釬焊是壹種傳統且應用廣泛的硬質合金焊接方法,其工藝成熟可靠。根據加熱方式的不同,可分為以下幾個過程:
1)火焰釬焊
火焰釬焊是壹種用可燃氣體(乙炔、丙烷等)的火焰進行焊接的方法。)與氧氣或壓縮空氣混合作為熱源。火焰釬焊設備簡單、靈活、操作方便,可根據工件形狀采用多種火焰同時加熱焊接。多采用絲狀或片狀的銅基和銀基焊料,其中以HL105錳黃銅焊料應用最為廣泛;釬焊焊劑通常是脫水硼砂。火焰釬焊主要適用於中小型硬質合金工具、模具和量具的小批量生產。對於大型硬質合金工具,由於火焰加熱的溫度和速度難以控制,加熱時會產生較大的溫度梯度,容易產生裂紋,所以壹般不采用這種方法。
2)電阻釬焊
電阻釬焊壹般可分為直接加熱法和間接加熱法。直接加熱法是將電極放在接頭兩側,使電流通過釬縫表面的接觸電阻升溫,從而完成焊接過程;間接加熱法是將電極置於接頭壹側的鋼基材上,利用釬焊縫壹側基材的電阻(或發熱元件)加熱電流,實現釬焊。間接加熱法可以避免電極與硬質合金接觸,防止硬質合金過熱和燒損,避免其硬度降低和開裂。可以使用銅基或銀基焊料,如H68、HL105等。其中HL105焊料剪切強度高,YT5工具焊可達28.5GPa,YG8工具焊可達29.7GPa。通常,釬焊劑是脫水硼砂7。
加熱電壓是電阻釬焊的壹個重要參數,需要選擇壹個合適的值來保證合理的加熱速率;其次,要保證電極與工件接觸良好。在加熱過程中,應及時排出熔渣,防止形成釬縫夾雜物和氣孔,降低強度。使用硼砂焊劑時,必須先脫水,否則由於結晶水的存在,在焊接過程中結晶水會蒸發,焊接區域會產生大量氣體,不僅影響正常的排渣,還容易在焊縫中產生氣孔7。
電阻釬焊操作簡單方便,比火焰釬焊效率高,工件表面氧化少,但加熱時容易造成工件局部過熱和燒損。此外,操作形狀復雜的工件、多刃刀具和尺寸較小的工件也不方便。
3)感應釬焊
感應加熱釬焊的優點是加熱速度快,釬料液化過程短,可在各種氣氛(空氣、保護氣體和真空)下進行,可減少硬質合金的過熱和氧化,提高焊接質量。這種方法的缺點壹是設備復雜,壹次性投入大,二是感應電流的表面效應。釬焊厚工件時,加熱溫度不均勻,釬焊質量難以保證,效率較低。所以壹般只適用於釬焊結構簡單的小尺寸焊件2(最好是軸狀細長型)。
感應釬焊的工藝參數壹般包括釬焊間隙、加熱速度、冷卻速度、感應線圈的形狀和尺寸、添加助焊劑的方式等。這些因素必須有壹個合適的組合範圍,這些因素的波動會對焊縫質量產生負面影響,尤其是在硬質合金中。
釬焊縫的間隙值是保證釬焊質量的重要參數。壹般認為,釬焊縫越小,焊接應力越大,反之亦然。釬焊縫間隙過小時,會發生“擠壓”和“釬焊不徹底”,降低接頭強度,增加焊接應力;但如果間隙過大,毛細作用會減弱,也會導致“釬焊不完全”,降低接頭強度。因此,適度的釬焊間隙對降低焊接應力和提高焊接牢度有很大的作用。
加熱和冷卻速度對鉆頭的焊接質量有很大影響。如果加熱速度過快,合金中會產生較大的應力;加熱過慢,高溫停留時間長,會使液態釬料的潤濕擴散更加完善,但會造成合金的氧化和燒損。加熱壹般不要超過100℃/s,如果冷卻速度過快,合金中會產生很大的收縮應力;冷卻速度過慢可以降低焊接應力,但對鋼體材料的淬火不利,所以60℃/s壹般適用於8。
感應線圈是感應加熱設備的重要組成部分,將交流電源的能量傳遞給焊件實現加熱。因此,感應線圈的結構是否合理對釬焊質量和生產率有很大的影響。正確設計和選擇感應線圈的原則是感應線圈應具有適合焊件的形狀,感應線圈本身與焊件之間的無用間隙應盡可能減小,最好不超過2 ~ 3 mm,以提高加熱效率。為了穩定均勻地加熱焊件,防止焊件尖角處局部過熱,應合理選擇感應線圈匝數、感應電流交變頻率等參數。
4)在爐中釬焊
在電阻絲加熱的加熱爐中對組裝好的工件進行加熱釬焊的方法稱為爐釬焊,其特點是工件整體加熱,加熱均勻,工件變形小。缺點是加熱速度慢,效率低。但對於大批量生產,可以在壹個爐內同時釬焊多個接頭和焊件,可以彌補加熱效率低的問題。爐中釬焊的加熱氣氛如下:
a)空氣爐
由於焊件在空氣中加熱時工件易被氧化,且升溫速度慢,不利於釬劑去除氧化膜,其應用受到壹定限制,已逐漸被保護氣氛爐和真空爐釬焊所取代。
b)保護氣氛爐
