聚晶金刚石复合体_PDC_焊接工艺研究

第5期(总第156期)

2009年10月机械工程与自动化

M ECHA N ICAL EN GI NEER IN G &　AU T O M A T IO N N o.5O ct.

文章编号:1672-6413(2009)05-0192-02

聚晶金刚石复合体(PDC )焊接工艺研究

X

姚小飞,刘　洁,葛东生

(太原科技大学材料科学与工程学院,山西　太原　030024)

摘要:P DC 既具有金刚石的高硬度、高耐磨性,同时具有硬质合金良好的抗冲击韧性,被广泛应用于钻头、切削刀具等。对PCD 的焊接工艺进行了研究,将PDC 焊接温度控制在700℃以下,能保证复合片上的聚晶金刚石层不失效,使其在长期作业过程中具有良好的使用性能。关键词:P DC ;焊接;失效温度;接头强度;性能中图分类号:T G44 文献标识码:A

X 山西省高等学校新技术开发项目(200451)

收稿日期:2009-01-04;修回日期:2009-04-25

作者简介:姚小飞(1978-),男,甘肃宁县人,在读硕士研究生。

0　引言

PDC 既具有金刚石的高硬度、高耐磨性,同时具有硬质合金良好的抗冲击韧性[1],已被广泛应用于地质钻探、石油天然气钻采以及切削刀具等方面。PDC 钻头与金刚石钻头相比较,具有时效高、寿命长、综合成本低的优势,PDC 已经开始逐步取代天然金刚石,是超硬材料发展的一个里程碑。PDC 的合成方法有两种:一是直接合成,即人造金刚石与硬质合金基体一次性合成,该工艺耐热性低;另一种为间接合成,即金刚石层焊接在硬质合金基体上,该工艺耐热性高。PDC 属于非金属材料,它与金属或者合金材料之间的强度、硬度、弹性模量等方面都存在着很大的差异,特别是两者之间的界面能很高,界面结合弱,在应用过程中发生异常断裂或者金刚石脱落,因此研究PDC 与硬质合金的焊接工艺是非常必要的。1　PDC 焊接工艺特点

PDC 钻头在工作过程中既要保持高强度、高硬度,又要保持高抗冲击韧性;既要保持较好的热震性,又要保持较好的耐腐蚀性。PDC 上的聚晶金刚石层的

失效温度是700℃[2]

,因此在焊接过程中PDC 复合片上的金刚石层的温度必须控制在700℃以下,并要求焊后PDC 与硬质合金结合面有足够的抗剪强度。PDC 钎焊过程中加热方式起着决定性作用,因此其钎焊方法可依据加热方式来划分,主要有火焰钎焊、真空钎焊、真空扩散焊、高频感应钎焊、激光焊接等。1.1　PDC 火焰钎焊

火焰钎焊(Flam e Brazing )是采用气体燃烧产生的火焰进行加热的一种焊接方法。基于PDC 的特性,

钎焊一般是先加热钢体,当钎剂开始熔化后再将火焰移到PDC 上加热。火焰钎焊的主要工艺过程有焊前处理、加热、保温、冷却、焊后处理等[3]。

(1)加热:选用氧乙炔的中性焰或外焰加热,这样可以防止PDC 的金刚石层热损伤和钎料及硬质合金的过分氧化,也可以避免钎缝区金属晶粒长大,从而提高接头性能。

(2)保温:由于是异种材料焊接,其膨胀系数存在着很大区别,因此钎焊接头处存在内应力。为了消除其内应力,应采取一定的保温时间和保温温度。

(3)冷却:当焊件温度达到200℃时,可从保温箱中取出焊件,然后空冷。1.2　PDC 真空钎焊

真空钎焊(Vacuum Brazing )是在真空状态下对工件进行加热的一种焊接方法。由于这种焊接方法是在无氧化气体的气氛中进行的,所以能获得强度、韧性、均匀性都较好的接头。真空钎焊是利用工件本身的电阻热作为热源,对聚晶金刚石层进行局部的冷却,实施高温钎焊。钎焊过程中连续通水冷却,以保证金刚石层的温度控制在700℃以下;钎焊冷态真空度要求低于6.65×10-3Pa ,热态真空度低于1.33×10-2

Pa;焊后将试件放入保温箱进行保温,以消除钎焊过程中产生的热应力。真空钎缝的抗剪强度比较稳

定,接头强度高,平均抗剪强度可达451.9M Pa [4]

。1.2.1　真空钎焊的主要工艺参数

(1)加热速度:加热速度是通过输入电压来控制的,输入的电压高,加热速度就快,反之则加热速度慢。加热速度过慢,PDC 在高温区停留时间过长,易

使PDC的耐磨性下降;加热速度过快,会造成局部温度过高,易使局部区域发生过热现象。

(2)钎焊压力和钎缝间隙:施加一定的钎焊压力,挤出多余的钎料,以便获得较小的钎缝宽度,增加钎缝的机械强度,同时也增加了PDC的散热效果。通常情况下,钎焊接头的强度随钎缝间隙的减小而增加。

1.2.2　真空钎焊的过程控制

在PDC钎焊过程中,除了对工艺参数要严格控制外,同时要对PDC聚晶金刚石层的表面温度进行实时监测控制,金刚石层的最高温度应控制在700℃以下,以保证PDC金刚石层不失效。

