硬质合金的焊接工艺现状与展望

硬质合金的焊接工艺现状与展望

高频感应钎焊，硬质合金钎焊，高频感应加热设备

硬质合金是一种以难熔金属化合物(WC、TaC、TiC、NbC等)为基体，以过渡族金属(Co，Fe，Ni)为粘结相，通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料，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，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【1】。

硬质合金的材质脆硬、韧性差而且价格高，这些因素使其难以被制成大尺寸、形状复杂的构件加以应用，而硬质合金与钢体材质的焊接是弥补其不足的主要方法，合适可靠的焊接技术正在不断拓展它的应用范围。因此，欲更好更合理地应用硬质合金，必须了解它的性能特点，根据其用途的不同而选择合适的焊接工艺。

1硬质合金的焊接性

由于与硬质合金相焊的基体材料一般是碳素钢，硬质合金与之相比具有较小的热膨胀系数和较低的热导率，因此焊接时容易出现以下问题：

1)焊接裂纹

硬质合金的热膨胀系数较小，一般为钢的1/2～1/3，硬质合金和钢材焊后由于不能同步收缩，会在焊缝区形成很高的残余应力，且在硬质合金上多为拉应力，由此导致硬质合金开裂。焊接应力是钎焊硬质合金时出现裂纹以及接头低应力断裂的主要原因【2】。

2)焊缝脆化

主要是在焊缝区形成M6C 型复合碳化物η相，其中M包含W、Fe、Co、Ni等元素，主要原因是硬质合金与钢进行焊接时，硬质合金中的碳向钢侧扩散，使硬质合金中含碳量降低而形成η相【3】。焊缝脆化导致接头的抗弯强度低。

3)气孔、夹渣及氧化

这主要是出现在钎焊接头中。当加热温度过高时，造成钎缝氧化及焊料成分的严重烧损;而加热温度偏低，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【4,5】。

2硬质合金的焊接方法与工艺要素

由于硬质合金与碳素钢之间的物理性能相差较大，目前钎焊和扩散焊仍然是可行而又实用焊接方法。此外一些新的焊接方法如钨极惰性气体保护电弧焊(TIG),电子束焊(EBW)，激光焊(LBW)等也在积极的研究探索之中，将有可能在硬质合金的焊接中得到应用。

2.1 钎焊

钎焊是一种传统且广泛应用的硬质合金焊接方法，它的工艺成熟可靠，依据加热方式的不同分以下一些工艺方法：

1)火焰钎焊

火焰钎焊是用可燃气体(乙炔、丙烷等)与氧气或压缩空气混合燃烧的火焰作为热源进行焊接的一种方法。火焰钎焊设备简单、操作灵活方便，根据工件形状可用多火焰同时加热焊接。钎料多采用丝状或片状的铜基、银基钎料，其中HL105锰黄铜钎料应用最为广泛;钎剂一般采用脱水硼砂。火焰钎焊主要适用于中小尺寸硬质合金刀具、模具和量具的小批量生产，对于大型的硬质合金工具，由于火焰加热的温度和速度难以控制，加热时会产生较大的温度梯度，容易引发裂纹的产生，因此一般不采用此方法【2,6】。

2)电阻钎焊

电阻钎焊一般可分为直接加热法和间接加热法。直接加热法是将电极置于接头两侧，使电流经过钎缝面的接触电阻而发热，从而完成焊接过程;间接加热法是将电极置于接头一侧的钢质母材上，电流通过钎缝一侧的母材电阻发热(或通过发热元件发热)来实现钎焊。采用间接加热法可避免电极与硬质合金接触，防止硬质合金的过热和烧损，避免其硬度的降低和开裂。可配用铜基或银基钎料，常用的有H68、HL105钎料等，其中HL105钎料的抗剪强度较高，对于YT5刀具的焊接，抗剪强度可达28.5GPa，对于YG8可达到29.7GPa。钎剂一般采用脱水硼砂【7】。

加热电压是电阻钎焊的重要参数，要选择合适的数值以保证合理的发热升温速度;其次要保证电极与工件接触处于良好状态。加热过程中要及时排渣，防止钎缝夹杂和气孔形成而降低强度。使用硼砂钎剂时一定要先经过脱水处理，否则由于结晶水的存在，在焊接过程中结晶水蒸发，在焊接区域内产生大量气体，既影响了正常排渣，又易在焊缝中产生气孔【7】。

