深孔钻头激光焊接基体材料的优选研究*①

潘晓毅,刘志环,罗文来,林峰,王进保,王智慧.,苏钰.,程煜

(1.广西超硬材料重点实验室,广西桂林;2.国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林; 3.中国有色桂林矿产地质研究院,广西桂林 541004)

深孔钻头激光焊接基体材料的优选研究*①

潘晓毅1、2、3,刘志环1、2、3,罗文来1、3,林峰1、2、3,王进保1、2、3,王智慧1、2、3.,苏钰1、2、3.,程煜1、2、3

(1.广西超硬材料重点实验室,广西桂林;2.国家特种矿物材料工程技术研究中心,广西桂林; 3.中国有色桂林矿产地质研究院,广西桂林 541004)

以NEXT300粉冶结块与几种基体材料在相同参数下对焊的形式,进行了金刚石工具激光焊接模拟实验。根据接头失效分析,对四种基体材料焊件进行了抗拉、抗弯与冲击试验,对比试验结果进行优选。实验结果表明,在相同焊接工艺条件下,四种基体材料(S136、30Cr Mo、45Mn MoB、45#钢)中,30Cr Mo同NEXT300结块激光焊接与综合力学性能最好。

激光焊接;金刚石工具;力学性能;NEXT300;30Cr Mo

1 前言

近些年来,资源节约、高效便捷、安全环保的生产方式越来越受到人们的重视。激光焊接以能量集中、能量输出覆盖范围广、焊接过程无需填充钎料、可焊材质种类范围大、异种材料焊接性能好、焊接深宽比高、易于实现自动化等特点广受青睐,广泛应用于多个领域。

上世纪80年代末,激光焊接技术在欧美发达国家开始应用于金刚石工具的制作生产中,如金刚石锯片、金刚石薄壁工程钻头等,经过20多年的发展,技术日趋成熟。激光焊接金刚石工具具有焊接强度高、不易掉块、可实现快速自动化焊接生产、产率高等常规焊接、烧结生产方式无法比拟的优势。随着激光焊接设备与技术上的进步,在未来,其必将更为广泛地应用于金刚石工具的生产设计制造领域,逐步取代现有中频烧结、高频焊接等传统金刚石工具制造模式。激光焊接金刚石工具有结块独立烧结、金刚石损伤小、结合强度高等传统工艺无法企及的特点,其在金刚石工具领域的推广对金刚石工具行业的意义重大。

在金刚石工具中,基体材料与金刚石结块结合质量的优劣左右着所制造工具的性能与质量。因此,基体材料的激光焊接性能研究优选对于激光焊接金刚石工具的设计、制造具有重要的意义。

本实验以金刚石工具激光焊接模拟、接头关键力学性能(抗弯、抗拉、冲击强度)测试的方式,对激光焊接金刚石工具基体材料进行了可焊性优选研究。

2 试验材料与焊接方法

2.1 焊接材料

绝大多数的焊接类金刚石工具均由基体与金刚石粉冶结块组成。本试验以S136、30Cr Mo、45Mn MoB与45#钢作为基体材料研究对象,为方便激光焊接与力学测试试样的加工,焊接前将所选用材料以线切割加工成尺寸为50mm×20mm×10mm的待焊基体试样;以NEXT300预合金粉末烧结块体(烧结参数:真空热压,烧结温度850℃,加压25MPa)作为金刚石结块模拟试样,NEXT300结块烧结尺寸为50mm×20mm×10mm。所选各基体材料化学成分如表1,NEXT300预合金粉相关参数如表2。

表2 NEXT300预合金粉物理参数Table 2 Physical parameters of the NEXT300 pre-alloy powder

2.2 焊接设备、方法

试验选用激光发生器为德国ROFIN-SINAR公司生产的DC025型板式激光器。技术规格:最大功率2.5kW;光斑模式:TEM00+TEM01;焦斑尺寸:0.2mm;焦距长度:150mm。

试验选用激光焊接机为韩国DIEX公司生产的LWB15/2D型激光焊机。主要技术参数:总功率: 50k W;激光输出功率:2500W;焊接速度:0.5～3m/ min;激光波长:10.6μm;光斑直径:20mm。焊机转盘以磁性夹紧工件,人工安装与拆卸工件。

采用激光焊接的方式对基体—NEXT300烧结块体组合进行人工对焊,为保障焊接结合深度采用双面焊。选取20mm×10mm面作为对焊面,焊前将对焊面打磨光滑平整,并用酒精与汽油将油污、杂质、锈迹等清理干净。采用统一的焊接工艺,工艺参数见表3。

