摘要：采用部分不等間隙接頭設計方案和Ag-Cu-Zn-Cd釬料，通過在空氣中高頻感應加熱(釬焊溫度690℃)，成功實現了PCD復合片與45鋼刀桿的高強度焊接。根據釬焊試驗結果，分析了釬料潤濕性、釬焊溫度、恒溫保持時間和釬焊金屬表面粗糙度對接頭強度的影響。
　　1 引言
　　
　　聚晶金剛石復合片由PCD層和硬質合金基底組成。PCD層具有高硬度，硬質合金基底則具有良好韌性，二者結合使PCD復合片具有優異的切削性能，因此在金屬切削加工和鉆探等行業獲得了廣泛應用。
　　
　　聚晶金剛石復合片釬焊工藝是制造聚晶金剛石刀具的關鍵技術。聚晶金剛石復合片的硬質合金基底對釬料潤濕性差，與45鋼刀桿的熱膨脹系數差異大，易產生焊接應力，造成脫焊，不易保證焊接質量。硬質合金的釬焊通常采用Mn基釬料，釬焊溫度約為1000℃。而PCD層的耐熱溫度一般不超過700℃，否則會引起PCD層石墨化，降低釬焊后刀具的使用性能，因此必須采用既可降低釬焊溫度又可保證焊接強度的焊接方法。目前常用的PCD復合片釬焊方法主要有激光焊接、真空擴散焊、真空釬焊、水冷釬焊、惰性氣體保護釬焊等。這些方法雖能達到足夠的焊接強度，但焊接設備投資大，運行維護費用高，且工藝過程復雜，生產操作繁瑣，大大增加了PCD刀具的制造成本，不利于這種先進刀具的推廣應用。本文采用部分不等間隙接頭結構設計，使用銀基釬料(Ag-Cu-Zn-Cd)，在空氣中利用高頻感應加熱方式進行釬焊(釬焊溫度690℃)。這種釬焊工藝操作簡便，生產效率高，加工成本低，并可保證釬焊質量。

　　圖1 部分不等間隙接頭結構示意圖
　　2 可減少焊接缺陷和殘余應力的接頭設計
　　
　　
　　
　　無論采用何種釬焊工藝，一般很難完全消除釬焊缺陷。釬縫中產生氣孔、夾渣等缺陷與釬焊過程中釬料的熔化以及釬劑填縫過程密切相關。在高頻感應加熱時，由于集膚效應和尖角效應的影響，45鋼刀桿釬縫的邊緣溫度高于內部溫度，邊緣釬料首先融化，使釬縫內部殘留的氣體、釬劑等很難從狹窄的平行間隙中排出釬縫，因此容易在釬縫中形成氣孔、夾渣等缺陷。由于硬質合金基底的熱膨脹系數(a=4.5～7×10-6/K)與45鋼刀桿的熱膨脹系數(a=11.65×10-6/K)相差較大，加熱時兩種材料各自膨脹，焊后冷卻時，由于焊料已將兩種材料牢固連接而不能自由收縮，從而在材料中引起殘余應力(焊縫處為壓應力，PCD表面為拉應力)，并使焊接質量下降。為提高焊接質量，在實際生產中可采用圖1所示的部分不等間隙接頭結構來減少釬焊缺陷和殘余應力。
　　
　　由圖可見，中間平面可保證焊接面間的相對位置精度，兩邊的縫隙有利于排出氣體和釬劑。加熱時，首先用釬料填滿釬縫的中間部分，然后再填充邊緣部分，中間部分包圍的氣體、夾渣隨釬料的填縫作用逐漸向邊緣大間隙處流動，最后被排出釬縫之外，從而可獲得組織致密的釬縫。同時，兩邊的縫隙可減少熱膨脹系數較大的45鋼刀桿冷卻時的收縮量，以緩解殘余應力的增大。在二者綜合作用下，釬焊質量可大大提高。
　　3 PCD復合片高頻感應釬焊試驗
　　試驗方法與設備
　　試驗方法
　　PCD復合片經EDM切割成所需形狀后，用金剛石砂輪磨削硬質合金基底，再將其放入超聲波清洗器中進行清洗，然后連同經銼削加工的45鋼刀桿和經砂紙打磨的釬料片一起放入丙酮溶液中浸泡2～4小時備用。按順序將釬劑(糊狀)、釬料片、復合片放在45鋼刀桿上，然后在空氣中采用高頻感應加熱方式進行釬焊，焊后刀具經緩慢冷卻后用噴砂機噴砂，以去除表面殘渣。影響PCD復合片釬焊強度的主要因素包括釬焊溫度、恒溫保持時間、釬焊金屬表面加工質量等，其中以釬焊溫度和恒溫保持時間對接頭強度影響最大，對焊接質量起著決定性作用。為確定最佳釬焊溫度和時間，分別進行下列試驗：①釬料對45鋼刀桿和硬質合金基底(YG8)潤濕能力的測試；②剪切強度與釬焊溫度的關系；③剪切強度與釬焊恒溫保持時間的關系；④剪切強度與釬焊金屬表面粗糙度的關系。

　　圖2 模糊控制與同步數據采集系統結構圖
　　試驗材料與設備
　　試驗材料：45鋼刀桿，PCD復合片，銀銅釬料，101釬劑，丙酮溶液。
　　試驗設備：超聲波清洗器；工具顯微鏡；剪切強度測定裝置(自制)；用于控制釬焊參數和采集試驗數據的單片機模糊控制及同步數據采集系統(自行開發，結構見圖2)。國產GP15-CW6型高頻感應加熱設備(自制加熱感應圈)；美國Wahl公司HSM-672型紅外測溫儀(響應時間0.1s)。單片機控制系統由8031芯片加上各種擴展芯片及必要電路組成，采用臺灣PCL-818L型A/D轉換卡，ADC0809型A/D芯片，負載由加熱感應圈和工件組成；前置放大電路選用OP-07和LM324對紅外測溫儀輸出信號進行放大，以便進行模數轉換。

