脈沖激光釬焊金剛石工藝研究

郭佳杰,陳世隱,黃國欽

(華僑大學制造工程研究院,福建 廈門 361021)

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脈沖激光釬焊金剛石工藝研究

郭佳杰,陳世隱,黃國欽

(華僑大學制造工程研究院,福建 廈門 361021)

激光光斑直徑小，能量密度高，與智能化數控系統技術結合，可以實現金剛石磨粒的有效排布。文章利用Nd:YAG脈沖型固體激光器，通過控制合理釬焊工藝，實現對兩種Ni-Cr合金粉末釬料與金剛石、基體的牢固焊接。

金剛石；釬焊；脈沖激光器；工藝

1　前言

金剛石獨特的晶體結構使其具有自然界物質中最高的硬度、剛性以及良好的抗磨損、抗腐蝕性和化學穩定性，被廣泛地應用于硬質合金、工程陶瓷、玻璃、藍寶石、石材等硬脆材料的加工中。

燒結或電鍍工藝制作的金剛石工具，磨粒只是被機械地包裹、鑲嵌在結合劑層中，把持力較小，在負荷較重的加工中容易導致磨粒過早脫落，降低使用壽命。釬焊金剛石工具的釬焊是以活性釬料(如鎳基釬料)與金剛石通過強碳化合物形成元素或合金的化學冶金結合，提高了金剛石的把持力[1]。傳統的爐中釬焊和感應釬焊需要人工或另一套設備先對金剛石進行排布，才能實現磨粒的有效利用。

近年來，以激光束作為熱源成為金剛石釬焊的研究新前沿。與傳統制造釬焊金剛石工具工藝相比，激光釬焊技術具有光斑直徑小，能量密度高，熱影響范圍小；激光束易于聚焦，靈活性高的特點，配合現代數控技術，有望實現磨粒有效排布工具的快速制備[2]。有鑒于此，國內外學者都進行了相關的研究，主要包括：

S.F Huang等[3]最早提出激光釬焊金剛石工具，采用CO2連續型激光器，氬氣保護，將Cu-10Sn-15Ti釬料合金粉末與W30金剛石混合后置于鋼基體表面，激光功率450W，得到厚90μm的釬焊金剛石層，表面生成部分100nm的TiC顆粒；摩擦試驗表明工具性能良好。

唐霞輝、劉天明等[4,5]探索兩種合金粉末配方激光釬焊金剛石試驗。配方1在P=800W，v=8.39mm/s，配方2在P=850W，v=9.12mm/s時，得到組織細密，把持力強的釬焊金剛石顆粒。適當增加Ti元素含量有利于提高釬焊層耐磨性。鐘如濤等[6]隨機選取釬焊試樣表面5顆金剛石進行抗壓試驗，與焊前相比，焊后金剛石顆粒抗壓強度下降很少。

楊志波，趙光亮等[7,8]采用Ni-Cr合金釬料，利用數控CO2激光機釬焊40/50目金剛石，氬氣保護，制備成功世界上第一塊激光釬焊金剛石固結磨料砂輪。試驗結果表明：激光功率760W、光斑面積18mm2、掃描速度30mm/min、線能量密度243.3～253.5J/mm2時， Ni-Cr合金釬料與金剛石連接界面上產生Cr3C2條狀化合物。將砂輪進行磨削花崗巖試驗，沒有發現磨粒脫落現象。李嘉[9]在相同實驗設備得出：當激光掃描釬焊時，激光功率P=450W，光斑大小S=16.5mm2，掃描速度v=0.3m/min時；當激光定點釬焊時，激光功率P=500W，光斑大小S=11.8mm2，照射時間為10s時能達到激光釬焊所需溫度。激光線能量密度在170～195J/mm2時，金剛石與釬料界面形成化學冶金結合。

郭曉琴[10]利用800W YAG固體激光器進行釬焊試驗。光斑直徑2mm，激光功率P=450～550W，掃描速度v=3～7mm/s，線能量密度在50～60J/mm2時，實現金剛石激光釬焊，金剛石表面有Cr7C3和Cr3C2生成。磨削試驗中，磨削過程幾乎沒有出現磨粒的整顆脫落現象。

