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        刃具硬質(zhì)合金與結(jié)構(gòu)鋼釬焊工藝研究

        2012-10-16 01:12:34呂鵬劉慶梅徐楠
        關(guān)鍵詞:刀桿釬料硬質(zhì)合金

        呂鵬 劉慶梅 徐楠

        (中航工業(yè)沈陽(yáng)黎明航空發(fā)動(dòng)機(jī)(集團(tuán))有限責(zé)任公司,遼寧 沈陽(yáng) 110043)

        1 概述

        硬質(zhì)合金與結(jié)構(gòu)鋼的焊接,因焊接質(zhì)量較差,只能作為量具對(duì)表件或普通硬質(zhì)合金車(chē)刀焊片時(shí)使用,不能用于高精度(要求同軸度0.02以?xún)?nèi))回轉(zhuǎn)類(lèi)刃具的刀桿與刀刃部分對(duì)接使用,通過(guò)此論文說(shuō)明一下高精度回轉(zhuǎn)類(lèi)刃具的刀桿與刀刃的釬焊工藝過(guò)程及后期試驗(yàn)結(jié)果。

        2 硬質(zhì)合金與結(jié)構(gòu)鋼的釬焊

        2.1 硬質(zhì)合金的焊接特點(diǎn)

        硬質(zhì)合金主要用于制造刀具、量具等雙金屬結(jié)構(gòu)。切削部分為硬質(zhì)合金,基體為碳素鋼、低合金鋼通常為中碳鋼。這類(lèi)工件在工作時(shí)受到相當(dāng)大的應(yīng)力作用,特別是壓縮彎曲、沖擊和交變載荷,要求接頭強(qiáng)度高、質(zhì)量可靠。硬質(zhì)合金有高硬度和耐磨性好的特點(diǎn),但是存在脆性高、韌性差等缺點(diǎn)。

        2.1.1一般焊接特點(diǎn)

        (1)線(xiàn)膨脹系數(shù)與釬焊裂紋的關(guān)系

        硬質(zhì)合金的尺寸較小,一般固定在一個(gè)比較厚大的鋼支撐材料上。釬焊是把硬質(zhì)合金和基體金屬連接在一起的焊接方法。硬質(zhì)合金的線(xiàn)膨脹系數(shù)(4.1-7.0X10-6/℃)與普通鋼的線(xiàn)膨脹系數(shù)(12X10-6/℃)相比差別很大,硬質(zhì)合金只有鋼的1/3--1/2左右。加熱時(shí)硬質(zhì)合金和鋼都自由膨脹,但冷卻時(shí)鋼的收縮量比硬質(zhì)合金大的多。此時(shí)焊縫處于受壓力狀態(tài),在硬質(zhì)合金表面則承受拉應(yīng)力,如果殘余應(yīng)力大于硬質(zhì)合金的抗拉強(qiáng)度時(shí),硬質(zhì)合金表面就可能產(chǎn)生裂紋。這是硬質(zhì)合金釬焊時(shí)產(chǎn)生裂紋的主要原因之一。

        (2)硬度與裂紋敏感性的關(guān)系

        硬質(zhì)合金的硬度與耐磨性和焊接裂紋敏感性成正比,硬質(zhì)合金的硬度越高,釬焊時(shí)產(chǎn)生裂紋的可能性越大。而且,一般精加工或超精加工所用的硬質(zhì)合金,在釬焊時(shí)容易發(fā)生裂紋。

        (3)焊接殘余應(yīng)力的影響

        焊接區(qū)域的殘余應(yīng)力是一種潛在的危害,盡管焊接硬質(zhì)合金工件上不一定馬上發(fā)現(xiàn)裂紋,但隨后的刃磨、保管或使用過(guò)程中卻容易產(chǎn)生裂紋,造成工具報(bào)廢。焊接時(shí)必須采取措施減小釬焊應(yīng)力,可采取降低釬焊溫度、焊前預(yù)熱及緩冷、選用塑性較好的釬料、加補(bǔ)償墊片、改進(jìn)接頭結(jié)構(gòu)等措施。釬焊大面積硬質(zhì)合金時(shí),無(wú)論強(qiáng)度高低,均應(yīng)采取特殊措施,以減小焊接應(yīng)力和防止裂紋的產(chǎn)生。

