高速钢与碳钢异种钢焊接工艺研究

喻红梅

摘 要：高速钢具有高硬度、热硬性和耐磨性，广泛用于车刀、铣刀、钻头等工具中。本文分析了高速钢与碳钢异种钢的焊接性，总结高速钢焊接的传统的熔焊方法，以及工具焊接中普遍使用的摩擦焊、闪光焊和钎焊和新型的相变超塑性焊接方法。

关键词：高速钢；焊接工艺；摩擦焊；钎焊

Abstract： High speed steel with high hardness and hot hardness and wear resistance， widely used in lathe tool， milling cutter， drill and other tools. This paper has analyzed the high speed steel and carbon steel welding of dissimilar steels welding methods， summarize the traditional high-speed steel welding， and welding tools widely used in friction welding， flash butt welding and brazing and model transformation super plasticity welding method.

Key Words： High speed steel； Welding procedure； Friction welding； Brazing

由于高速钢具有高硬度、耐热性和耐磨性，且强度和韧性是在现有刀具材料中是最高的，同时，高速钢刀具在使用过程中能承受较大的冲击载荷，绝大部分用于制造刀具。几十年来尽管各类高性能刀具材料不断出现，特别是硬质合金在刀具领域的比重增大，但高速钢仍占一半以上，在复杂刀具的使用量更大。高速钢按其主要成分分为钨钢和钨钼钢。常用的钨钢有W18Mo4V、W18Cr4V，钨钼钢有W6Mo5Cr4V2、W9Mo3Cr4V（W9）、W6Mo5Cr4V2 等[1]。由于钨原材料价格的上涨，为节约成本，刀具制造过程中，刀刃和刀柄分別采用高速钢和碳钢焊接而成，再经过机加工和热处理，得到所需要的刀具。

1.高速钢与碳钢异种钢焊接性分析

1.1碳迁移

刀具用碳钢含碳量0.42%～0.50%，高速钢含碳量0.77～1.65%，合金元素含量高达10～25%。由于两种钢含碳量和合金元素的差异，焊接接头经热处理后容易发生碳迁移，碳钢一侧的碳可能会想高速钢一侧迁移，迁移的结果使得碳钢一侧出现脱碳层而软化，高速钢接近焊缝一侧出现增碳层而硬化，使接头的塑性和强度明显降低。

1.2焊接裂纹

由于高速钢高淬透性，焊后易产生马氏体组织，同时高速钢的导热系数比碳钢低，两种钢的线膨胀系数也存在着明显的差异，由于线膨胀系数的差异导致在焊接连接后的冷却过程中，焊缝两侧的收缩量不同，导致焊接接头出现复杂的高应力状态，进而加速焊接裂纹的产生。

2.高速钢与碳钢异种钢熔焊

高速钢含碳量高，含有Cr、Mo、V等合金元素，淬透性高，焊接性差。焊条电弧焊可用于高速钢的修复，刘先兰等[2]通过选用以普通低碳钢作为焊芯，合金元素通过药皮过渡的焊条对齿轮模数铣刀进行预热堆焊，焊后经退火、调质等工序，可恢复切削工具的尺寸。但是焊条电弧焊对焊接工艺要求高，焊接前需要将工件加热到500℃以上，焊后热处理复杂。激光焊具有功率密度高、能量集中、HAZ小的优点，湖南大学陈刚等[3]采用CO2激光焊接对W2Mo9Cr4VCo8（M42）和X32钢进行焊接，焊接接头的性能优良，抗拉强度好，焊接接头硬度稍高于母材。

