Laser welding of diamond core drills

Zhu Haihong,Tang Xiahui,Zhu Guofu

(National Engineering Research Center for Laser Processing,HUST，Wuhan ,430074)

　　Abstract：This paper deals with the laser welding of diamond core drills and the effect of technical parameters such as the focus position,beam power density and welding speed on the welding strength.The experiment results provide the better technical parameters to correct the practical welding procedure.
　　Key　words：diamond core drills　laser welding　process parameter

引　　言

　　金剛石取芯鉆頭不僅在地質(zhì)勘探中有重要地位，更因?yàn)槠渚哂秀@進(jìn)速度快、石材損耗小、不破壞周邊環(huán)境等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于大理石、花崗石、鋼筋水泥墻面的鉆孔。金剛石鉆頭是在鋼的基體上連接一種由金剛石和胎體材料熱壓而成的一種復(fù)合燒結(jié)體，常稱之為刀頭。國內(nèi)的鉆頭常采用釬焊的方法連接。金剛石取芯鉆頭工作時(shí)由于轉(zhuǎn)速極快，受強(qiáng)烈的沖擊和震動(dòng)，需要高的剪切強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度。釬焊的鉆頭刀頭經(jīng)常由于高速鉆進(jìn)發(fā)熱引起釬料熔化而脫落^［1］。所以，國外從80年代后期就發(fā)展用激光焊代替釬焊，激光焊與釬焊比較有如下優(yōu)點(diǎn)：由于基體與刀頭是冶金結(jié)合，強(qiáng)度高，刀頭不易脫落，特別是在無水的情況下；焊縫為細(xì)小均勻的柱狀晶組織，不易產(chǎn)生裂紋，保證鉆頭在高速鉆進(jìn)時(shí)不致于開裂而產(chǎn)生危險(xiǎn)；焊縫和熱影響區(qū)極窄，對(duì)金剛石沒有影響，保證了產(chǎn)品的最佳性能；易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，效率高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，并且產(chǎn)品的平均成本低。
　　金剛石取芯鉆頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前國外市場(chǎng)需要的激光焊鉆頭幾乎與激光焊鋸片相當(dāng)，市場(chǎng)潛力很大，利潤(rùn)也相對(duì)較高。由于金剛石取芯鉆頭的刀頭是粉末冶金材料，不可避免地存在孔隙，焊接難度大；基體與刀頭是異種材料的焊接，刀頭比基體厚，難于雙面焊接，所以比起金剛石圓鋸片來焊接難度更大，目前國內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)這方面的報(bào)道。我們經(jīng)過幾百次的試驗(yàn)和探索，取得了較好的效果，成功地解決了關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)品全部出口，用戶反映良好。

Fig.1　The structure of the diamond core drills

1　試驗(yàn)裝置及方法

　　試驗(yàn)是在美國進(jìn)口的快速縱流激光器上進(jìn)行，該機(jī)是美國80年代先進(jìn)產(chǎn)品，型號(hào)為EFA-51，輸出模式為TEM₀₀和TEM₀₁，最大輸出功率為1500W。選用f=100mm的GaAs聚焦透鏡，通同軸保護(hù)氣體Ar氣以保護(hù)焊縫及透鏡。鉆頭基體和刀頭被裝夾在專用的夾具上。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)能帶動(dòng)夾具及鉆頭作圓周運(yùn)動(dòng)，并且能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)角度，試驗(yàn)裝置如圖2所示。激光束稍偏于基體一側(cè)，并采用一定的負(fù)離焦。為使刀頭基體吻合良好，刀頭焊前須磨弧、去毛刺，以免漏光損失能量；為減少焊接缺陷，焊前必須去除焊接部位及其附近的油污、氧化皮和水分。
　　基體材料為普通的45^#鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，厚2mm；由于金剛石在高溫下易石墨化，激光焊接時(shí)會(huì)在焊縫中出現(xiàn)空洞，所以，刀頭需設(shè)計(jì)1.5mm～2mm的過渡層，作者通過大量的試驗(yàn)，選取一種特殊的Co混合物作為過渡層，刀頭厚3mm。
　　鉆頭焊后，目測(cè)和用10倍放大鏡觀測(cè)焊縫外觀，檢驗(yàn)焊縫有無氣孔、咬邊、裂紋等宏觀缺陷，然后采用DSA標(biāo)準(zhǔn)用專用的彎曲強(qiáng)度檢測(cè)儀檢驗(yàn)每個(gè)刀頭的彎曲強(qiáng)度。