        (4)氧化問(wèn)題

        硬質(zhì)合金在空氣中加熱到800℃以上時(shí),硬質(zhì)合金表面開(kāi)始氧化,生成疏松的氧化物層,同時(shí)伴隨脫碳現(xiàn)象。加熱至950-1100℃時(shí),表面層會(huì)發(fā)生劇烈氧化,形成的氧化薄膜使硬質(zhì)合金變脆,降低力學(xué)性能。表面氧化層的存在,也降低了焊縫的強(qiáng)度、硬度。在焊接時(shí)采取措施盡量減少硬質(zhì)合金焊接部位的氧化現(xiàn)象,是提高焊接質(zhì)量的重要措施。

        2.2 基體材料的選擇和槽型設(shè)計(jì)

        2.2.1 基體材料的選擇

        硬質(zhì)合金通常與基體材料連接在一起使用,基體材料的選擇主要考慮硬質(zhì)合金使用時(shí)所受載荷的大小。一般載荷的刀具基體材料可用45鋼或40Cr鋼。需要淬硬的刀體可選用9SiCr鋼,因?yàn)?SiCr鋼焊后淬火用的冷卻介質(zhì)溫度比40Cr高,對(duì)硬質(zhì)合金有利。

        2.2.2 槽型設(shè)計(jì)

        鋼與硬質(zhì)合金刀具釬焊質(zhì)量的好壞還決定于刀槽形狀的設(shè)計(jì)是否合理,硬質(zhì)合金槽型的設(shè)計(jì)是否合理。硬質(zhì)合金槽形設(shè)計(jì)原則如下:

        (1)盡量減少釬焊面,避免采用封閉和半封閉槽型結(jié)構(gòu),以減少釬焊應(yīng)力,防止產(chǎn)生裂紋,盡可能采用自由焊槽形,使釬焊應(yīng)力降低到最低。

        (2)焊接前裝配硬質(zhì)合金時(shí)應(yīng)盡量靠硬質(zhì)合金自重或靠基體上的凸臺(tái)、凹槽等部位定位,盡量避免使用夾具固定硬質(zhì)合金。

        (3)設(shè)計(jì)槽型時(shí)應(yīng)考慮在釬焊過(guò)程中便于排渣,避免因焊縫中夾渣而使焊縫強(qiáng)度降低或脫焊現(xiàn)象。

        (4)釬焊后刀頭部分不應(yīng)黏附過(guò)多的焊料,以免刃磨困難,尤其是在設(shè)計(jì)硬質(zhì)合金多刃刀具時(shí)應(yīng)特別注意。

        2.3 硬質(zhì)合金與鋼的釬焊

        硬質(zhì)合金與鋼的釬焊方法主要有氧氣--炔火焰釬焊、高頻感應(yīng)釬焊、接觸電阻釬焊、浸銅釬焊以及爐中釬焊等種類(lèi)。

        2.3.1 釬焊方法-高頻感應(yīng)釬焊

        高頻感應(yīng)釬焊使用頻率為600KHz,功率為10KW-100KW之間的高頻感應(yīng)加熱源,產(chǎn)生高頻電流。當(dāng)高頻電流穿過(guò)感應(yīng)器時(shí)產(chǎn)生高頻交變磁場(chǎng),在感應(yīng)器中的被焊金屬產(chǎn)生感應(yīng)電流。高頻加熱速度很快,可以在很短時(shí)間內(nèi)加熱到很高的溫度,使焊料熔化。

        2.3.2 硬質(zhì)合金釬料與釬劑

        (1)釬料的選擇

        ①釬料應(yīng)對(duì)被釬焊硬質(zhì)合金和鋼基體有良好的潤(rùn)濕能力,保證釬料具有良好的流動(dòng)性與滲透性。

        ②硬質(zhì)合金的使用特點(diǎn)有較高的紅硬性,所以要保證釬焊焊縫在常溫下有足夠的硬度。

        ③釬料的熔點(diǎn)要盡可能地低,以減少釬焊應(yīng)力,防止發(fā)生裂紋,但釬料的熔點(diǎn)要高于焊縫的工作溫度300℃,保證正常切削。

        我廠多使用常溫釬料H62。

        (2)釬劑的選擇

        釬劑的作用是使刀桿和釬焊表面的氧化物還原,使釬料能很好的潤(rùn)濕被釬焊的金屬表面,一般釬劑的熔點(diǎn)低于釬料100℃以上,并有較好的流動(dòng)性和較低的黏度。

        我廠使用硼砂作為硬質(zhì)合金與鋼釬焊的最常用釬劑,使用中應(yīng)該注意各種硼砂的適用范圍。

        ①工業(yè)硼砂在釬焊加熱過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量泡沫,不但使釬焊操作困難,而且也影響焊縫質(zhì)量,最好不要采用。

