1 引言
聚晶金剛石復(fù)合片由PCD(PolyCrystalline Diamond)層和硬質(zhì)合金基底組成。PCD層具有高硬度，硬質(zhì)合金基底則具有良好的韌性，二者結(jié)合使PCD復(fù)合片在切削加工、木材加工和鉆探等行業(yè)獲得了廣泛應(yīng)用。PCD工具的制作方法有多種，大體依據(jù)加熱方式、焊料的使用與否來(lái)劃分。制作過(guò)程中，加熱方式起著決定性的作用，焊料的選擇對(duì)焊接質(zhì)量會(huì)產(chǎn)生重大的影響，焊接接頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)也是提高質(zhì)量的重要手段。因此在PCD工具制造過(guò)程中，焊接成為其關(guān)鍵技術(shù)。
PCD復(fù)合片的焊接實(shí)質(zhì)上是硬質(zhì)合金基底與刀桿等支撐體的焊接。對(duì)硬質(zhì)合金的焊接多用Mn基釬料，釬焊溫度為1000℃左右。然而PCD層的耐熱溫度一般不超過(guò)700℃，否則會(huì)造成PCD層的熱損傷，降低刀具焊接后的使用性能。因此必須尋找一種既能降低釬焊溫度、又能同時(shí)保證足夠焊接強(qiáng)度的焊接方法。目前PCD復(fù)合片的焊接方法有激光焊接、真空擴(kuò)散焊、真空釬焊、高頻感應(yīng)釬焊、水冷釬焊、惰性氣體保護(hù)釬焊等。雖然焊接強(qiáng)度足夠，但有些方法所用設(shè)備的成本高、維護(hù)費(fèi)用大，且其工藝過(guò)程復(fù)雜，不便于生產(chǎn)操作，大大增加了PCD復(fù)合片刀具的制作成本，不利于PCD刀具的推廣應(yīng)用。本文就各種PCD復(fù)合片焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)進(jìn)行了比較分析。
2 PCD的焊接方法
激光焊接
激光焊(Laser Beam Welding)是利用高能量密度的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。激光焊接過(guò)程屬于傳導(dǎo)焊接，即激光輻照工件表面，產(chǎn)生的熱量通過(guò)熱傳導(dǎo)向內(nèi)部傳遞。通過(guò)控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復(fù)頻率等參數(shù)，使工件達(dá)到一定的熔池深度而表面又無(wú)明顯的汽化，即可進(jìn)行焊接。由于功率密度大(可達(dá)109W/cm2)，因此激光焊接過(guò)程中在金屬材料上生成小孔，激光能量通過(guò)小孔往工件的深部傳輸，減少橫向擴(kuò)散，材料的融合深度大，焊接速度快，單位時(shí)間焊合的面積大。此外，激光焊接形成的焊縫深而窄，深寬比大(可達(dá)2～10)，焊合單位面積所需能量小，熱影響區(qū)小，焊接變形小。一般不加填充金屬，依賴焊件自身融合。激光焊接系統(tǒng)有高度的柔性，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。但用激光焊接時(shí)，要求被焊件有較高的裝配精度，原始裝配精度不能因焊接過(guò)程熱變形而改變，且光斑應(yīng)嚴(yán)格沿待焊縫掃描而不能有顯著的偏移，否則將造成嚴(yán)重的焊接缺陷。此外，由于激光器及其焊接系統(tǒng)的一次投資較大，焊接成本高，對(duì)母材的要求較高，參數(shù)多，對(duì)操作技能的要求高等等，都制約了激光焊接的廣泛應(yīng)用。使用激光進(jìn)行PCD復(fù)合片的焊接，獲得的焊接接頭強(qiáng)度可高達(dá)1800MPa，且對(duì)金剛石層不會(huì)產(chǎn)生熱損傷，是一種理想的PCD焊接方法，目前多用于金剛石圓鋸片的焊接。
真空擴(kuò)散焊
