金刚石圆锯片激光焊接强度影响因素的研究

1引言金刚石圆锯片通常是在高速旋转状态下工作,锯切时产生的热量会导致锯片刀头甚至基体发热 。在离心力和切削热的作用下,传统的高频焊接式锯片和烧结式锯片容易出现掉齿现象,带来安全 隐患。近年来出现的激光焊接式金刚石圆锯片(以下简称激光锯片)具有焊缝强度高、不易掉齿、 能用于干切削、使用安全性高等特点,深受使用者欢迎。因此,激光焊接锯片技术在近几年得到了 迅速发展。使用激光锯片首当其冲需要解决安全问题,在研究焊接强度之前首先应了解金刚石锯片 的安全标准,目前国际上普遍使用的安全标准主要为欧盟EN13236标准。2欧盟EN132 36标准对金刚石圆锯片的安全要求激光锯片高速旋转时产生的离心力既可能导致锯片产生永久变 形而引起外径增大,也可能导致刀头变形破裂或脱落<1>。欧盟EN13236标准的安全性能 检测指标主要是针对上述二个问题提出的,本文重点研究后一个问题。刀头与基体的结合强度可通 过专用抗弯试验设备进行检测,在生产中则一般采用扭力扳手进行检测。EN13236标准规定 ,刀头及刀头与基体焊缝的抗拉强度均应大于同一许用最小抗拉强度σmin。激光锯片刀头与基 体的焊缝处通常是高速旋转产生的离心力导致刀头脱落的最薄弱部位,即焊接强度是保证安全的关 键因素。激光锯片高速旋转时,产生的离心力导致刀头脱落的最大允许使用的锯切线速度(焊缝处 )为<2>Vmax=Rσmin/hkρ(1)式中R———锯片基体外径k———锯片的刀头 与基体厚度之比σmin———最小许用抗拉强度h———锯片刀头高度ρ———锯片刀头密度由 式(1)可知,最大许用线速度Vmax的平方与基体外径R及最小许用抗拉强度σmin成正比 ,与刀头与基体厚度之比k、刀头高度h及刀头密度ρ成反比。激光锯片的最小半径通常为R=0 .05m,此时的最大许用线速度Vmax最小。取R=0.05m,σmin=6×108Pa ,h=0.01m,k=2.2/1.2=1.83,ρ=9×103kg/m3,则Vmax= 426m/s。若锯片工作时的线速度为100m/s,则安全系数S=(426/100)2= 18.2。对于安全隐患最大的手持式切机,其许用安全系数Smin=3.5,由于S=18. 2远大于Smin=3.5,因此锯片焊缝强度若通过了EN13236标准检验,则锯片在工作 时不会因为转速过高而掉齿。3激光锯片过渡层的研究从理论上分析,激光焊接方式容易获得高的 焊缝强度。但在金刚石锯片生产中,由于金刚石刀头的过渡层(焊接层)材料与锯片基体材料差异 较大,且两者的性能差别也大,因此它们之间的焊接属于异种材料焊接,必须合理选择焊接工艺参 数并严格控制工艺过程,才能获得高的焊缝强度。锯片的基体材料一般是确定的,通常为30Cr Mo/28CrMo、50Mn2V、65Mn等几种钢材,锯片刀头过渡层的设计则是保证激光 锯片焊接强度的关键,过渡层材料不仅应具有与基体材料尽可能接近的焊接性能,而且必须与刀头 工作层胎体相匹配。通常基体材料与刀头工作层材料差异较大,因此设计锯片过渡层具有相当高的 难度。激光焊接的特点为:聚焦后的激光束能量密度高(105～107W/cm2)、加热速度 快、焊接速度快、热影响区小,但是激光焊接焊缝温度高、温度梯度大<3>。因此,对激光焊接 过渡层的基本要求为:①过渡层中各元素的沸点应相近,以防产生焊缝气泡;②过渡层应具有较高 的强度(σmin≥6×108Pa)及良好的韧性,以防锯片工作时掉齿;③过渡层与工作层胎 体的烧结性能应相近,在相同烧结条件下烧结后具有良好的界面结合强度(σmin≥6×108 Pa);④过渡层与工作层的热膨胀系数应相近,且过渡层的热膨胀系数略小为佳,以防止激光焊 接时过渡层与工作层之间产生裂纹;⑤过渡层与锯片基体的焊接性能应尽可能相近;⑥烧结工艺范 围较宽,便于工业化规模生产。我公司的研究结果表明,在金刚石锯片烧结温度范围内,烧结温度 越低,激光锯片过渡层的配方设计难度越大。若烧结温度低于700℃,则最好采用高频钎焊。根 据上述要求,我公司针对不同的基体材料和烧结工艺,经过系统研究及反复试验,开发了几种典型 的过渡层(见表1)。表1研究开发的几种典型过渡层过渡层编号适用的锯片基体材料烧结温度范 围(℃)TB165Mn,50Mn2V,30CrMo/28CrMo750～900TB26 5Mn,50Mn2V,30CrMo/28CrMo750～830TB365Mn,50Mn 2V,30CrMo/28CrMo840～900TB430CrMo/28CrMo820～ 900表1中的过渡层与相应基体材料经激光焊接后其强度均达到了欧盟EN13236标准要求 。本文使用上述过渡层材料对不同的350mm基体材料进行了激光焊接试验,并检测了焊缝强 度。试验条件为:锯片基体外径340mm,厚度2.2mm;试验刀头尺寸:40×10×3 .2(长×高×厚)mm3;激光光束离焦量-0.8mm,入射角5°,光束偏焦量(光斑比) 约3∶7;采用双面激光焊接。