刃具硬质合金与结构钢钎焊工艺研究

吕鹏 刘庆梅 徐楠

（中航工业沈阳黎明航空发动机（集团）有限责任公司，辽宁 沈阳 110043）

1 概述

硬质合金与结构钢的焊接，因焊接质量较差，只能作为量具对表件或普通硬质合金车刀焊片时使用，不能用于高精度（要求同轴度0.02以内）回转类刃具的刀杆与刀刃部分对接使用，通过此论文说明一下高精度回转类刃具的刀杆与刀刃的钎焊工艺过程及后期试验结果。

2 硬质合金与结构钢的钎焊

2.1 硬质合金的焊接特点

硬质合金主要用于制造刀具、量具等双金属结构。切削部分为硬质合金，基体为碳素钢、低合金钢通常为中碳钢。这类工件在工作时受到相当大的应力作用，特别是压缩弯曲、冲击和交变载荷，要求接头强度高、质量可靠。硬质合金有高硬度和耐磨性好的特点，但是存在脆性高、韧性差等缺点。

2.1.1一般焊接特点

（1）线膨胀系数与钎焊裂纹的关系

硬质合金的尺寸较小，一般固定在一个比较厚大的钢支撑材料上。钎焊是把硬质合金和基体金属连接在一起的焊接方法。硬质合金的线膨胀系数（4.1-7.0X10-6/℃）与普通钢的线膨胀系数（12X10-6/℃）相比差别很大，硬质合金只有钢的1/3--1/2左右。加热时硬质合金和钢都自由膨胀，但冷却时钢的收缩量比硬质合金大的多。此时焊缝处于受压力状态，在硬质合金表面则承受拉应力，如果残余应力大于硬质合金的抗拉强度时，硬质合金表面就可能产生裂纹。这是硬质合金钎焊时产生裂纹的主要原因之一。

（2）硬度与裂纹敏感性的关系

硬质合金的硬度与耐磨性和焊接裂纹敏感性成正比，硬质合金的硬度越高，钎焊时产生裂纹的可能性越大。而且，一般精加工或超精加工所用的硬质合金，在钎焊时容易发生裂纹。

（3）焊接残余应力的影响

焊接区域的残余应力是一种潜在的危害，尽管焊接硬质合金工件上不一定马上发现裂纹，但随后的刃磨、保管或使用过程中却容易产生裂纹，造成工具报废。焊接时必须采取措施减小钎焊应力，可采取降低钎焊温度、焊前预热及缓冷、选用塑性较好的钎料、加补偿垫片、改进接头结构等措施。钎焊大面积硬质合金时，无论强度高低，均应采取特殊措施，以减小焊接应力和防止裂纹的产生。

（4）氧化问题

硬质合金在空气中加热到800℃以上时，硬质合金表面开始氧化，生成疏松的氧化物层，同时伴随脱碳现象。加热至950-1100℃时，表面层会发生剧烈氧化，形成的氧化薄膜使硬质合金变脆，降低力学性能。表面氧化层的存在，也降低了焊缝的强度、硬度。在焊接时采取措施尽量减少硬质合金焊接部位的氧化现象，是提高焊接质量的重要措施。

2.2 基体材料的选择和槽型设计

2.2.1 基体材料的选择

硬质合金通常与基体材料连接在一起使用，基体材料的选择主要考虑硬质合金使用时所受载荷的大小。一般载荷的刀具基体材料可用45钢或40Cr钢。需要淬硬的刀体可选用9SiCr钢，因为9SiCr钢焊后淬火用的冷却介质温度比40Cr高，对硬质合金有利。

2.2.2 槽型设计

钢与硬质合金刀具钎焊质量的好坏还决定于刀槽形状的设计是否合理，硬质合金槽型的设计是否合理。硬质合金槽形设计原则如下：

（1）尽量减少钎焊面，避免采用封闭和半封闭槽型结构，以减少钎焊应力，防止产生裂纹，尽可能采用自由焊槽形，使钎焊应力降低到最低。

（2）焊接前装配硬质合金时应尽量靠硬质合金自重或靠基体上的凸台、凹槽等部位定位，尽量避免使用夹具固定硬质合金。

（3）设计槽型时应考虑在钎焊过程中便于排渣，避免因焊缝中夹渣而使焊缝强度降低或脱焊现象。

（4）钎焊后刀头部分不应黏附过多的焊料，以免刃磨困难，尤其是在设计硬质合金多刃刀具时应特别注意。

2.3 硬质合金与钢的钎焊

硬质合金与钢的钎焊方法主要有氧气--炔火焰钎焊、高频感应钎焊、接触电阻钎焊、浸铜钎焊以及炉中钎焊等种类。

2.3.1 钎焊方法-高频感应钎焊

高频感应钎焊使用频率为600KHz，功率为10KW-100KW之间的高频感应加热源，产生高频电流。当高频电流穿过感应器时产生高频交变磁场，在感应器中的被焊金属产生感应电流。高频加热速度很快，可以在很短时间内加热到很高的温度，使焊料熔化。