表3 焊接工艺参数Table 3 Welding parameters

3 试验过程与分析讨论

为优选出适用于激光焊接金刚石工具的基体材料,本实验对各钢体材料的焊件接头进行了拉伸、弯曲和冲击性能检测对比,以检测结果作为依据对焊接质量进行评估。

3.1 拉伸试验

焊接接头的抗拉强度是判定焊接质量的重要参数之一,抗拉强度高,则接头牢固,深孔钻头的钻进过程中掉齿的危险性就小。根据GB/T2651-2008《焊接接头拉伸试验方法》进行试验,取样如图1,厚1mm,在INSTRON5569型微机控制电子万能试验机上进行拉伸试验。试样从焊接接头垂直于焊缝轴线方向截取,按图1加工完成后焊缝的轴线位于试样平行长度的中间位置。厚度一致,焊缝处理平整。焊件接头拉伸试验结果见表4。

图1 拉伸试样Fig.1 Tensile sample

表4 拉伸试验结果Table 4 Results of the tensile test

NEXT300结块是通过粉末冶金方式制作的,其烧结温度远低于块体中主要金属相的熔点。故而,模拟钻齿烧结块体材料内部结合力很低,比不上通过熔铸手段制作的钢材。激光焊接会在瞬时释放高温,其温度远高于所焊接材料的熔点,焊缝处金属间结合力很强,所以,在拉伸测试试验中,各试样总是断于偏烧结块体材料一侧的热影响区。

根据表4对比可知,30Cr Mo焊接效果最好,抗拉强度为669.40MPa,远大于钻头制造中常规使用的45#钢的332.10 MPa,抗拉强度约为45#钢200%;45Mn MoB次之,为523.85 MPa,抗拉强度约为45#钢的160%;S136效果最差,仅为45#钢的71%。

根据国际焊接学会(IIW)推荐的碳当量经验公式:

4种基体材料按碳当量由低到高排序为: 30Cr Mo、45Mn MoB、45#钢、S136,根据碳当量进行评判,易焊性由高到低排序为30Cr Mo、45Mn MoB、45#钢、S136。碳当量低的碳钢与合金钢易焊性好,焊后强度高,这与表4中的测试结果是相吻合的。

3.2 弯曲试验

金刚石工具激光焊接质量的优劣另一个评判标准是接头的抗弯强度。

图2 弯曲试样Fig.2 Bending sample

根据GB/T2653-2008《焊接接头弯曲试验方法》进行测试试验,取样尺寸为50mm×10mm× 5mm,试样如图2,厚5mm,在SANS4504型微机控制电子万能材料试验机上进行三点抗弯试验。截取试样垂直于焊缝轴线方向,焊缝位于试样平行长度中间部分,两面平整,试验时压力准确加载于接头处。焊件接头三点抗弯试验结果见表5。

表5 弯曲试验结果Table 5 Results of the bend test

由弯曲试验结果对比可知,30Cr Mo焊件抗弯强度最高,为1235.59MPa,约为45#钢抗弯强度629.54 MPa的200%;45Mn MoB的焊件次之,达840.71 MPa,较45#钢高出33%;S136焊件抗弯强度最低,只有392.42MPa,仅为45#钢的62%。

图3为30Cr Mo焊件焊缝及周边的EDS图,图中上半部分为30Cr Mo基体,下半部分为NEXT300结块。各曲线由右至左表征的元素依次为Fe、Be、Co、C、Cr、Mo,最底部黄色直线为EDS分析轨迹。

由图可以看出焊缝周边区域孔隙率低,融合完整。根据各曲线分布可以看出,各元素成分沿着轨迹方向(垂直于焊缝方向)均匀过渡,没有出现比较大的偏差。由于焊缝与热影响区成分的均匀过渡,焊件内部力学性能均匀,不易产生应力集中,且Mo元素的均布可有效防止材料脆性的产生,使焊件整体塑性上升。故而,试验中30Cr Mo焊件抗弯强度最高,约较第二位的45Mn MoB焊件高出46.97%。

3.3 冲击试验

冲击强度是金属材料、机械零件和构件抗冲击破坏的能力,是对材料承受瞬时载荷能力的考量标准。激光焊接金刚石工具接头抗冲击强度的对比研究对基体材料激光焊接质量评断有重大意义。

图3 30Cr Mo基体焊件EDS图件Fig.3 EDS diagram of 30Cr Mo weldment

图4 冲击试样Fig.4 Impact sample

根据GB/T2650-2008《焊接接头冲击试验方法》进行取样测试,取样尺寸形状如图4,高10mm,试样开V型缺口(V型缺口尺寸如图4所示),缺口中心顶端位于接头上,缺口平面平行于焊缝表面。在AST-KT843摆锤冲击仪上进行冲击试验,冲击试验参数:摆锤最大功:7.5J;支撑线间距离: 40mm;环境温度:21℃;湿度:53%。