Fig.2　The schematic diagram of laser welding
a—offset　h—focal point height　β—beam incident angle

2　試驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1　材質(zhì)分析
　　基體材料在激光焊條件下有較好的焊接性。刀頭則不一樣，由于是粉末冶金材料，焊接時(shí)極易出現(xiàn)氣孔甚至空洞，當(dāng)焊接參數(shù)不當(dāng)時(shí)，還會(huì)產(chǎn)生裂紋，極大地影響了焊接強(qiáng)度。刀頭的性能對(duì)焊接性能的影響非常大，機(jī)械性能好且致密的刀頭在激光焊條件下，只要焊接參數(shù)選擇得當(dāng)，就能得到符合使用性能的焊縫，其抗彎強(qiáng)度可達(dá)到或超過1800N/mm²，斷在刀頭。在材料一定時(shí)要使刀頭性能優(yōu)良，首先必須提高刀頭壓制密度，可采用選擇顆粒細(xì)、形狀均勻之粉末壓制，另外，在不影響金剛石性能的前提下，盡量提高燒結(jié)溫度和壓制壓力，并選擇合適的保溫時(shí)間對(duì)提高刀頭的機(jī)械性能很有必要。刀頭內(nèi)不可避免的存在孔隙，刀頭的密度是不能達(dá)到理論值的，但是合適的壓力、溫度以及保溫時(shí)間、粉末混合時(shí)間及速度都是刀頭致密和均勻的重要保證，從而保證有良好的焊接性能。試驗(yàn)表明：當(dāng)單位壓力在20MPa左右、溫度在800℃左右、保溫時(shí)間為4min時(shí)，即可得到能滿足激光焊需要、又不損壞模具及金剛石性能的刀頭。刀頭的密度對(duì)焊縫強(qiáng)度的影響最大，低密度的刀頭焊接出來的焊縫強(qiáng)度是很低的，幾乎不可能達(dá)到所需強(qiáng)度。
2.2　焊接工藝研究
　　焦點(diǎn)位置　在光路系統(tǒng)一定的條件下，焦點(diǎn)相對(duì)于材料表面的位置對(duì)熔深、熔寬、熔化效率的影響很大。在本試驗(yàn)中，采用負(fù)離焦可以增加熔深，離焦量約為 0.3mm，為減少焊接時(shí)飛濺，保護(hù)透鏡，降低刀頭材料合金元素的燒損，焦點(diǎn)應(yīng)偏向基體一邊0.1mm左右；為獲得最佳角焊縫效果，入射激光應(yīng)傾斜6° ～11°左右；反面焊接時(shí)，我們?cè)诠饴废到y(tǒng)中增加一個(gè)反射鏡，置于鉆頭基體筒內(nèi)，將激光束反射到所須位置，如圖3所示，成功地解決了鉆頭因單面焊接易出現(xiàn)強(qiáng)度不穩(wěn)定的問題。