3.高速钢与碳钢异种钢固相焊接

3.1摩擦焊

摩擦焊是固相焊接的一种连接技术，这种焊接方法母材不熔化，焊缝主要为锻造组织，晶粒细化，组织致密，夹杂物弥散分布，不产生与熔化和凝固有关的一些焊接缺陷和与之相关的焊接脆化现象，同时摩擦焊接表面的“自清理”作用亦有利于保证焊接接头的质量。为高速钢W9Mo3Cr4V钢和45钢刃具焊接时易出现裂纹和碳迁移等问题，哈尔滨焊接研究所的朱海等[4]对高速钢与45钢摩擦焊在相变温度以下的焊接进行可行性研究。通过不同温度金相组织的研究，表明在800℃时接头性能达到了母材水平，硬度分布较均匀，未出现相变温度以上时的硬度高峰。

3.2闪光对焊

闪光焊是对两个对接接触的工件通电，工件接触点的电阻极其接触表面的电弧产生热量，然后对接头两端施加压力，从而使工件达到原子间结合的一种焊接方法。西北工业大学毛信孚等[5]采用LM150-2半自动闪光焊机对45钢和W18Cr4V进行焊接，焊接接头质量稳定。

固相焊接中除了传统的摩擦焊和闪光焊以外，超塑性焊接是一种新的高速钢和碳钢的焊接方法。超塑性焊是利用材料超塑性状态下，低应力下易产生大的塑性流变和原子扩散迁移率，能在较短时间、较低温度最大程度地实现高质量连接。与摩擦焊和闪光焊相比，经超塑性焊接的W6Mo5Cr4V2和45钢焊接毛坯可不经退火直接进行机加工，硬度过渡也比较平滑[6]。

4.高速钢与碳钢异种钢钎焊

钎焊常用于高速钢和异种钢的焊接。高速钢钎焊的主要问题在于它的组织和性能易受钎焊过程的影响。如果钎焊工艺不当，极易产生高温退火、氧化和脱碳等问题。W18Cr4V的淬火温度为1260～1280℃，为避免上述问题的发生，确保工具在切削时具有最大的硬度和耐磨性，要求其钎焊温度必须与淬火温度想适应。国内某企业通过采用高温钎焊炉代替传统的盐浴炉和真空炉，炉内为不可燃气体液氮、CH3OH和C3H7OH，可同时完成高速钢钎焊和热处理工序，焊后的工件不仅不氧化、不脱碳，而且工件的表面质量超过原件的质量[7]。

5.结论

由于高速钢的焊接性较差，焊后容易产生裂纹，焊后经热处理易发生碳迁移现象，影响接头的力学性能，熔焊中能量密度高、热影响区小的激光焊可用于高速钢的焊接。高速钢焊接的应用最多的摩擦焊和闪光焊，焊接速度快，焊接质量可靠，但是摩擦焊和闪光焊焊接接头由于碳迁移存在贫碳区和增碳区。高速钢相变超塑性焊接的方法，焊后的硬度过渡比较平滑，可获得性能优良的接头。另外，钎焊可用于高速钢和碳钢的连接，钎焊的焊接质量容易受到焊接工艺的影响，焊后容易发生高温退火、氧化和脱碳等问题。

参考文献：

[1]戚正风，任瑞铭. 国内外刀具材料发展现状[J].金属热处理，1996，01，15-20

[2]刘先兰. 高速钢齿轮模数铣刀的合金堆焊修复工艺[J]工具技术，2003， 37（5）：37-39

[3]陈刚，杨全毅，周明哲等. M42/X32异种金属CO2激光焊接接头组织和性能的研究[J].湖南大学学报（自然科学版），2013， 40（11）

[4]朱海，任希凡，张忠信，王兴斌. 高速钢相变温度以下的摩擦焊[J].焊接学报，1996，01

[5]毛信孚，刘小文，王玉，冯红超. 碳素结构钢与高速工具钢摩擦焊与闪光焊接头的组织和性能[J]. 材料工程，2006，12：28-31

[6]杨仁山，胡廷法. W6Mo5Cr4V2-45#钢的相变超塑性焊接[J]. 工具技术，1996，30，：20-21

[7]管恩荃. 氮基可控气氛高速钢钎焊热处理炉的应用[J]. 焊接技术，2003，12：30-31