        ②脫水硼砂可用于各種牌號(hào)硬質(zhì)合金工作,釬焊溫度范圍850℃-1150℃左右,不能用于800℃以下釬料,保存應(yīng)注意防潮。

        2.3.3 硬質(zhì)合金與鋼的釬焊工藝

        (1)焊前準(zhǔn)備

        ①焊前應(yīng)檢查硬質(zhì)合金是否有裂紋、彎曲等缺陷,保證釬焊面平整并保證有一定幾何形狀,保持與基體間有良好接觸。

        ②對(duì)硬質(zhì)合金進(jìn)行噴砂處理去除釬焊表面的氧化層和黑色字母,防止脫焊。

        (2)釬焊過(guò)程

        ①焊接硬質(zhì)合金工具時(shí)均勻加熱刀桿和刀頭是保證焊接質(zhì)量的基本條件。如果硬質(zhì)合金部分溫度高于刀桿,熔化后的釬料潤(rùn)濕硬質(zhì)合金而不能潤(rùn)濕刀桿,接頭強(qiáng)度降低,沿焊縫剪切硬質(zhì)合金時(shí),釬料不破壞,而隨硬質(zhì)合金脫開(kāi)。如果相反,現(xiàn)象相反。

        ②釬焊后冷卻

        冷卻時(shí)硬質(zhì)合金片表面產(chǎn)生瞬時(shí)拉應(yīng)力,硬質(zhì)合金的抗拉應(yīng)力大大低于抗壓應(yīng)力。通常焊接后工件立即插入石灰槽或木炭粉槽中,使工件緩慢冷卻。有條件的可在釬焊后立即將工件放入220℃-250℃爐內(nèi)回火6h-8h。采用低溫回火處理能消除部分釬焊應(yīng)力,減小裂紋和延長(zhǎng)硬質(zhì)合金工具使用壽命。

        ③焊后清理

        要對(duì)焊好的硬質(zhì)合金工件進(jìn)行焊后清理,以便將焊縫周?chē)鷼堄嗟娜軇┣謇砀蓛?,常用清除方法是將焊后冷卻工件放入沸水中煮1-2h左右,然后再進(jìn)行噴砂處理,即可清除焊縫四周黏附的殘余釬劑和氧化物。

        (3)釬焊的質(zhì)量檢驗(yàn)

        正常的焊縫應(yīng)均勻無(wú)黑斑,釬料未填滿(mǎn)的焊縫不大于焊縫總長(zhǎng)10%,焊縫寬度小于0.15mm。硬質(zhì)合金裂紋傾向可用下面方法檢測(cè)。

        ①刀具經(jīng)噴砂處理后,用煤油清洗,用肉眼和放大鏡觀察。有裂紋時(shí)有明顯黑線(xiàn)。

        ②用65%煤油、30%的變壓器油及5%的松節(jié)油調(diào)成溶液,加入少量蘇丹紅,將檢查的刃具放入該溶液中浸泡10-15min,取出用清水洗凈,涂上高嶺土,烘干后檢查表面,如果有裂紋,溶液的顏色將在白土顯示出來(lái),肉眼可查。

        3 刃具焊接及后續(xù)試驗(yàn)

        3.1 刃具焊接結(jié)構(gòu):

        3.1.1 焊接結(jié)構(gòu)分類(lèi)

        插入式結(jié)構(gòu)

        3.1.2 焊接后刃具

        3.1.3 焊接體常溫力學(xué)實(shí)驗(yàn)報(bào)告通過(guò)實(shí)際測(cè)量刀桿可抗拉力18070N。

        3.1.4 試件的加工

        通過(guò)使用CrWMn為試驗(yàn)切削材料,淬火到HRC50-55,用數(shù)控銑機(jī)床進(jìn)行切削試驗(yàn)。

        結(jié)論

        刃具可以完成預(yù)先設(shè)計(jì)好試驗(yàn)加工過(guò)程,加工中刃具性能穩(wěn)定可靠。

        結(jié)語(yǔ)

        通過(guò)此項(xiàng)目達(dá)到硬質(zhì)合金與結(jié)構(gòu)鋼釬焊刀桿的現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用,能夠更好利用現(xiàn)有設(shè)備、人員完成此項(xiàng)目所要求的工藝過(guò)程。

        [1]朱警雷,黃繼華,張華.趙興科.硬質(zhì)合金與鋼異種金屬焊接的研究進(jìn)展[J].焊接,2008.

        [2]羅慶.硬質(zhì)合金的焊接工藝現(xiàn)狀與展望 [J].現(xiàn)代焊接,2007.

        [3]王立躍.硬質(zhì)合金的焊接特點(diǎn)、方法與研發(fā)進(jìn)展[J].現(xiàn)代焊接.2010.

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