從已有的研究來看，目前激光釬焊金剛石主要重于采用CO2連續型激光器進行釬焊，而對采用脈沖型激光器釬焊金剛石的研究甚少。相比于CO2連續型激光器， Nd:YAG脈沖型激光器的波長小一數量級，金屬材料對其吸收率更高。同時，脈沖型激光器的峰值功率可以達到平均功率的十幾倍，有助于形成熔池，避免金剛石的熱損傷。為此，本文著重探討采用Nd:YAG脈沖型激光器進行金剛石釬焊的可行性。

2　脈沖激光釬焊原理及工藝參數

2.1激光釬焊原理

激光釬焊金剛石的過程分為：激光束與釬料、激光束與金剛石磨粒快速作用過程。由于金剛石的透光性，所以激光釬焊金剛石磨粒主要為激光與釬料相互作用的復雜物理過程。主要表現為激光的反射、折射、吸收、釬料合金的升溫、熔化、氣化及凝固等物理現象。

宏觀上看，主要是激光與合金金屬粉末的熱效應。其中，將實際合金釬料認為是具有熱物質性的連續介質，激光與合金釬料熱作用就被認為在介質表面，激光能量被連續吸收再擴散的過程。微觀上看，是一種量子化的能量交換過程，即在合金材料表面，激光與材料的微觀粒子相互作用，表現為在一定的能量輸入引起的熱影響下，激光束中的光子流和合金釬料粉末中的微觀粒子進行能量交換。 在釬焊過程中，激光能量按傳遞方式可分為：熱輻射、熱吸收和熱傳導，如圖1所示。

圖1　激光釬焊過程中激光能量傳遞Fig.1　The laser energy transfer in laser brazing process

圖2　脈沖激光的時間特性Fig.2　The time behavior of pulsed laser△t-脈沖寬度　Tp-脈沖周期　P-瞬時功率　Pp-峰值功率　P-平均功率　E-單脈沖能量

2.2工藝參數

脈沖激光器釬焊金剛石工具時工藝參數復雜，對于非激光器方面有：金剛石粒度、合金釬料成分、粘結劑成分、釬料層厚度和保護氣氛；對于激光器方面有：激光功率、激光掃描速度(或輸入能量時間)和離焦量決定的光斑直徑；纖焊由以上參數決定的線能量密度作為參考工藝參數。以下對主要參數進行簡單介紹。

非激光器方面，應選取晶型完整、粒度大小合適的金剛石。合金釬料粉末和粘結劑的配比適中。對于釬料層厚度而言，過厚會造成釬焊層將金剛石完全埋沒；過薄會導致釬焊層爬升不足，金剛石把持力小。通惰性氣體保護，可以避免金剛石石墨化。

激光器方面，脈沖激光器激光功率由電流(I)、脈沖寬度(△t)和脈沖頻率(f)決定，如圖2所示。激光峰值功率Pp由電流(I)決定，瞬時功率為P，則單脈沖能量E：

E=∫Pdt

(1)

將激光脈沖能量近似為矩形波，則單脈沖能量E：

(2)

激光脈沖周期為T，則周期內平均功率為：

(3)

激光光斑直徑為d，掃描速度為v，則線能量密度ρ：

(4)

3　試驗方法

實驗選用ISD1600型優質高強度金剛石，粒度為35/40目(約420～500μm)；基體材料為45號鋼，將試樣加工成直徑20mm、厚8mm的圓柱體，基體表面由高精度數控平面成型磨床磨削加工，噴砂后用丙酮清洗；釬料采用兩種鎳基合金釬料粉末，主要元素所占質量分數及熔化溫度如表1；激光器采用Nd:YAG 600W固體激光器，最大輸出功率600W，單脈沖最大輸出能量130J，脈沖寬度0～20ms，激光波長1064nm；負離焦10/20mm(光斑直徑1.5/2mm)；整個過程通氬氣保護；釬焊后試樣的形貌觀察利用日本浩視公司KH-8700和基恩思國際VHX-100的三維視頻顯微鏡。

表1　兩種釬料元素質量分數和熔化溫度

在此基礎上進行激光釬焊金剛石工具工藝研究。由式4可知，線能量密度ρ與掃描速度v成反比。但是，掃描速度過大，熔池形成就不完整，如圖3所示；同時，金剛石與釬料合金形成化學冶金需要一定的反應時間，所以掃描速度v不宜過大，合適的掃描速度為：20～30mm/min。對于粒度35/40目金剛石，合適的釬料層厚度為：0.25～0.3mm。脈沖激光器光照強度與光斑直徑關系如圖4所示，光照強度在沿光斑直徑方向上呈Gauss分布，光斑直徑越小(越靠近焦點)，光照強度越大，激光能量密度越大。