真空擴(kuò)散焊(Vacuum Diffusion Bonding)是指在較高的溫度和較大的壓力下，使處于真空中清潔的零件表面相互靠近，在相當(dāng)小的距離內(nèi)原子相互擴(kuò)散從而將兩部分連接在一起的焊接方法。真空擴(kuò)散焊一般是在被焊材料熔點(diǎn)溫度(*溫度)的60%～80%的溫度下進(jìn)行的，因此對(duì)于膨脹系數(shù)差異很大的材料(如PCD復(fù)合片的硬質(zhì)合金基底與45#鋼刀桿)，此種方法顯得十分有效。在進(jìn)行擴(kuò)散焊時(shí)，零件在真空室中的加熱是在不斷往外抽氣的情況下進(jìn)行的，因而能除掉零件表面的吸附氣體和氧化膜。此外，真空擴(kuò)散焊能保持工件的幾何尺寸和形狀精度，獲得具有真空密封的、熱穩(wěn)定的、抗震的接頭。因此，真空擴(kuò)散焊在PCD地質(zhì)鉆頭的焊接中得到了廣泛應(yīng)用。它的應(yīng)用可保證鉆頭的質(zhì)量，提高焊接強(qiáng)度，增大鉆頭的進(jìn)尺深度。美國(guó)桑迪亞實(shí)驗(yàn)室在焊接表面進(jìn)行鍍鎳處理，鍍層厚25～50µ，然后在650℃下經(jīng)受214.62MPa的壓力達(dá)4小時(shí)，進(jìn)行真空擴(kuò)散焊，其剪切強(qiáng)度為413.36～551.2MPa。
使用真空擴(kuò)散焊進(jìn)行PCD復(fù)合片焊接時(shí)，其焊接工藝過(guò)程復(fù)雜，焊接時(shí)間較長(zhǎng)，成本高，需用專用設(shè)備，一次性投資很大。目前，真空擴(kuò)散焊一般只用于焊接強(qiáng)度要求高、使用時(shí)振動(dòng)較大的地質(zhì)鉆頭的焊接，還未用于大批量制造通用刀具的生產(chǎn)中。
真空釬焊
真空釬焊(Vacuum Brazing)是指在真空狀態(tài)下進(jìn)行零件的釬焊焊接。由于這種方法是在無(wú)氧化氣體的氣氛中進(jìn)行的，所以能獲得強(qiáng)度、韌性和均勻性都比較高的優(yōu)良接頭，是一種新興的焊接方法。進(jìn)行真空釬焊必須采用專用設(shè)備，焊接過(guò)程中，在控制真空度的同時(shí)還要控制焊接溫度，因此工藝復(fù)雜，操作難度較大。目前，利用真空釬焊的方法進(jìn)行PCD油田鉆頭的焊接，其釬縫的剪切強(qiáng)度可達(dá)451.9MPa。
高頻感應(yīng)釬焊
高頻感應(yīng)加熱技術(shù)是二十世紀(jì)初發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)加熱技術(shù)。由于它具有加熱速度快、材料內(nèi)部發(fā)熱和熱效率高、加熱均勻且有選擇性、產(chǎn)品質(zhì)量好、幾乎無(wú)環(huán)境污染、易于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)自動(dòng)化等一系列優(yōu)點(diǎn)而得到迅速推廣。目前，這種加熱技術(shù)在機(jī)床制造、汽車、拖拉機(jī)制造、軸承制造、量具刃具制造及一般機(jī)械零件制造中都得到了廣泛應(yīng)用，并且其應(yīng)用范圍日益擴(kuò)大，高頻感應(yīng)釬焊就是其中一個(gè)主要應(yīng)用方向。
高頻感應(yīng)釬焊(Hi-frequency Induction Brazing)就是利用電磁感應(yīng)原理使電磁能在釬料和零件中轉(zhuǎn)化成熱能，將釬料加熱到熔融狀態(tài)，從而將零件焊接在一起的焊接方法。采用這種方法，釬焊加熱速度快，功率密度可達(dá)10～100kW/cm2，通�？稍趲酌腌妰�(nèi)完成加熱過(guò)程，并能保證零件的尺寸精度，其剪切強(qiáng)度可達(dá)300～400MPa。
與激光焊接、真空擴(kuò)散焊、真空釬焊等焊接方法比較，高頻感應(yīng)釬焊的*大優(yōu)勢(shì)在于其設(shè)備投資少、焊接工藝易于掌握，其缺點(diǎn)在于高頻感應(yīng)加熱的溫度難于控制。目前，高頻感應(yīng)釬焊PCD復(fù)合片的應(yīng)用比較廣泛，但其工藝還有待于進(jìn)一步提高。
