摘要：介紹了激光焊接金剛石鋸片的焊接過(guò)渡層材料選擇，主要工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響和選取原則，焊件檢測(cè)技術(shù)等。
　　
　　關(guān)鍵詞：激光金剛石據(jù)片焊接
　　
　　引言
　　
　　金剛石鋸片廣泛應(yīng)用于石材加工、建筑施工、高速公路和飛機(jī)場(chǎng)跑道等領(lǐng)域的切割或切縫。金剛石鋸片是在鋼材刀體上焊接一些由金剛石顆粒與粘結(jié)金屬燒結(jié)在一起的刀頭，其焊接屬于不同材料、不同組織之間的異種金屬焊接，焊接的關(guān)鍵在于其結(jié)合強(qiáng)度的高低。傳統(tǒng)焊接方法是燒結(jié)焊及釬焊，此兩種方法焊接焊縫的結(jié)合強(qiáng)度(尤其是高溫時(shí))不夠高，鋸切過(guò)程中易發(fā)生刀頭飛崩傷人等事故，鋸片的安全可靠性不好。激光焊接的金剛石鋸片是中、小型金剛石鋸片的發(fā)展方向。激光焊接使金剛石鋸片的結(jié)合強(qiáng)度大大增加，能最大限度地滿足其各種需要，焊接工藝先進(jìn)、可靠，取代傳統(tǒng)的中、小直徑金剛石鋸片焊接片勢(shì)在必行。激光焊接系統(tǒng)示意圖如圖1所示。激光束由激光器窗口輸出之后，經(jīng)一與光束成45°的反射鏡垂直折射后，進(jìn)入透射式聚焦系統(tǒng)，成為一極細(xì)的光斑照射到被焊工件上。下面對(duì)激光焊接金剛石鋸片工藝進(jìn)行分析，以供石材加工工具制造廠商借鑒和參考。
　　　　
　　1焊接過(guò)渡層材料
　　
　　金剛石鋸片由鋼基體和圓弧形刀頭兩部分組成。鋼基體以碳鋼和合金鋼為主，但適用于激光焊接金剛石鋸片的基體材料一般應(yīng)選用高強(qiáng)度特種低碳合金鋼，傳統(tǒng)的40Cr和45鋼因基體強(qiáng)度不夠容易變形而不主張使用；傳統(tǒng)的65Mn高碳鋼因在激光焊接基體熱影響區(qū)部位容易產(chǎn)生大量的高脆性針狀馬氏體也不主張使用。刀頭為銅基、鐵基、鎳基、鈷基、鎢基和鋁基粉末摻金剛石熱壓燒結(jié)成型。如何將二者可靠地焊接在一起，是激光焊接金剛石鋸片工藝的關(guān)鍵技術(shù)之一。為了避免刀頭中金剛石顆粒在激光焊接高溫下石墨化(人造金剛石的碳化溫度為740℃-838℃)和因刀頭與鋼基體的熱膨脹相差過(guò)大而產(chǎn)生焊接裂紋，通常需要在刀頭內(nèi)側(cè)設(shè)置一層無(wú)金剛石顆粒的過(guò)渡層(見(jiàn)圖2)，其厚度在1.0mm-2.0mm范圍內(nèi)，其中過(guò)渡層與刀頭則是通過(guò)冷壓成型+熱壓燒結(jié)工藝連接在一起。激光焊接時(shí)，過(guò)渡層與鋼基體焊接在一起，因此，刀頭過(guò)渡層材料的選取將嚴(yán)重影響激光焊接金剛石鋸片的外觀和焊縫強(qiáng)度。根據(jù)激光焊接金剛石鋸片使用性能與生產(chǎn)工藝要求，激光焊接刀頭過(guò)渡層須滿足下列要求：夠高的焊接強(qiáng)度、良好的焊縫質(zhì)量、合理的配方組分最優(yōu)的燒結(jié)溫度和低廉的成本。