试验参数及测得的焊缝强度数据见表2。表2焊接参数及焊缝强度 过渡层编号TB1TB2TB3TB4基体材料65Mn工艺参数烧结温度780℃780℃88 0℃焊接速度1.5m/s1.6m/s1.7m/s焊接功率40%40%40%-焊缝强度9 50MPa850MPa1050MPa-50Mn2V工艺参数烧结温度780℃780℃88 0℃焊接速度1.6m/s1.7m/s1.9m/s焊接功率45%45%45%-焊缝强度1 450MPa1300MPa1600MPa-30CrMo/28CrMo工艺参数烧结温度7 80℃780℃880℃880℃焊接速度1.8m/s2.0m/s2.2m/s1.8m/s 焊接功率50%50%50%50%-焊缝强度1550MPa1600MPa1850MPa1 450MPa4激光锯片焊接工艺参数研究激光锯片焊接的主要工艺参数包括:激光功率焊接速度 ,光束离焦量,光束偏焦量及入射角。为了优化激光焊接工艺,对350mm激光锯片进行双面 激光焊接时的工艺参数进行了试验。(1)试验条件试验设备:德国产DC025板条CO2激光 器(标称功率2500W,波长10.6μm);韩国产LWB15/20激光锯片焊接工作台。 锯片试件:基体材料30CrMo,厚度2.2mm;试验刀头尺寸:40×10×3.2(长× 高×厚)mm3。过渡层:TB2,烧结温度为780℃。(2)试验方法根据我公司以往的激光 焊接经验,预选一组激光焊接基准工艺参数,当研究某一工艺参数对激光焊缝强度的影响时,其余 工艺参数固定不变,选取该工艺参数的最优值作为以后工艺参数研究的基准值。(3)试验结果与 分析①光束离焦量光束离焦量是指激光束焦点至锯片基体表面的距离b(见图1),如焦点在锯片 基体内,称为负离焦量;如焦点在锯片基体外,则称为正离焦量<4>。激光焊接试验基准工艺参 数:焊接速度V0=2m/s,功率P0=50%,入射角θ0=5°,光束偏焦量7∶3,偏焦 量以光斑比i近似表示,i=f∶e(见图1)。激光锯片焊缝强度σ与激光束离焦量b的关系如 图2所示。由图2可知,离焦量b在较宽范围内变化时,焊缝抗弯强度σ变化不大,且σ>600 MPaLWB15/20激光锯片焊接工作台的离焦量精密度为0.1mm。取离焦量b0=-0 .8mm作为下一步试验的基准值。图1激光束偏焦量和离焦量示意图图2焊缝抗弯强度σ与离焦 量b的关系②激光功率激光功率可用功率系数表示,激光功率等于标称功率乘以功率系数。激光焊 接试验基准工艺参数:焊接速度V0=2m/s,入射角θ0=5°,光束偏焦量7∶3,离焦量 b0=-0.8mm。激光锯片焊缝抗弯强度σ与激光功率P的关系如图3所示。由图3可知,对 于焊深一定的激光锯片而言,存在使激光锯片焊缝强度最大的激光功率(50%),但不存在激光 功率越大、激光锯片焊缝强度越高的规律。这是因为在焊接速度一定的条件下,如激光功率过高, 焊接线能量过大,使熔池沸腾过于激烈,会导致出现空洞。激光功率过高表现为焊缝气泡过多,焊 缝过宽。选取激光功率P0=50%为下一步试验的基准值。图3焊缝强度σ与激光功率P的关系 ③焊接速度激光焊接试验基准工艺参数:激光功率P0=50%,入射角θ0=5°,光束偏焦量 7∶3,离焦量b0=-0.8mm。激光锯片焊缝强度σ与焊接速度V的关系如图4所示。由图 4可知,对于焊深一定的激光锯片而言,存在着使激光锯片焊缝强度最大的焊接速度(2m/s) ,但不存在焊接速度越小、激光锯片焊缝强度越高的规律。与激光功率过高的情况同理,当激光功 率一定时,若焊接速度过低,则焊接线能过大,熔池沸腾过于激烈,导致出现空洞。激光功率过高 表现在焊缝气泡过多,焊缝过宽。选取V=2m/s为下一步试验的基准值。图4焊缝强度σ与焊 接速度V的关系④光束偏焦量光束偏焦量a定义为激光束焦点至焊接面的距离(见图1)。LWB 15/20激光锯片焊接工作台无法精确控制激光束偏焦量,只能用对焦光斑比近似控制。激光焊 接试验基准工艺参数:激光功率P0=50%,入射角θ0=5°,焊接速度V0=2m/s,离 焦量b0=-0.8mm。激光锯片焊缝强度σ与光斑比i的关系如图5所示。由图5可知,使激 光锯片焊缝强度最大的光斑比i在2∶8与3∶7之间,且范围很窄,这就对激光焊机及激光锯片 基体精度提出了更高要求。图5焊缝强度σ与光斑比i的关系⑤入射角激光焊接试验基准工艺参数 :激光功率P0=50%,光斑比i=3∶7,焊接速度V0=2m/s,离焦量b0=-0.8mm。激光锯片焊缝强度σ与入射角θ的关系如图6所示。由图6可知,可使激光锯片焊缝强度最大的入射角为θ≈5°。21工具技术图6焊缝强度σ与入射角θ的关系5结论综上所述,可得出如下结论:(1)经过研究,找到了过渡层、焊接速度等主要影响因素的最优取值范围。当采用3

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