2.3.2 硬质合金钎料与钎剂

（1）钎料的选择

①钎料应对被钎焊硬质合金和钢基体有良好的润湿能力，保证钎料具有良好的流动性与渗透性。

②硬质合金的使用特点有较高的红硬性，所以要保证钎焊焊缝在常温下有足够的硬度。

③钎料的熔点要尽可能地低，以减少钎焊应力，防止发生裂纹，但钎料的熔点要高于焊缝的工作温度300℃，保证正常切削。

我厂多使用常温钎料H62。

（2）钎剂的选择

钎剂的作用是使刀杆和钎焊表面的氧化物还原，使钎料能很好的润湿被钎焊的金属表面，一般钎剂的熔点低于钎料100℃以上，并有较好的流动性和较低的黏度。

我厂使用硼砂作为硬质合金与钢钎焊的最常用钎剂，使用中应该注意各种硼砂的适用范围。

①工业硼砂在钎焊加热过程中会产生大量泡沫，不但使钎焊操作困难，而且也影响焊缝质量，最好不要采用。

②脱水硼砂可用于各种牌号硬质合金工作，钎焊温度范围850℃-1150℃左右，不能用于800℃以下钎料，保存应注意防潮。

2.3.3 硬质合金与钢的钎焊工艺

（1）焊前准备

①焊前应检查硬质合金是否有裂纹、弯曲等缺陷，保证钎焊面平整并保证有一定几何形状，保持与基体间有良好接触。

②对硬质合金进行喷砂处理去除钎焊表面的氧化层和黑色字母，防止脱焊。

（2）钎焊过程

①焊接硬质合金工具时均匀加热刀杆和刀头是保证焊接质量的基本条件。如果硬质合金部分温度高于刀杆，熔化后的钎料润湿硬质合金而不能润湿刀杆，接头强度降低，沿焊缝剪切硬质合金时，钎料不破坏，而随硬质合金脱开。如果相反，现象相反。

②钎焊后冷却

冷却时硬质合金片表面产生瞬时拉应力，硬质合金的抗拉应力大大低于抗压应力。通常焊接后工件立即插入石灰槽或木炭粉槽中，使工件缓慢冷却。有条件的可在钎焊后立即将工件放入220℃-250℃炉内回火6h-8h。采用低温回火处理能消除部分钎焊应力，减小裂纹和延长硬质合金工具使用寿命。

③焊后清理

要对焊好的硬质合金工件进行焊后清理，以便将焊缝周围残余的溶剂清理干净，常用清除方法是将焊后冷却工件放入沸水中煮1-2h左右，然后再进行喷砂处理，即可清除焊缝四周黏附的残余钎剂和氧化物。

（3）钎焊的质量检验

正常的焊缝应均匀无黑斑，钎料未填满的焊缝不大于焊缝总长10%，焊缝宽度小于0.15mm。硬质合金裂纹倾向可用下面方法检测。

①刀具经喷砂处理后，用煤油清洗，用肉眼和放大镜观察。有裂纹时有明显黑线。

②用65%煤油、30%的变压器油及5%的松节油调成溶液，加入少量苏丹红，将检查的刃具放入该溶液中浸泡10-15min，取出用清水洗净，涂上高岭土，烘干后检查表面，如果有裂纹，溶液的颜色将在白土显示出来，肉眼可查。

3 刃具焊接及后续试验

3.1 刃具焊接结构：

3.1.1 焊接结构分类

插入式结构

3.1.2 焊接后刃具

3.1.3 焊接体常温力学实验报告通过实际测量刀杆可抗拉力18070N。

3.1.4 试件的加工

通过使用CrWMn为试验切削材料，淬火到HRC50-55，用数控铣机床进行切削试验。

结论

刃具可以完成预先设计好试验加工过程，加工中刃具性能稳定可靠。

结语

通过此项目达到硬质合金与结构钢钎焊刀杆的现场应用，能够更好利用现有设备、人员完成此项目所要求的工艺过程。

[1]朱警雷，黄继华，张华.赵兴科.硬质合金与钢异种金属焊接的研究进展[J].焊接，2008.

[2]罗庆.硬质合金的焊接工艺现状与展望 [J].现代焊接，2007.

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