目前選作刀頭過(guò)渡層材料成分的元素可分為單元素(Co，Ni)，雙元素(如FeCo，F(xiàn)eNi，CoNi，F(xiàn)eCu)和3元素(如FeCoNi，F(xiàn)eCoCu)3種情況，但過(guò)渡層中不能含有熔點(diǎn)金屬如錫等元素，原因在于這些元素容易蒸發(fā)汽化而產(chǎn)生氣孔，但可加入少量的起固溶強(qiáng)化、增加磨性和減少焊接氣孔作用的Mn和Cr元素。大量實(shí)際配方表明：Co作為過(guò)渡層材料成分十分有利的，因?yàn)殇摶w和鈷基材料之間能形成和Fe的無(wú)限固溶體，實(shí)現(xiàn)鋼基體與過(guò)渡層之間良好冶金結(jié)合，但因價(jià)格因素則必須設(shè)法減少或降低其用量，這也是過(guò)渡層材料配方研究的主要目標(biāo)。
　　　　
　　2焊接工藝
　　
　　金剛石鋸片的激光焊接屬于不同厚度的異種材料焊接，影響其焊接質(zhì)量的因素很多，包括焊前準(zhǔn)備、激光光束質(zhì)量、激光功率、焊接速度、焦點(diǎn)位置、激光束偏移量、激光束的入射角、保護(hù)氣體流量等，而目前有關(guān)這方面的研究應(yīng)該說(shuō)是比較成熟的。
　　
　　2.1光束質(zhì)量
　　
　　目前國(guó)內(nèi)外激光焊接金剛石鋸片所用激光器主要為1000-5000W的C02激光器。其模式多為基模、準(zhǔn)基模或者低階模。評(píng)價(jià)光束質(zhì)量通常以光束模式來(lái)表征，光束模次越高，發(fā)散角越大，光束質(zhì)量越差。就焊接而言，光束質(zhì)量主要影響焊縫熔深和形狀，在相同條件下，模式不同，則焊接深度明顯不同；光束模式對(duì)焊縫形狀也有影響，高階模式焊接焊縫較寬且不均勻，這是由于高階模(TEM00)的光束能量分布不均勻引起的；低階模(TEM01)焊接，焊縫較細(xì)且平直均勻。因此，應(yīng)采用基模或低階模，若模次偏高，則難以滿足焊接質(zhì)量的要求。
　　
　　2.2功率
　　
　　激光功率是影響焊接的最重要因素，一定的功率對(duì)應(yīng)一定的功率密度，決定一定的熔深。產(chǎn)生小孔效應(yīng)、進(jìn)行深熔焊接的前提是聚焦激光焦斑有足夠高的功率密度。根據(jù)激光功率密度的大小，激光焊接有兩種方式：(1)熱傳導(dǎo)焊，(2)深熔穿透焊。功率密度較低時(shí)(<106W/cm2)，材料表面熔化，焊縫很淺(<0.5mm)，焊接時(shí)不產(chǎn)生等離子體，這就是熱傳導(dǎo)焊。功率密度大于106W/cm2，則被焊金屬急劇氣化，形成匙狀深孔，出現(xiàn)等離子體，從而實(shí)現(xiàn)激光深穿透焊接，此時(shí)熔深急劇增加。隨著激光功率的增加，焊縫深度也隨之增加，功率大于0.7kW時(shí)，焊接方式由熱傳導(dǎo)焊向深穿透焊過(guò)渡。
　　
　　2.3焊接速度
　　
　　激光深穿透焊時(shí)，焊速因小孔效應(yīng)而受到限制。當(dāng)激光功率一定時(shí)，焊接速度決定了焊接深度，進(jìn)而影響焊接強(qiáng)度。焊接速度過(guò)快，一方面熔深淺，另一方面熔池中的氣體來(lái)不及逸出，焊縫中就存在大量氣孔，有效承載面積減小，焊接強(qiáng)度降低；焊接速度過(guò)慢，一方面過(guò)渡層燒損嚴(yán)重，另一方面熱影響區(qū)增大，組織粗化嚴(yán)重，也使焊接強(qiáng)度降低。在保證焊接深度的前提下，應(yīng)該選擇高的焊接速度，以提高生產(chǎn)效率，降低成本。另外，過(guò)低的焊速會(huì)導(dǎo)致熱能輸入過(guò)大(J=P/V，式中，J一輸入熱能，P-激光功率，V-焊速)，焊縫的組織和性能惡化，甚至?xí)霈F(xiàn)宏觀裂紋。熔深、縫寬隨焊速的增加而減小，當(dāng)焊速大于15mm/s時(shí)，焊縫深寬比大于1，適當(dāng)提高焊速，可以提高深寬比。