　圖3 系統采集的釬焊過程加熱熱循環數據

圖4 釬料對不同釬焊金屬的潤濕角與釬焊溫度的關系

　圖5 釬焊溫度與剪切強度的關系

　　圖6 釬焊恒溫保持時間與剪切強度的關系
　　
　　試驗結果與分析
　　根據系統采集的數據，可得出圖3所示感應加熱釬焊熱循環過程圖。圖中，橫坐標為加熱時間t，采樣時間間隔為1ms；縱坐標為輸出電壓值，由于紅外測溫儀的輸出關系為1mV對應于1℃，因此可直接用溫度值T標注。曲線AB段為加熱升溫階段，BC段為釬焊恒溫階段，CD段為停止加熱階段。取BC段對應數據的平均值作為釬焊溫度，BC段對應的時間為釬焊恒溫保持時間。
　　
　　釬料對釬焊金屬的潤濕能力
　　在PCD復合片釬焊接頭形成過程中，釬料對釬焊金屬的潤濕性能直接影響焊接質量，因此需要測試分析釬料對釬焊金屬的潤濕情況。在不同溫度下，采用相同釬焊恒溫保持時間(20s)，測量釬料對硬質合金和45鋼的潤濕角，測量結果如圖4所示。
　　由圖可見，對于45鋼刀桿和硬質合金基底，隨著溫度升高，潤濕角隨之減小。在700℃附近潤濕角明顯下降，之后隨著溫度的升高，潤濕角變化不大。釬焊溫度對硬質合金上釬料潤濕角的影響較45鋼大。在相同溫度下，45鋼的潤濕角小于硬質合金的潤濕角，所以釬料對45鋼的潤濕性能優于硬質合金，即釬料與45 鋼的結合強度高于硬質合金。在顯微鏡下觀察發現剪切破壞斷面主要發生在硬質合金一側的事實也證明了這一點。
　　
　　釬焊溫度對釬焊接頭強度的影響
　　如圖5所示，選取7個溫度點在高頻感應焊機上進行釬焊試驗。焊后對刀具進行噴砂處理，以去除焊接過程中產生的氧化皮，然后將刀具置于剪切破壞試驗裝置上測量其剪切強度，得到釬焊溫度與剪切強度的關系曲線(見圖5)。隨著焊接溫度的升高，剪切強度增大。在670～680℃附近，剪切強度變化較大；在690℃附近剪切強度相對穩定。
　　
　　恒溫保持時間對釬焊接頭強度的影響
　　對PCD復合片進行釬焊時，恒溫保持時間對接頭剪切強度的影響也十分重要。圖6所示為空氣中釬焊溫度為690℃時不同恒溫保持時間下的剪切強度變化曲線。由圖可見，接頭剪切強度隨著恒溫保持時間的延長而增加。恒溫保持時間小于16s時，剪切強度上升速度較快；恒溫保持時間大于16s后，剪切強度變化不大。如恒溫保持時間過長，則PCD層受損嚴重，影響焊后刀具的使用性能。
　　
　　釬焊金屬表面粗糙度對接頭強度的影響
　　PCD復合片硬質合金基底與45鋼刀桿釬焊表面粗糙度對釬焊接頭的剪切強度有重要影響。圖7所示為釬焊溫度為690℃、恒溫保持時間為20s時釬焊金屬表面粗糙度與剪切強度的關系。圖7a為45鋼刀桿表面粗糙度與剪切強度的關系曲線；圖7b為PCD復合片硬質合金基底的表面粗糙度與剪切強度的關系曲線。如上所述，釬料對45鋼的潤濕作用較強，對硬質合金的潤濕作用較弱。復合片硬質合金基底表面粗糙度在釬焊過程中主要影響釬料對其本身的潤濕性。隨著表面粗糙度的增大，硬質合金粗糙表面溝槽所產生的毛細作用使其潤濕性增強，與液態釬料的接觸面積隨之增大，從而可加速45鋼向液態釬料的熔解，增強釬縫強度。但與此同時，隨著表面粗糙度增大，釬焊缺陷也隨之增多，嚴重影響PCD復合片的焊接質量。試驗表明，當45鋼刀桿焊接表面粗糙度為Ra712µm、硬質合金基底焊接表面粗糙度為Ra0.180～0.250µm時，高頻感應釬焊PCD復合片獲得的釬縫質量最好。

　　圖7 釬焊金屬表面粗糙度與剪切強度的關系
　　
　　結論
　　
　　通過對PCD復合片與45鋼刀桿高頻感應釬焊的試驗研究，可得出如下結論：高頻感應釬焊PCD復合片時，釬焊溫度對剪切強度影響最大。為獲得釬焊強度較大的接頭，應采用盡可能高的釬焊溫度(本試驗釬焊溫度為690℃)。
　　
　　釬焊恒溫保持時間是影響釬焊強度的另一重要工藝參數。釬焊強度隨釬焊恒溫保持時間的增加而增大。根據試驗結果，高頻感應釬焊PCD復合片時，恒溫保持時間可選取為16～20s。
　　
　　釬焊強度隨PCD復合片硬質合金基底和45鋼刀桿釬焊表面粗糙度值的增加而增大。一般情況下，45鋼刀桿焊接表面粗糙度可取Ra7～12µm，硬質合金基底焊接表面粗糙度可取Ra0.180～0.250µm。
　　
　　采用部分不等間隙釬焊接頭設計可有效減少氣孔、夾渣等釬焊缺陷和焊接應力，提高釬焊質量。