金剛石激光焊接技術

引　　言
　　金剛石取芯鉆頭不僅在地質勘探中有重要地位，更因為其具有鉆進速度快、石材損耗小、不破壞周邊環境等獨特優點而被廣泛應用于大理石、花崗石、鋼筋水泥墻面的鉆孔。金剛石鉆頭是在鋼的基體上連接一種由金剛石和胎體材料熱壓而成的一種復合燒結體，常稱之為刀頭。國內的鉆頭常采用釬焊的方法連接。金剛石取芯鉆頭工作時由于轉速極快，受強烈的沖擊和震動，需要高的剪切強度和高溫強度。釬焊的鉆頭刀頭經常由于高速鉆進發熱引起釬料熔化而脫落。所以，國外從80年代后期就發展用激光焊代替釬焊，激光焊與釬焊比較有如下優點：由于基體與刀頭是冶金結合，強度高，刀頭不易脫落，特別是在無水的情況下；焊縫為細小均勻的柱狀晶組織，不易產生裂紋，保證鉆頭在高速鉆進時不致于開裂而產生危險；焊縫和熱影響區極窄，對金剛石沒有影響，保證了產品的最佳性能；易于實現自動化，效率高，質量穩定可靠，并且產品的平均成本低。

　　金剛石取芯鉆頭的結構。目前國外市場需要的激光焊鉆頭幾乎與激光焊鋸片相當，市場潛力很大，利潤也相對較高。由于金剛石取芯鉆頭的刀頭是粉末冶金材料，不可避免地存在孔隙，焊接難度大；基體與刀頭是異種材料的焊接，刀頭比基體厚，難于雙面焊接，所以比起金剛石圓鋸片來焊接難度更大，目前國內還未發現這方面的報道。我們經過幾百次的試驗和探索，取得了較好的效果，成功地解決了關鍵技術，現已應用于實際生產中，產品全部出口，用戶反映良好。

1　試驗裝置及方法

　　試驗是在美國進口的快速縱流激光器上進行，該機是美國80年代先進產品，型號為EFA-51，輸出模式為TEM00和TEM01，最大輸出功率為1500W。選用f=100mm的GaAs聚焦透鏡，通同軸保護氣體Ar氣以保護焊縫及透鏡。鉆頭基體和刀頭被裝夾在專用的夾具上。回轉工作臺能帶動夾具及鉆頭作圓周運動，并且能在一定范圍內調節角度。激光束稍偏于基體一側，并采用一定的負離焦。為使刀頭基體吻合良好，刀頭焊前須磨弧、去毛刺，以免漏光損失能量；為減少焊接缺陷，焊前必須去除焊接部位及其附近的油污、氧化皮和水分。

基體材料為普通的45#鋼，經調質處理，厚2mm；由于金剛石在高溫下易石墨化，激光焊接時會在焊縫中出現空洞，所以，刀頭需設計1.5mm～2mm的過渡層，我們通過大量的試驗，選取一種特殊的Co混合物作為過渡層，刀頭厚3mm。

　　 鉆頭焊后，目測和用10倍放大鏡觀測焊縫外觀，檢驗焊縫有無氣孔、咬邊、裂紋等宏觀缺陷，然后采用DSA標準用專用的彎曲強度檢測儀檢驗每個刀頭的彎曲強度。

2　試驗結果及分析

2.1　材質分析

　　 基體材料在激光焊條件下有較好的焊接性。刀頭則不一樣，由于是粉末冶金材料，焊接時極易出現氣孔甚至空洞，當焊接參數不當時，還會產生裂紋，極大地影響了焊接強度。刀頭的性能對焊接性能的影響非常大，機械性能好且致密的刀頭在激光焊條件下，只要焊接參數選擇得當，就能得到符合使用性能的焊縫，其抗彎強度可達到或超過1800N/mm2，斷在刀頭。在材料一定時要使刀頭性能優良，首先必須提高刀頭壓制密度，可采用選擇顆粒細、形狀均勻之粉末壓制，另外，在不影響金剛石性能的前提下，盡量提高燒結溫度和壓制壓力，并選擇合適的保溫時間對提高刀頭的機械性能很有必要。
刀頭內不可避免的存在孔隙，刀頭的密度是不能達到理論值的，但是合適的壓力、溫度以及保溫時間、粉末混合時間及速度都是刀頭致密和均勻的重要保證，從而保證有良好的焊接性能。試驗表明：當單位壓力在20MPa左右、溫度在800℃左右、保溫時間為4min時，即可得到能滿足激光焊需要、又不損壞模具及金剛石性能的刀頭。刀頭的密度對焊縫強度的影響最大，低密度的刀頭焊接出來的焊縫強度是很低的，幾乎不可能達到所需強度。