Fig．3　Schematic diagram of reverse welding

　　激光功率密度　激光功率密度是決定焊縫穿透深度的主要參數(shù)。在光斑直徑一定的情況下，功率密度正比于激光功率。功率越高，允許焊接的板厚越大，焊接速度越快，生產(chǎn)效率越高，但是過大的激光功率會(huì)使焊縫外觀變壞，由于溶池翻滾，易產(chǎn)生一波一波的突起和空洞，嚴(yán)重降低了焊縫有效承載面積，抗彎強(qiáng)度降低；即使在焊后檢驗(yàn)中能達(dá)到所需強(qiáng)度，在切削過程中因?yàn)閼?yīng)力其中，裂紋由孔洞處擴(kuò)展，出現(xiàn)明顯的疲勞斷裂特性；此外，高的焊接功率還會(huì)使熔池中的化學(xué)物理反應(yīng)劇烈，飛濺增多，污染透鏡；由于過渡層材料與金剛石胎體材料的熱脹系數(shù)不一樣，在過高的焊接功率條件下，易在兩層相接處由于過熱而產(chǎn)生裂紋。雙面焊接ø82 的鉆頭，在光斑直徑為0.4mm時(shí)，用功率900W能取得較好的焊接效果。在試驗(yàn)中我們發(fā)現(xiàn)，采用小規(guī)范焊接的方法焊接鉆頭能取得好的焊接效果。比起金剛石圓鋸片而言，焊接鉆頭的激光功率要相對(duì)高些，這是因?yàn)榧す馊肷湓趫A的鉆頭基體上被部分反射掉的緣故，如圖4所示。

Fig.4　Scheme of laser beam reflection on piece surface

　　焊接速度　焊接速度同激光焊接功率一起影響著焊接區(qū)域的熱輸入，因而對(duì)焊縫的形狀和尺寸有較大的影響，隨著焊接速度的增加，焊縫寬度降低，熔深減少，生產(chǎn)率提高。過大的焊接速度會(huì)使焊縫無法穿透，強(qiáng)度降低，而且焊縫中的有害氣體如N₂，H₂，O₂及CO 來不及逸出，使焊縫氣孔增多，影響抗彎強(qiáng)度和焊縫外觀；當(dāng)焊接速度太低時(shí)，焊縫太寬，熱影響區(qū)過熱，晶粒粗大，有時(shí)還會(huì)產(chǎn)生裂紋，特別是在兩層相接部位產(chǎn)生裂紋，嚴(yán)重地影響了焊接質(zhì)量，并且刀頭的合金元素?zé)龘p嚴(yán)重，影響了刀頭的綜合性能，焊縫部位因?yàn)槿鄢胤瓭L而出現(xiàn)一個(gè)一個(gè)的空洞。在我們的試驗(yàn)中，對(duì)于 ø82，ø68兩種鉆頭各50個(gè)，在激光功率選定為900W，轉(zhuǎn)速分別為8r/min，9r/min時(shí)，其焊縫的彎曲強(qiáng)度都達(dá)到和超過4000N/mm²，在隨后的切削過程中，也未發(fā)現(xiàn)掉刀頭的現(xiàn)象。
　　保護(hù)氣體流量　保護(hù)氣體在激光焊接過程中作用有三^［2］：保護(hù)焊接區(qū)不被氧化；保護(hù)聚焦透鏡；吹散部分等離子云。若氣流量太小，起不到作用，焊縫區(qū)被氧化而引起機(jī)械性能惡化，透鏡也易污染損壞，成本增加；過大的氣流量會(huì)吹翻熔池，影響焊縫成形，增加焊接缺陷，同時(shí)減少熔深。在我們的焊接試驗(yàn)中選用氣流量為0.5L/min。

3　結(jié)　　語

　　（1）要使激光焊接金剛石取芯鉆頭成功，在刀頭配方一定的情況下，必須使刀頭致密而且機(jī)械性能良好；
　　（2）在激光焊接金剛石取芯鉆頭過程中，必須合理地選擇有關(guān)工藝參數(shù)，如激光功率密度、焊接速度、焦點(diǎn)位置及保護(hù)氣體流量，才能保證焊接質(zhì)量；
　　（3）采用小規(guī)范的焊接工藝是焊好鉆頭的有效途徑；
　　（4）采用在光路系統(tǒng)中增加一個(gè)反射鏡的方法可以進(jìn)行鉆頭的反面焊接，解決了鉆頭因單面焊接結(jié)合強(qiáng)度不穩(wěn)定的問題， 但這種方法不能焊接直徑太小的鉆頭；
　　（5）激光焊接金剛石取芯鉆頭的方法還不適應(yīng)大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)率不高，有待進(jìn)一步改進(jìn)。