根據保護氣氛的不同,可分為還原性氣體爐釬焊和惰性氣體爐釬焊9種。壹般采用H2或CO作為還原氣體,既可以避免工件在加熱過程中的氧化,又可以減少工件表面的氧化膜,有助於焊料的潤濕。惰性氣體壹般有氬氣、N2、氦氣等。,對氣體純度要求較高,壹般在99.99%以上。煤氣入爐前必須經過脫水(矽膠、濃硫酸)和脫氧(海綿鈦)裝置。工件通常應該放在容器中,在流動的氣體中加熱和釬焊。使用惰性氣體比還原氣體更安全。加熱溫度、保溫時間和冷卻速率是主要的工藝參數。當加熱溫度高於900℃時,硬質合金的硬度會明顯降低。保溫時間過長,硬質合金的硬度也會降低。焊接後要慢慢冷卻,防止開裂。
c)真空爐
真空釬焊是基於金屬及其氧化物在真空加熱時蒸發,破壞其表面的氧化膜,從而達到脫膜的效果。在真空條件下,壹些金屬可以在熔點以下顯著蒸發,壹些金屬氧化物可以揮發。金屬的蒸發,尤其是金屬氧化物的蒸發,可以有效地破壞表面氧化膜,使真空條件下的無助焊劑焊接成為可能。對於以TiC為硬質相的YW硬質合金,采用Ag-Cu-Zn合金作為釬料並在真空爐中釬焊是壹種較好的方法,因為Zn的揮發可以增強Cu在焊接過程中的擴散能力,從而使焊縫強度提高13。
真空釬焊的優點是可以防止被焊金屬、硬質合金和釬料與氧氣、氫氣、氮氣等氣體介質發生反應,並且由於釬焊組件在真空爐中升溫和降溫緩慢,可以大大降低溫度梯度,有利於降低釬焊應力,獲得高質量的釬焊質量。在焊接大型工件和形狀復雜的硬質合金時,采用真空釬焊技術尤其有利。由於隨著環境氣壓的降低和溫度的升高,金屬及其氧化物的蒸發量為14,因此真空釬焊的爐內真空度、加熱溫度和保溫時間是影響釬焊質量的主要因素,正確選擇這些參數至關重要。
加熱溫度的選擇應參考所用焊料的實際熔點,在空氣中加熱壹般比熔點高10 ~ 30℃。在真空釬焊中,由於傳熱的滯後效應和為了提高釬料的流動性,加熱溫度要比在空氣中略高,14;對於相同尺寸的焊件,真空釬焊時的保溫時間應適當長於空氣爐中的保溫時間。如果時間太短,會來不及使焊料與待焊母材形成足夠的冶金結合,還可能因受熱不均勻而造成“虛焊”。反之,保溫時間過長,可能會導致焊料嚴重燒損蒸發,導致焊縫強度下降14。
真空度的選擇與焊接部位的材料、所用焊料的成分和性質有關,也與釬焊溫度有關。壹般應在10-3Mpa以上,才能獲得良好的脫膜效果。焊料中的鋅和銀在真空中明顯蒸發的溫度較低。為了避免焊料中這些元素的蒸發,當接近焊料的熔化溫度時,可以停止抽真空。此外,熔爐中所需的真空度可以從某些材料的焊接件和焊料的加熱溫度中推導出來。
5)激光釬焊
激光作為壹種新型的焊接熱源,具有加熱速度快、熱影響區窄、焊後變形和殘余應力小等特點,尤其在降低接頭熔合區脆化方面具有獨特的優勢。這使其應用於硬質合金的焊接成為可能。根據相關文獻,硬質合金的釬焊可采用激光“深熔焊”和“熱導焊”進行,純Cu和Ag-Cu合金可作為釬料。相關工藝參數主要包括激光功率、焊接速度、焦點位置、填充層厚度等。15-17.由於硬質合金與釬料的熔點相差很大,焊接時應嚴格控制工藝參數,使釬料在瞬間充分熔化浸透硬質合金,硬質合金基體可加熱到較高溫度而不熔化,從而更好地被液態釬料潤濕,形成理想的釬焊接頭16。
在激光“深熔焊接”過程中,激光功率密度很高。在激光直接作用的區域,硬質合金可以瞬間達到非常高的溫度,與釬料中的Cu發生激烈的“親和”作用,容易造成釬料的蒸發和過度燒損,導致表面出現嚴重的凹陷現象。因此,有必要通過適當調整工藝參數來減少焊料的燒損。另外,由於硬質合金中Co的含量壹般很低,在激光深熔焊接的高溫下容易逸出,使WC以疏松狀態存在。此時,硬質合金將無法保持其原有的致密燒結結構和性能,從而在接頭中不可避免地產生壹些裂紋、氣孔等缺陷。
在“熱傳導焊接”的過程中,激光束直接作用於焊料,需要表面鍍膜來提高焊料的激光吸收率。另外,為了使焊料在瞬間盡可能多地吸收激光能量並熔化,要使用小直徑光斑15。焊接時,激光束的大部分能量被釬料吸收,吸收的能量在極短的時間內迅速向下傳導,使其完全熔化,從而滲入硬質合金。這樣,很容易獲得沒有凹陷的完整釬焊接頭15。
激光釬焊過程中,由於熱過程極短,壹般只有硬質合金中的Co向液態釬料的溶解和短距離擴散,而釬料中的Cu基本不向硬質合金擴散,因此兩者之間的冶金結合不充分,會直接降低接頭的剪切強度。由於Ni的物理化學性質與硬質合金中的Co相似,所以它能與硬質合金很好地相容,並能與Cu無限混溶。因此,為了改善釬料與硬質合金的冶金結合,提高接頭質量,可以采用預先在硬質合金釬焊表面電鍍Ni的方法來改善。