电阻钎焊的操作较为简单方便，效率比火焰钎焊高，工件表面的氧化较少，但是在加热过程中易造成工件局部过热烧损。此外对于复杂形状的工件、多刃刀具及尺寸很小的工件也不便操作【2】。

3)感应钎焊

感应加热钎焊的优点是加热迅速，钎料液化过程短，并可以在各种气氛(空气、保护气体、真空)下进行，能减轻硬质合金过热和氧化，有利于提高焊接质量;该方法的缺点是设备较复杂、一次性投资较大，其次是感应电流的趋表效应，当钎焊大厚工件时，加热温度不均匀，难于保证钎焊质量，且效率也低，故一般只适用于钎焊结构型式简单(最好是轴类细长型)的小尺寸焊件【2】。

感应钎焊的工艺参数一般包括钎缝间隙、加热速度、冷却速度、感应圈形状尺寸、钎料钎剂的加入方式等因素。这些因素必须有一个合适的组配范围，因素的波动会对焊缝质量造成不良影响，尤其是在硬质合金中产生较大的焊接应力。

钎缝间隙值是确保钎焊质量的重要参数。通常认为钎缝越小,焊接应力越大,反之亦然。钎缝间隙过小时,会发生“挤死”和“钎不透”,使接头强度下降和焊接应力增加;而间隙过大,毛细作用减弱,也会导致“钎不透”,使接头强度下降。因而大小适中的钎缝间隙对减小焊接应力和增强焊缝牢度有很大的作用【8】。

加热和冷却速度对钎头焊接质量有很大影响。加热速度太快,合金中会产生较大的应力;加热太慢,则高温停留时间长,这虽然能使液态钎料的润湿和扩散更完善,但会造成合金的氧化烧损。通常加热以不超过100℃/s为宜。冷却速度太快,合金中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，故一般以60℃/s为宜【8】。

感应圈是感应加热设备的重要元件,交流电源的能量是通过它传递给焊件而实现加热的,因此,感应圈的结构是否合理对于钎焊质量和生产率有很大影响。正确设计和选用感应圈的原则是:感应圈应有与焊件相适应的外形, 尽量减少感应圈本身和焊件之间的无用间隙,间隙最好不

大于2～3mm，以便提高加热效率。为了使焊件加热平稳、均匀，防止焊件尖角处发生局部过热,应当合理选择感应圈的匝数和感应电流的交变频率等参数。

4)炉中钎焊

将装配好的工件放在电阻丝发热的加热炉中进行加热钎焊的方法称之为炉中钎焊,其特点是工件整体加热，加热均匀、工件变形小。不足之处是加热速度慢、效率低。但对于批量生产，一炉可以同时钎焊多个接头及焊件，以此可以弥补加效率低的不足【9】。炉中钎焊的加热气氛有以下几种：

a)空气炉

由于焊件在空气中加热时工件容易氧化，且升温速度较慢，不利于钎剂去除氧化膜，故应用受到一定的限制，目前已逐渐被保护气氛炉中钎焊和真空炉中钎焊所代替【9】。

b)保护气氛炉

根据保护气氛的不同，可以分为还原气体和惰性气体炉中钎焊【9】。还原性气体一般用

H2或CO，不仅能避免工件在加热过程的氧化，还能还原工件表面的氧化膜，有助于钎料的润湿;惰性气体一般用Ar、N2和He等，对气体纯度的要求较高，一般要在99.99%以上，在气体入炉前还要经过脱水(硅胶、浓硫酸)脱氧(海绵钛)装置。工件通常应放在容器内，在流动的气体中进行加热钎焊。用惰性气体比用还原性气体的安全性要高。加热温度、保温时间及冷却速度是主要的工艺参数。加热温度高于900℃时，硬质合金的硬度会有明显降低。保温时间过长时也会引起硬质合金的硬度降低。焊后应缓慢冷却，以防止开裂【10-12】。

c)真空炉

真空钎焊是基于在真空中加热时金属及其氧化物产生蒸发，破坏其表面氧化膜，从而达到去膜效果的。在真空条件下，有一些金属可在低于熔点的温度下便发生显著蒸发，也有一些金属氧化物会发生挥发。金属，特别是金属氧化物的蒸发能有效地破坏表面氧化膜，使真空条件下的无钎剂钎焊成为可能。对于以TiC为硬质相的YW类硬质合金来说，采用Ag-Cu-Zn