3 焊接接頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
金剛石圓鋸片特殊的接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)增強(qiáng)了鋸片的使用性能，減少了掉頭率，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。英國(guó)De Beers公司推出鑲有PCD的麻花鉆新產(chǎn)品，其新穎的接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，減少了PCD材料的浪費(fèi)，節(jié)約了開(kāi)支，可以實(shí)現(xiàn)鉆頭幾何參數(shù)的變化。
4 焊接釬料、釬劑的研究
除了對(duì)焊接方法和工藝的研究外，研究人員還針對(duì)PCD復(fù)合片的特點(diǎn)，開(kāi)發(fā)了專用的釬料和釬劑，用以改善釬料對(duì)焊接金屬的潤(rùn)濕能力。如De Beers實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的一種含鋼53%、金14.5%、錳29.0%、鎳3.5%的新焊料，改善了焊接質(zhì)量；含氯化鈷的釬劑能使銀基或銅基釬料很好的潤(rùn)濕PCD復(fù)合片和硬質(zhì)合金表面，并能防止它們脫鈷，從而提高焊接強(qiáng)度，降低鉆頭的脫片率；特殊的焊前處理方法能在PCD或硬質(zhì)合金表面燒滲一層Ni-Co-Pd合金層，填充其表面裂紋等缺陷，防止硬質(zhì)合金脫鈷，具有良好一致的潤(rùn)濕性，釬縫剪切強(qiáng)度可達(dá)320MPa。低銀釬料的研究一直是一個(gè)重要方向，一種低銀無(wú)鎘釬料結(jié)合與之匹配的釬劑使金剛石工具的剪切強(qiáng)度可達(dá)179.5MPa；組成為氟化鉀、氯化鈉、氟硼酸鉀、硼酸、蒸餾水等的銀釬焊膏，在500～700℃內(nèi)可配合各種銀釬焊料使用，增加潤(rùn)濕能力。與此同時(shí)，旨在降低成本、替代銀基釬料的低銀、無(wú)銀釬料的研究也很多，且效果很好。
5 結(jié)語(yǔ)
針對(duì)PCD耐熱性差的特點(diǎn)，采用水冷釬焊、惰性氣體保護(hù)釬焊等改進(jìn)方法是為了減少加熱過(guò)程對(duì)PCD層的熱損傷，以相應(yīng)地提高焊接溫度，獲得更高的焊接強(qiáng)度。
在改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的同時(shí)，新的制作方法也不斷涌現(xiàn)。美國(guó)宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)了一種焊接碳化鎢和金剛石硬釬焊接點(diǎn)的微波加熱工藝。這種接點(diǎn)能承受硬巖石鉆探溫度達(dá)900℃，并能用來(lái)制造鉆地?zé)峋玫慕饎偸繉鱼@頭。其原理是利用微波具有選擇性加熱的特點(diǎn)，不使金剛石過(guò)熱又能夠達(dá)到釬焊溫度的要求。為了連接材料，把厚2～3mm的金剛石圓盤放在厚0.08～0.8mm釬焊層間的頂部(釬焊層位于碳化鎢襯底上面)。將這個(gè)裝置放在微波室的強(qiáng)電場(chǎng)中，加熱到釬料熔化為止。釬料及其尺寸是根據(jù)焊件不同熱膨脹系數(shù)使得接點(diǎn)強(qiáng)度達(dá)到*大而殘余應(yīng)力*小來(lái)確定的。
綜上所述，合理的加熱方式是具有革命性意義的，可以帶來(lái)焊接質(zhì)量的大幅度提高。接頭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和釬料、釬劑的合理選擇以及水冷、保護(hù)氣體等輔助措施，均可改進(jìn)現(xiàn)有技術(shù)的不足。
