊接具有良好的焊接性， 始应用.该法克服了传统焊接方法的一些缺点， (2)光束质量.光束质量影响焊接深度和形 例如承受机械载荷的能力差等”.本文的研究目 状，在相同的条件下，光束模式不同则焊缝深度 的在于探索金刚石锯片激光焊接工艺与焊接质 与形状明显不同：图1照片是在一定工艺条件下， 量的关系，为这一新技术在金刚石制品的应用中 光束模式对焊缝的影响：图1(@)是高阶模焊接结 提拱依据。 果，焊缝宽且不均匀，这是高阶模光束能量分布 不均匀造成的：图1(6)是低阶模焊接结果，焊缝 1实验方法 窄且平直均匀. 将锯齿胎体粉末和过渡层粉末装入石墨模 具热压，热压温度为900℃，压力19.6MPa,时间 10min,锯齿胎体成分（质量分数）为45%6-6-3青 铜，30%钴，10%碳化钨.15%镍，锯片钢基为40Cr. 采用对接方式焊接钢基和锯齿，本实验使用5kW 横流连续CO激光器.采用扫描电镜、X射线衍射 分析和显微硬度对焊接接头进行了分析，并测试 了纯胎体材料及焊接接头的抗弯强度， mm 2结果与讨论 2.1影响焊接质量的工艺参数 (1)锯齿材料.为了试验胎体材料与钢基焊接 的可行性，实验中用激光束直接树接焊接胎体材 料与40Cr钢基体.SEM观察表明，焊接熔合线处 存在裂纹，焊缝强度低. 出现裂纹的原因是钢基与胎体材料的热性 I mm 质相差较大，即“冶金相容性“差.为了改善其焊 接性，在锯齿底部设置了铁镍基过渡层.镍与铁 图1光束模式对焊缝的影响.()高阶模式：(b)低阶模式 在液态和固态都能无限互溶，镍还起到·定程度 (3)激光功率.在实验条件下，激光功率与格 的强化作用.实验证明设有过渡层的锯齿与40Cr 深的关系曲线示于图2.由图可见，随着功增 加，熔深也随之增加，且在侧吹气体的条件下能 1999-0324收稿夏锦华男，29岁，工程师 获得更大的熔深
DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1999．06．013
Vol,21 No.6 夏锦华等：金刚石锯片的激光焊接 ·561· 3.0 当离焦量为-1.0mm时，可获得最大焊接深 侧吹Ar气 度，试验中还发现，焊速的变化对最佳离焦量影 2.0 人 响不大，就焦距和功率而言，焦距越短，功率越 未加侧吹 大，则离焦量也应随之增大. 1.0 (6)等离子体的控制.等离子体能反射、折射 0 和吸收入射的激光束，对激光束起着屏蔽作用， 0 0.50.70.9 1.1 1.3 使激光束损失能量，也使熔深下降。本试验采用 W/kW 侧吹Ar气的方法来控制等离子体，见图5. 图2熔深与激光功率的关系 等离子体控制对焊接熔深的影响，试验了侧 (4)焊接速度.激光深穿透焊时，焊速因小孔 吹气流量、侧吹喷嘴角度和喷嘴孔径. 效应而受到限制，实验发现，功率一定时，稳定的 a一侧吹角度 小孔对应于一定的焊速范围，焊速过快，小孔不 :一侧吹高度 稳定甚至不能形成：焊速过慢，小孔瘫塌，过低的 激光度 d一侧吹嘴孔径 焊速还会导致热能输入过大，焊缝组织、性能恶 化甚至出现宏观裂纹.图3是在试验条件下，焊 缝深度、宽度与焊速的关系，熔深、缝宽均随焊速 的增加而减少，当焊速大于15mm/s时，焊缝深宽 比大于1. 4.0r 缝宽 图5等离子体控制示意图 熔深 3.0 (7)光束偏移量.金刚石锯片的激光焊接，要 2.0 求焊接时光束不是直接作用于对接缝处，而是偏 向钢基一侧，即光束偏移量.试验表明，焊缝中的 0 气孔量对光束偏移量十分敏感，合适的偏移量可 0 10 20 30 焊速/mms1 以减少焊缝中的气孔. 