1.3　PDC真空扩散焊

真空扩散焊(Vacuum Diffusio n Bonding)是在较高的温度和较大的压力下,使处于真空中的清洁工件表面相互靠近,在相当小的距离内原子相互扩散,从而将两部分连接在一起的焊接方法。扩散焊最根本的特征[5]是在钎焊加热过程中钎缝内形成的液态合金,在高于钎料的固相线温度的条件下长时间保温,使之等温凝固而形成钎缝。对于PDC的硬质合金基底与金刚石这两种膨胀系数差异很大的材料,此种方法显得非常有效。真空扩散焊能获得耐磨性好、热稳定性好、抗震性好的接头。真空扩散焊接工艺可以克服其他钎焊工艺制造的PDC钻头在钻进过程中由于钻头温度升高钎料强度急剧下降而导致PDC易脱落的问题。1.3.1　真空扩散焊主要工艺参数

真空扩散焊机一般由真空室、真空系统、加热系统、加压系统、温度测控系统、操作控制系统、水冷系统、电源等构成。真空扩散焊的主要参数是钎缝的间隙宽度、压紧力、过程的温度和时间,应尽可能地保持最小的钎缝间隙,为此需经常施加适当的压紧力。

1.3.2　焊前焊后的工艺处理

母材表面氧化膜使液态钎料润湿母材产生困难,要获得良好的钎焊接头,母材和钎料表面氧化膜的彻底清除是十分重要的。

1.3.3　中间夹层材料对焊缝质量的影响

中间夹层材料对焊缝强度的影响十分明显。若采用冷轧态Cu箔或Ni箔作为中间夹层,焊缝剪切强度分别是不加中间夹层时的6.3倍和8.7倍[6]。其主要原因:¹Cu、Ni有良好的塑性,加热后更易产生塑性变形,从而增加了焊接面的有效接触面积,焊合率较高;ºCu、Ni与Co能形成无限固溶,加速了原子扩散和活化扩散过程;»Cu、Ni被合金元素固溶强化,在相同条件下采用Ni中间夹层的焊缝强度明显高于采用Cu中间夹层的。

1.3.4　中间夹层厚度对焊缝质量的影响

中间夹层厚度对焊缝强度有明显的影响,并存在一个中间夹层的临界值厚度,当中间夹层厚度为临界值厚度时焊缝强度达到最大值;当中间夹层厚度小于临界值厚度时,焊缝强度随中间夹层厚度的减小而降低;当中间夹层厚度大于临界值厚度时,焊缝强度随中间夹层厚度的增加而下降。这种现象可通过接触强化程度和形成物理接触条件[7]来解释。由此可见,在一定焊接条件下中间夹层厚度存在一个最佳值。

1.4　PDC高频感应钎焊

高频感应钎焊(Hi-frequency Induction Brazing)是利用电磁感应原理,使电磁能在钎料和工件中转化为热能,将钎料加热到熔融状态,从而将工件焊接在一起的方法。PDC高频感应钎焊的优点是加热速度快,从而可减小PDC聚晶金刚石层烧损和硬质合金氧化程度,并能保证零件的尺寸精度,几乎无环境污染,易于实现生产自动化。PDC高频感应钎焊工艺是制造PDC刀具的关键技术。

1.4.1　PDC高频感应钎焊部分不等间隙接头结构

在PDC高频感应加热时,硬质合金钎缝的边缘温度高于内部温度,边缘钎料首先融化,使钎缝内部残留的气体、钎剂等很难从狭窄的间隙中排出,因此容易在钎缝中形成气孔、夹渣等缺陷。由于硬质合金基底与PDC金刚石层的热膨胀系数相差较大,从而在材料中引起残余应力使焊接质量下降。可采用部分不等间隙接头结构[8]来减少钎焊缺陷和残余应力。

1.4.2　PDC高频感应钎焊的影响因素

(1)钎焊温度对接头强度的影响:钎焊温度对剪切强度影响最大,随着焊接温度的升高剪切强度增大。

(2)恒温保持时间对接头强度的影响:接头剪切强度随恒温保持时间的延长而增加,但是恒温保持时间过长则PDC层受损严重,影响焊后PDC的使用性能。

(3)钎焊金属表面粗糙度对接头强度的影响: PDC硬质合金基底表面粗糙度在钎焊过程中主要影响钎料对其本身的润湿性,随表面粗糙度的增大其润湿性增强,但与此同时钎焊缺陷也随之增多。

1.5　PDC激光焊接

激光焊(Laser Beam Welding)是利用高能密度的激光束作为热源,通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数,使工件达到一定的熔池深度,而表面又没有明显的汽化,这样即可进行焊接。激光束的功率密度可达109W/cm2,由于功率密度大,焊接过程中在金属材料上生成小孔,激光能量通过小孔往工件的深部传输,减小横向扩散,材料的熔合深度大,焊接速度快,单位时间焊合的面积大,此外,激光焊接形成的焊缝深而窄,热影响区小,焊接变形小。使用激光进行PDC的焊接,获得的焊接接头强度高,可达1800M Pa,且不会损伤金刚石层,是一种理想的PDC焊接方法,此方法多用于金刚石圆锯片的焊接。2　结论

(1)PDC的研究和推广大大提高了钻头和刀具的切削能力,与天然金刚石相比,具有良好的性价比。综合考虑PDC使用性能要求和成本,可以选择适当的焊接工艺。

(下转第196页)

・

193

・

　2009年第5期 姚小飞,等:聚晶金刚石复合体(PD C)焊接工艺研究