　　
　　2.4離焦量
　　
　　激光束的焦斑功率密度并不等于作用于工件的光斑功率密度，后者還取決于焦斑平面與件表面的相對(duì)位置(離焦量)，此位置對(duì)激光焊接過(guò)程有顯著的影響。離焦量嚴(yán)重影響金剛石鋸片的焊接熔深。大量的研究結(jié)果表明，激光焊接金剛石鋸片時(shí)，一般采用負(fù)離焦，且離焦量約為板厚的1/3，此時(shí)獲得的熔深最大。由于激光焊接金剛石鋸片屬于小孔效應(yīng)焊接機(jī)制，而小孔的形成常伴有明顯的聲、光特征，若未形成小孔，則焊接火苗是橘紅色或白色；若形成小孔，則焊接火苗為藍(lán)色，并伴有爆炸聲，故常據(jù)此確定和調(diào)整離焦量。
　　
　　2.5惰性保護(hù)氣體
　　
　　激光焊接金剛石鋸片時(shí)需要使用惰性保護(hù)氣體，其作用有：避免焊件的氧化；保護(hù)聚焦透鏡，避免受到金屬蒸汽污染和熔化液滴的濺射；吹散激光焊接過(guò)程中可能產(chǎn)生的等離子體。有關(guān)惰性保護(hù)氣體涉及保護(hù)氣體種類選擇、流量大小控制、吹氣方式3個(gè)問(wèn)題。根據(jù)焊接質(zhì)量和氣體成本的要求，一般選用氫氣。氣體流量大小的控制與噴嘴口徑、噴嘴與工件距離有關(guān)。氣流量太小，起不到保護(hù)作用，焊縫氧化嚴(yán)重，呈脆性；氣流量太大，一方面周?chē)目諝夥炊还M(jìn)焊接熔池，焊縫照樣氧化嚴(yán)重，另一方面，大的氣流量會(huì)吹翻焊接熔池，使得焊接過(guò)程的穩(wěn)定性被破壞，焊縫成型性差，焊接強(qiáng)度降低。實(shí)際中常采用側(cè)吹氫氣的方法來(lái)吹散等離子體。
　　　　
　　2.6激光束偏移量與激光束入射角
　　
　　金剛石鋸片的激光對(duì)焊焊接的是厚度不同的兩種材料，屬于角焊，因此光斑橫向位置(偏移量)及激光入射方向?qū)附淤|(zhì)量有較大影響。激光焊接金剛石鋸片時(shí)，由于刀頭比基體厚(見(jiàn)圖4，其中為光束傾斜的角度，△為激光束的偏移量，h為離焦量，s為工件厚度)，以及刀頭過(guò)渡層的粉末材料特性(因過(guò)渡層不可避免存在孔隙，且極易吸收空氣中水分而產(chǎn)生焊接氣孔)，因此要求激光束偏向基體一側(cè)，并保持一定的偏移量，同時(shí)也要傾斜一定角度，以獲得最佳角焊效果。大量的研究結(jié)果表明：焊縫中的氣孔量與激光束偏移量密切相關(guān)，合適的偏移量可以減少焊縫中的氣孔，從而提高焊接強(qiáng)度。偏移量太大焊縫外觀很漂亮，但刀頭過(guò)渡層未焊上或焊得很少，實(shí)為虛焊；偏移量太小，氣孔多，影響外觀質(zhì)量，也降低焊接強(qiáng)度。另外，角焊時(shí)，為避免發(fā)生激光束垂直入射時(shí)，光束被凸起的過(guò)渡層遮擋，激光束需要傾斜射向焊接部位。總之，只有在合適的入射角和偏移量下，鋼基體材料首先熔化，然后依靠熔化的鋼基體材料再加熱熔化刀頭過(guò)渡層材料，由于過(guò)渡層中的鉆和鋼基中的鐵可形成無(wú)限固溶體，因此鋼基體就可與刀頭過(guò)渡層形成良好的冶金結(jié)合。目前激光束偏移量的合適值為0.1mm-0.3mm；激光入射角的合適值則為5°-15°。