图3焊缝深度、宽度与焊速的关系 假设焊缝中过渡层所占体积为V,孔隙度为 0,钢基所占体积为V2,其孔隙度为0.焊接时熔 (⑤)离焦量.试验发现，离焦量也影响焊接深 池中既无外来气体卷入，也无内部气体逸出，焊 度，离焦量是指光束焦点平面与被照射工件表面 后焊缝气孔率为8'，则： 的距离.当焦点面位于工件表面之上时，为下离 焦：反之为负离焦.图4是在一定条件下，熔深与 9919· 离焦量的关系曲线 从式中可以看出，随着减小，增大（即光 束偏向钢基侧)，则'减小，即焊缝气孔率下降. 3.0 2.2焊缝的成分组织及性能 在较佳工艺条件下，焊缝化学成分见表1. 表1焊缝成分（平均值） 2.0 元素 Ni Cr C Fe w/% 3.440.67 0.12余量 1.0 X线衍射分析表明，焊缝由a-Fe和y(Fe,Ni) 0.7 固溶体体组成，没有出现金属间化合物和金属碳 化物a-Fe的测量d值与标准d值存在差别，可以 -2.5 -2.0-1.5-1.0-0.500.51.0 推断a-Fe实际上是含有一定量碳原子的固熔体， 离焦量/mm 焊缝组织由焊缝成分和冷却速度等因素决 图4焊接熔深与离焦量的关系 定.激光焊接时焊缝成分不均匀性决定了其组织
夏锦华等 金刚石锯片的激光焊接 侧吹 气 未加侧吹 当离焦量为一 时 ， 可获得最大焊接深 度 试验 中还发现 ， 焊速的变化对最佳离焦量影 响不大 ， 就焦距和 功率而言 ， 焦距越短 ， 功率越 大 ， 则离焦量也应随之增大 等离子体的控制 等离子体能反射 、 折射 和 吸收入射 的激光束 ， 对激光束起着屏蔽作用 ， 使激光束损 失能量 ， 也使熔深下 降 。 本试验采用 侧吹 气 的方法来控制等离子体 ， 见 图 等离子体控制对焊接熔深 的影响 ， 试验 了侧 吹气流量 、 侧吹喷嘴角度和 喷嘴孔径 繁遥嗽日 环帐 图 熔深与激光功率的关系 焊接速度 激光深 穿透焊时 ， 焊速因小孔 效应而受到限制 实验发现 ， 功率一定时 ， 稳定 的 小孔对应于一定的焊速范围 ， 焊速过快 ， 小孔不 稳定甚至不能形成 焊速过慢 ， 小孔瘫塌 ， 过低 的 焊速还会导致热能输入过大 ， 焊缝组织 、 性能恶 化甚至出现宏观裂纹 ‘ 图 是在试验条件下 ， 焊 缝深度 、 宽度与焊速的关系 熔深 、 缝宽均随焊速 的增加而减少 当焊速大于 时 ， 焊缝深宽 比大于 「 、 缝宽 激光度 一侧吹角度 八一侧吹高度 ‘卜侧吹嘴孔径 铜“ 畏轰 资 熔深 一 一 二一一一一 一一习一一一一 一一一二二竺乞 焊速加 · 一 ’ 圈 焊缝深度 、 宽度与焊速的关系 离焦量 试验发现 ， 离焦量也影 响焊接深 度 离焦量是指光束焦点平面与被照射工件表面 的距离 当焦点面位于工件表面之上时 ， 为下离 焦 反之为负离焦 图 是在一定条件下 ， 熔深与 离焦量的关系曲线 图 等离子体控制示意图 光束偏移量 金 刚石锯片的激光焊接 ， 要 求焊接时光束不是直接作用于对接缝处 ， 而是偏 向钢基一侧 ， 即光束偏移量 试验表 明 ， 焊缝中的 气孔量对光束偏移量十分敏感 ， 合适的偏移量可 以减少焊缝 中的气孔 假设焊缝 中过渡层所 占体积 为 私 ， 孔隙度为 ， 钢基所 占体积为 矶 ， 其孔隙度 为 焊接时熔 池 中既无外来气体卷入 ， 也无 内部气体逸出 ， 焊 后焊缝气孔率为 ‘ ， 则 映拟嗽娜月日 。 ， 环 口 ’ 万下二兮 芬 二 二甲一不 几不万二 。 厂 厂 厂 厂 从式 中可 以看 出 ， 随着 减小 ， 矶 增大 即光 束偏 向钢基侧 ， 则夕 减小 ， 即焊缝气孔率下 降 焊缝 的成分组织及性能 在较佳工艺条件下 ， 焊缝化学成分见表 表 焊缝成分 平均值 元素 从 乙气 软蜓遥日 一 一 一 一 一 离焦量 图 焊接熔深与离焦量的关系 线衍射分析表 明 ， 焊缝 由 一 和洲 ， 固溶体体组成 ， 没有 出现金属 间化合物和金属碳 化物以一 的测 量 值与标准 值存在差别 ， 可 以 推断“ 一 实际上是含有一定量碳原子 的固熔体 焊缝组 织 由焊缝成 分 和 冷却 速度等 因 素决 定 激光焊接 时焊缝成分不均匀性决定了其组织