圖3　熔池不完整Fig.3　The incomplete of molten pool

圖4　光斑直徑與光照強度關系Fig.4　The relationship between spot diameter and light intensity

光斑直徑為2mm時，需要較大的激光功率，但是激光能量過大，就會造成如圖5(a)(b)所示的結果，金剛石表面石墨化，并且出現裂紋；激光功率太小，就會導致金剛石脫落，如圖5(c)；合適的激光功率，如圖5(d)所示；當光斑直徑為1.5mm時，可以在較小的功率下激光釬焊金剛石，如圖5(e)(f)所示；圖(c)為Ni-Cr-B-Si釬料，圖(d)為Ni-Cr-P釬料。

4　總結

本文采用脈沖激光器可以實現金剛石與兩種Ni-Cr合金釬料的化學冶金結合，具有較高的結合強度。對于光斑直徑1.5mm，金剛石粒度35/40目，Ni-Cr-B-Si釬料在電流80A、脈寬3.5ms、頻率30Hz，Ni-Cr-P釬料在電流78A、脈寬3.3ms、頻率30Hz，掃描速度20～25mm/min時，可以實現激光釬焊金剛石。然而考慮到脈沖型激光器的功率大小由電流、脈寬和頻率決定，工藝參數更加復雜，同時作用光束的功率密度分布在形式及范圍上都隨光束功率發生變化，影響試驗重復性，進而影響工藝的制定。為此，系統對激光加熱參數作用機理進行深入研究極為必要。

[1]宋月清,劉一波. 人造金剛石工具手冊[M]. 北京:冶金工業出版社,2014.

[2]李嘉寧.激光熔覆技術及應用[M]. 北京:化學工業出版社,2016.

[3] Sheng-Fang Huang, Hsien-Lung Tsai, Shun-Tian. Laser Brazing of Diamond Grits Using a Cu-15Ti-10Sn Brazing Alloy[J]. Materials Transactions. Vol.43.No.10(2002): p2604-2608.

[4]楊衛紅,唐霞輝,秦應雄,等. 高功率CO2激光釬焊金剛石顆粒[J].中國激光, 2007,34(4):570-573.

[5]劉天明,激光釬焊金剛石顆粒損傷機理的實驗研究[D], 華中科技大學. 2006.

[6]鐘如濤, 秦應雄, 唐霞輝,等. 金剛石顆粒-金屬粉末的CO2激光燒結機理研究[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2009(4)：19-23.

[7]楊志波.金剛石磨粒激光釬焊工藝與機理研究[D], 南京航空航天大學.2007.

[8]趙光亮. 激光釬焊金剛石端面砂輪研究[D],南京航空航天大學.2008.

[9]李嘉.激光釬焊金剛石磨粒工藝及機理研究[D].南京航空航天大學,2007.

[10]郭曉琴. 金剛石磨具釬焊工藝研究[J]. 金剛石與磨料磨具工程, 2007(3)：40-42.

Study of the Technology of Pulsed Laser Brazing of Diamond

GUO Jia-jie, CHEN Shi-yin, HUANG Guo-qin

(Institution of Manufacture Engineering, Huaqiao University, Xiamen, Fujian, China 361021)

Effective configuration of diamond abrasive grains can be achieved through combination of laser and intelligent numerical control system technique as laser has small spot diameter and high energy density. Two types of Ni-Cr alloy powder brazing filler metals have been securely welded with diamond and matrix by Nd:YAG pulse type solid-state laser through controlling the proper brazing technique.

diamond； brazing； pulsed laser； technology

2016-03-10

郭佳杰(1990-)，男，碩士研究生，主要研究方向：高效精密加工。

國家自然科學基金(51235004, 51575198)，華僑大學研究生科研創新能力培育計劃資助項目(1400203009)

TQ164

A

1673-1433(2016)03-0007-04

引文格式：郭佳杰,陳世隱,黃國欽 .脈沖激光釬焊金剛石工藝研究[J].超硬材料工程，2016，28(3)：7-10.