高速鋼與碳鋼異種鋼焊接工藝研究

喻紅梅

摘 要：高速鋼具有高硬度、熱硬性和耐磨性，廣泛用于車刀、銑刀、鉆頭等工具中。本文分析了高速鋼與碳鋼異種鋼的焊接性，總結高速鋼焊接的傳統的熔焊方法，以及工具焊接中普遍使用的摩擦焊、閃光焊和釬焊和新型的相變超塑性焊接方法。

關鍵詞：高速鋼；焊接工藝；摩擦焊；釬焊

Abstract： High speed steel with high hardness and hot hardness and wear resistance， widely used in lathe tool， milling cutter， drill and other tools. This paper has analyzed the high speed steel and carbon steel welding of dissimilar steels welding methods， summarize the traditional high-speed steel welding， and welding tools widely used in friction welding， flash butt welding and brazing and model transformation super plasticity welding method.

Key Words： High speed steel； Welding procedure； Friction welding； Brazing

由于高速鋼具有高硬度、耐熱性和耐磨性，且強度和韌性是在現有刀具材料中是最高的，同時，高速鋼刀具在使用過程中能承受較大的沖擊載荷，絕大部分用于制造刀具。幾十年來盡管各類高性能刀具材料不斷出現，特別是硬質合金在刀具領域的比重增大，但高速鋼仍占一半以上，在復雜刀具的使用量更大。高速鋼按其主要成分分為鎢鋼和鎢鉬鋼。常用的鎢鋼有W18Mo4V、W18Cr4V，鎢鉬鋼有W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V（W9）、W6Mo5Cr4V2 等[1]。由于鎢原材料價格的上漲，為節約成本，刀具制造過程中，刀刃和刀柄分別采用高速鋼和碳鋼焊接而成，再經過機加工和熱處理，得到所需要的刀具。

1.高速鋼與碳鋼異種鋼焊接性分析

1.1碳遷移

刀具用碳鋼含碳量0.42%～0.50%，高速鋼含碳量0.77～1.65%，合金元素含量高達10～25%。由于兩種鋼含碳量和合金元素的差異，焊接接頭經熱處理后容易發生碳遷移，碳鋼一側的碳可能會想高速鋼一側遷移，遷移的結果使得碳鋼一側出現脫碳層而軟化，高速鋼接近焊縫一側出現增碳層而硬化，使接頭的塑性和強度明顯降低。

1.2焊接裂紋

由于高速鋼高淬透性，焊后易產生馬氏體組織，同時高速鋼的導熱系數比碳鋼低，兩種鋼的線膨脹系數也存在著明顯的差異，由于線膨脹系數的差異導致在焊接連接后的冷卻過程中，焊縫兩側的收縮量不同，導致焊接接頭出現復雜的高應力狀態，進而加速焊接裂紋的產生。

2.高速鋼與碳鋼異種鋼熔焊

高速鋼含碳量高，含有Cr、Mo、V等合金元素，淬透性高，焊接性差。焊條電弧焊可用于高速鋼的修復，劉先蘭等[2]通過選用以普通低碳鋼作為焊芯，合金元素通過藥皮過渡的焊條對齒輪模數銑刀進行預熱堆焊，焊后經退火、調質等工序，可恢復切削工具的尺寸。但是焊條電弧焊對焊接工藝要求高，焊接前需要將工件加熱到500℃以上，焊后熱處理復雜。激光焊具有功率密度高、能量集中、HAZ小的優點，湖南大學陳剛等[3]采用CO2激光焊接對W2Mo9Cr4VCo8（M42）和X32鋼進行焊接，焊接接頭的性能優良，抗拉強度好，焊接接頭硬度稍高于母材。