·562· 北京科技大学学报 1999年第6期 有不均匀性.极快的冷却会使组织细化，有助于提 的变化与组织有关.焊缝区(3区)为马氏体和少 高焊缝性能.图6是典型的焊缝组织，即板条马氏 量铁素体，硬度较高：钢基侧热影区(4区)为马 体与先共析铁素体的混合组织. 氏体组织，碳含量高，表现出最高的硬度：锯齿 侧热影区(2区)主要是铁素体组织，硬度最低。 抗弯强度试样尺寸为20.0mm×8.0mm×2.0 mm.胎体材料和焊接接头的抗弯强度分别为 704.0MPa和821.0MPa,焊接接头的抗弯强度于 母材强度， 3结论 (1)锯齿材料对金刚石锯片激光焊接质量有 很大影响，在锯齿待焊处设置过渡层可改善胎 图6典型的焊绩组织 体材料与钢基的焊接性 焊接接头的显撤硬度，见图7，焊接接头硬度 (2)激光功率、焊速、离焦量及等离子体控制 刀头铜基 等工艺参数影响焊接深度，光束应偏向钢基一 800 侧 (3)焊缝的典型组织为细小板条马氏体与铁 600 素体的混合组织，主要由a-Fe和y(Fe,Ni)固溶 体两相组成. 400 (4)在合适的工艺条件下，焊接接头的抗弯 强度高于锯齿材料强度， 200 参考文献 1 Webber G.Laser Welding of Diamond Tools.Industral Diamond Review,1991(3):126 0.70.9 1.31.71.92.12.32.5 距离mm 2何康生，曹雄夫异种金属的焊接性，北京：机械工业出 图7焊接接头的显搬硬度 版杜，1986 3 Novakovic B.A Diamond Blade for Dry Sawing.Indutral Daimond Review,1983(1):220 Laser Welding of Diamond Saw Blade Xia Jinhua.Yin sheng".Yie Hongyue",Hu Enlian 1)Materials Science and Engineering School.UST Beijing.Beijing 100083.China 2)Shengxhen Shen Da Superhard Material Co.Ltd ABSTRACT It was studied that the effects of technological parameters on laser welding quality of diamond saw blade and on the composition,microstrure.properties of welded seam.The results showed that satisfactory welding quality dependends on the power.velocity,laser body of laser welding,and it consists of a-Fe and y (Fe,Ni)composite. KEY WORDS diamond;saw blode;laser welding