　　　　
　　3焊件檢測(cè)
　　
　　對(duì)于激光焊接的金剛石鋸片而言，需要進(jìn)行外觀、顯微組織和焊接強(qiáng)度等參量的檢測(cè)。外觀檢測(cè)主要檢測(cè)是否存在焊接宏觀缺陷如孔洞裂紋、咬邊和未焊透等，通常需要進(jìn)行100%的檢測(cè)，顯觀組織檢測(cè)主要檢測(cè)焊接部位的化學(xué)成分、顯觀組織和相結(jié)構(gòu)的變化，研究表明，熔化區(qū)組織細(xì)小化學(xué)成分出現(xiàn)梯度擴(kuò)散、過(guò)渡層硬度比基體低，比刀頭高，呈現(xiàn)梯度變化。焊接強(qiáng)度檢測(cè)主要檢測(cè)焊件的拉仲?gòu)?qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊韌性和殘余應(yīng)力等，通常需要進(jìn)行100%的焊接強(qiáng)度檢測(cè)，而且國(guó)內(nèi)外都發(fā)展了不同的專門(mén)檢測(cè)工具，如德國(guó)的SPE623焊接強(qiáng)度檢測(cè)機(jī)和中國(guó)的扭力扳手目前對(duì)于焊件的殘余應(yīng)力檢測(cè)基本未涉及，而焊接后的殘余應(yīng)力大小及分布嚴(yán)重影響金剛石鋸片的使用壽命。
　　
　　4結(jié)束語(yǔ)
　　
　　光束質(zhì)量對(duì)金剛石鋸片激光焊接的表觀質(zhì)量有很大影響，采用TEM01以下的低階模較合適。激光功率、焊接速度、離焦量及等離子體的控制等工藝參數(shù)影響焊接熔深。在合適的工藝條件下，可以一次焊透厚2.4mm的40Cr鋼板，焊縫寬度為0.8-1.2mm，深度比為1.7-3.0mm。光束偏移量是偏片激光焊接的一個(gè)重要工藝參數(shù)。鋸片焊接時(shí)應(yīng)將光束偏向據(jù)片鋼基一側(cè)。目前，激光焊接金剛石鋸片工藝還存在一些問(wèn)題，需要我們進(jìn)行更進(jìn)一步的研究，開(kāi)展專用激光焊接金剛石鋸片胎體或過(guò)渡層材料配方的研究、開(kāi)展新型超細(xì)或納米預(yù)合金粉末的研究、開(kāi)展激光焊接金剛石鋸片的機(jī)理研究，特別是開(kāi)展激光焊接金剛石鋸片過(guò)程中的溫度場(chǎng)、流場(chǎng)、質(zhì)場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的研究和開(kāi)展激光焊接金剛石鋸片過(guò)程的在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)的研究。事實(shí)上，只有全面理解了激光焊接金剛石鋸片的機(jī)理，才可能據(jù)此開(kāi)發(fā)出新的在線質(zhì)量監(jiān)測(cè)技術(shù)；只有掌握了預(yù)合金粉末的理論，才可能開(kāi)發(fā)出新型超細(xì)或納米預(yù)合金粉末以及更好地利用新型超細(xì)或納米預(yù)合金粉末開(kāi)發(fā)出專用的金剛石鋸片。