3.高速鋼與碳鋼異種鋼固相焊接

3.1摩擦焊

摩擦焊是固相焊接的一種連接技術，這種焊接方法母材不熔化，焊縫主要為鍛造組織，晶粒細化，組織致密，夾雜物彌散分布，不產生與熔化和凝固有關的一些焊接缺陷和與之相關的焊接脆化現象，同時摩擦焊接表面的“自清理”作用亦有利于保證焊接接頭的質量。為高速鋼W9Mo3Cr4V鋼和45鋼刃具焊接時易出現裂紋和碳遷移等問題，哈爾濱焊接研究所的朱海等[4]對高速鋼與45鋼摩擦焊在相變溫度以下的焊接進行可行性研究。通過不同溫度金相組織的研究，表明在800℃時接頭性能達到了母材水平，硬度分布較均勻，未出現相變溫度以上時的硬度高峰。

3.2閃光對焊

閃光焊是對兩個對接接觸的工件通電，工件接觸點的電阻極其接觸表面的電弧產生熱量，然后對接頭兩端施加壓力，從而使工件達到原子間結合的一種焊接方法。西北工業大學毛信孚等[5]采用LM150-2半自動閃光焊機對45鋼和W18Cr4V進行焊接，焊接接頭質量穩定。

固相焊接中除了傳統的摩擦焊和閃光焊以外，超塑性焊接是一種新的高速鋼和碳鋼的焊接方法。超塑性焊是利用材料超塑性狀態下，低應力下易產生大的塑性流變和原子擴散遷移率，能在較短時間、較低溫度最大程度地實現高質量連接。與摩擦焊和閃光焊相比，經超塑性焊接的W6Mo5Cr4V2和45鋼焊接毛坯可不經退火直接進行機加工，硬度過渡也比較平滑[6]。

4.高速鋼與碳鋼異種鋼釬焊

釬焊常用于高速鋼和異種鋼的焊接。高速鋼釬焊的主要問題在于它的組織和性能易受釬焊過程的影響。如果釬焊工藝不當，極易產生高溫退火、氧化和脫碳等問題。W18Cr4V的淬火溫度為1260～1280℃，為避免上述問題的發生，確保工具在切削時具有最大的硬度和耐磨性，要求其釬焊溫度必須與淬火溫度想適應。國內某企業通過采用高溫釬焊爐代替傳統的鹽浴爐和真空爐，爐內為不可燃氣體液氮、CH3OH和C3H7OH，可同時完成高速鋼釬焊和熱處理工序，焊后的工件不僅不氧化、不脫碳，而且工件的表面質量超過原件的質量[7]。

5.結論

由于高速鋼的焊接性較差，焊后容易產生裂紋，焊后經熱處理易發生碳遷移現象，影響接頭的力學性能，熔焊中能量密度高、熱影響區小的激光焊可用于高速鋼的焊接。高速鋼焊接的應用最多的摩擦焊和閃光焊，焊接速度快，焊接質量可靠，但是摩擦焊和閃光焊焊接接頭由于碳遷移存在貧碳區和增碳區。高速鋼相變超塑性焊接的方法，焊后的硬度過渡比較平滑，可獲得性能優良的接頭。另外，釬焊可用于高速鋼和碳鋼的連接，釬焊的焊接質量容易受到焊接工藝的影響，焊后容易發生高溫退火、氧化和脫碳等問題。

參考文獻：

[1]戚正風，任瑞銘. 國內外刀具材料發展現狀[J].金屬熱處理，1996，01，15-20

[2]劉先蘭. 高速鋼齒輪模數銑刀的合金堆焊修復工藝[J]工具技術，2003， 37（5）：37-39

[3]陳剛，楊全毅，周明哲等. M42/X32異種金屬CO2激光焊接接頭組織和性能的研究[J].湖南大學學報（自然科學版），2013， 40（11）

[4]朱海，任希凡，張忠信，王興斌. 高速鋼相變溫度以下的摩擦焊[J].焊接學報，1996，01

[5]毛信孚，劉小文，王玉，馮紅超. 碳素結構鋼與高速工具鋼摩擦焊與閃光焊接頭的組織和性能[J]. 材料工程，2006，12：28-31

[6]楊仁山，胡廷法. W6Mo5Cr4V2-45#鋼的相變超塑性焊接[J]. 工具技術，1996，30，：20-21

[7]管恩荃. 氮基可控氣氛高速鋼釬焊熱處理爐的應用[J]. 焊接技術，2003，12：30-31