4种基体材料同NEXT300烧结块体的激光焊件接头冲击试验结果见表6。

表6 冲击试验结果Table 6 Results of the impact test

如3.1所述,同理,在冲击试验中,试样的断面总是处于冲击点周边偏于烧结块体一侧。试验结果对比可得:30Cr Mo焊件冲击强度远高于其余3种焊件,为74.46 kJ·m-2较45#钢高出约27%; 45Mn MoB与45#钢的焊件冲击强度近似,分别为57.03 k J·m-2与58.76 k J·m-2;S136钢体焊件最低,只有29.54 k J·m-2约为45#钢的50%。

图5为S136焊件能谱分析图片,所选视域为接头处,以标记v口为分界,左上方为基体材料,右下方为NEXT300结块。图中各曲线由右上至左下依次为Fe、Be、Cr、Co与Cu,最下方黄色直线为分析轨迹。

图5 S136基体焊件EDS图Fig.5 EDS diagram of S136 weldment

由图5中可以看出,在靠近V口顶端偏结块方向出现了一块Fe、Co含量急剧降低与Cr元素大量富集的区域,部分部位Cr含量(百分比)远高于Co,接近Fe含量(百分比)。Cr的区域性富集会导致该处硬度上升,脆性增强,在冲击试验中易造成应力集中,产生裂纹。故而S136焊件的冲击强度最低,仅为45#钢焊件的50.27%。

4 结论

(1)金刚石焊接工具中,金刚石结块部分为粉末冶金方式烧结而成,脆性高于基体材料,在发生断裂时断裂部位多发生在焊接接头周围偏结块一侧;

(2)30Cr Mo—NEXT300激光焊接焊件接头部位及周围成分较均匀过渡,力学性能较均衡,Mo的均布能使焊件接头部位脆性有效降低,提高焊接质量;

(3)S136—NEXT300激光焊接焊件接头周围元素分布不均,靠近焊缝偏结块一侧会出现区域性Fe、Co含量百分比急剧下降,Cr元素含量百分比急剧上升,导致该区域易造成应力集中产生裂纹源,严重影响焊接质量;

(4)在4种材料(S136、30Cr Mo、45Mn MoB、45#钢)的模拟激光焊接试验中,由焊件抗拉、抗弯、冲击强度对比可知:30Cr Mo激光焊接质量与各项综合力学性能最好,同NEXT300结块对焊的激光焊件抗拉强度可达669.40MPa,抗弯强度可达1235.59MPa,冲击强度可达74.46kJ·mm2,30Cr Mo从焊接性能而言更适合于制造激光焊接金刚石制品。

[1] 雷玉成,等.焊接成形技术[M].北京:机械工业出版社,2004.

[2] G.Weher.Laser welding of diamond tools[J].Industrial Diamond Review.1991,3:126-128.

[3] 吕智,等.超硬材料工具设计与制造[M].北京:冶金工业出版社, 2010.

Optimization study on body material in laser welding deep-hole drill bits

PAN Xiao-yi1,2,3,LIU Zhi-huan1,2,3,LUO Wen-lai1,3,LIN Feng1,2,3, WANG Jin-bao1,2,3,WANG Zhi-hui1,2,3,SU Yu1,2,3,CHENG Yu1,2,3
(1.Guangxi Key Laboratory of Superhard Materials,Guilin 541004,Guangxi; 2.National Special Mineral Materials Engineering Research Center,Guilin 541004,Guangxi; 3.China Nonferrous Metal(Guilin)Geology and Mining Co.,Ltd.,Guilin 541004,Guangxi)

This paper completes laser welding simulation experiment of diamond tool by welding NEXT300 sintered bulk to several different body materials in the same parameters.According to the welded joint failure analysis,the tensile,bending and impact strength of four different body materials laser weldments were measured and contrasted. The results show that in the same welding parameters the 30Cr Mo steel weldment has the best weldability and comprehensive mechanical properties in the four materials including S136 steel,45Mn MoB steel,30Cr Mo steel and C45 steel.

laser welding;diamond tool;mechanical property;NEXT300;30Cr Mo

TQ164

A

1673-1433(2013)04-0029-05

2013-10-27

潘晓毅(1988-),男,工程学学士,毕业于四川大学,现就职于中国有色桂林矿产地质研究院国家特种矿物材料工程技术研究中心,主要从事金刚石制品及相关技术开发工作。Email:joky_pan@126.com

国家科技部科研院所技术开发专项:深部找矿新型钻头研究(国科发财[2013]460号,项目编号2013EG115007)、广西科学研究与技术开发计划,深孔取芯钻头WC-Co-Cu基金属结合剂稀土改性研究(桂科攻1348008-3)、2013年中国有色集团科技计划:深部找矿超长寿命钻头胎体预合金强韧化技术的研究(2013KJJH11)