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焊后保温温度及保温时间对硬质合金焊接性能的影响

发布者: 长相有问题 | 发布时间: 2019-1-4 08:55| 查看数: 485| 评论数: 0|帖子模式

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焊后保温温度及保温时间对硬质合金焊接性能的影响
黎文娟,倪高明,卞玲玲,蒋双双,庞安定
株洲钻石切削刀具股份有限公司
摘要:本文研究了焊后保温温度和保温时间对YL10.2硬质合金焊接质量的影响。在研究过程中进行全面焊接试验,并以扭矩强度为目标进行扭矩测试,优选出最佳参数。结果表明,保温时间4h、保温温度300℃时,产品的扭矩强度最大。用参数优化后的焊接钻头与相同规格型号的整体钻头进行切削实验对比表明:焊接处强度足够,使用性能满足要求,相对于整体钻头,因其刚性稍差,同等条件下,加工孔精度稍差,钻尖磨损较大,但成本优势明显。
关键词:硬质合金;焊接;保温温度;保温时间;
1 引言

[size=1em]硬质合金是一种高生产率的工具材料,具有高硬度、高强度、耐磨损、耐高温、抗腐蚀、抗氧化和膨胀系数小等一系列优点,被广泛地用于制造刀具、模具以及以耐磨作为主要性能的各种零部件[1]。由于硬质合金制备比较困难且价格昂贵,一般不会单独使用,而是与其他材料结合起来使用。通常将硬质合金与韧性较好、强度较高、加工性能优异、廉价的钢焊接起来使用[2]。

[size=1em]张红霞等[3]指出硬质合金钎焊在加热和冷却时需采取必要的措施,以防止出现局部过热或快冷的现象;段明杨等[4]研究了焊接后冷却速度对焊接裂纹的影响,指出由于刀体和硬质合金的热膨胀系数和导热系数有较大差异,硬质合金焊接后在冷却过程中,特别是冷却至300℃以下温度时,如果冷却速度太快,刀体将发生急剧塑性变形,导致硬质合金产生裂纹;周学忠[5]研究了如何避免大规格的硬质合金产生裂纹,指出通过采取降低钎焊温度、焊前预热、焊后缓冷、选用塑性较好的钎料、加补偿垫片、改进焊接接头形式等方式,可以大大提高焊接可靠性。

[size=1em]陈继衡等[6]指出改善刀具保温条件可有效提高硬质合金焊接质量。目前,大部分厂家是将刀具放入生石灰中进行保温,且仅仅将刀头放入石灰中,而刀杆大部分暴露在空气中。由于钢具有良好的热传导性能,因此,焊接部位的热量会通过刀杆快速散失,刀具会在数小时内迅速冷却到室温,起不到所需的保温效果。因此,在焊接过程中要及时将焊好的刀具放置到保温设备中。

[size=1em]尽管上述学者对硬质合金焊接后的保温处理做了一定的研究和分析,但偏重于理论,对实践指导意义有限,而如何在现有焊接条件下进一步提升焊接质量是目前硬质合金焊接技术亟待解决的问题。

2 优化方案确定

[size=1em]本文以应用较广的φ10mm刀具为例开展相关研究工作。硬质合金焊接刀具的刀体材料主要有45钢、T10A、9SiCr和W6Mo5Cr4V2。45钢主要用于结构强度较好的车削类刀具,结构强度较差的铣刀和孔加工刀具的刀体主要采用综合性能较好的9SiCr,因此本次刀体钢材选用9SiCr[7]。

[size=1em]YG类硬质合金是目前工业上用途最广、用量最大的一类硬质合金[8],本次选用牌号为YL10.2的硬质合金作为焊接研究对象,适用于普钢、铸铁、有色金属等材料的加工,常用于制作麻花钻头、立铣刀、丝锥等,通用性较强。

[size=1em]低熔点的银基焊料(650℃~700℃)对硬质合金有较好的润湿性,并且钎焊方便,焊接应力小[9],本次试验选用的是银基焊料。

[size=1em]焊接工艺决定了刀具焊接部分的结合程度,直接影响刀具的使用寿命[10]。焊接方法、加热方式、刀槽型式、熔剂选择、焊接温度及加热速度、冷却速度、保温温度、保温时间等对焊接质量都有较大影响[11]。传统的焊接方法难以控制焊接温度和温升,要求操作者具备较高的焊接水平,本次焊接采用的是自动焊接设备,生产效率高,操作方便,加热均匀,可以对焊接温度进行严格的控制,焊接产品性能稳定。本次主要研究其他焊接工艺参数相同的情况下,焊后保温温度和保温时间这两个因素对焊接钻头质量的影响。

3 焊接实验条件

[size=1em](1)实验材料

[size=1em]基体材料分别为硬质合金YL10.2和9SiCr,均采用φ10mm的棒料。钎料为BrazeTec49/Cu,相关参数见表1。

[size=0.8em]表1 BrazeTec49/Cu焊料性能参数
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[size=1em](2)实验设备

[size=1em]采用704-1型电热鼓风干燥箱进行焊后保温(见图1)和使用5000N·m微机控制电子扭转试验机进行扭矩试验(见图2)。

[size=1em](3)试验方案及切削参数

[size=1em]本次试验主要研究在其他焊接工艺参数相同的情况下,保温炉不同的保温温度和保温时间对焊接钻头质量的影响,焊接参数见表2。焊后保温参数见表3。

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[size=0.8em]图1 保温设备

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[size=0.8em]图2 电子扭转试验机
[size=0.8em]表2 焊接参数

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[size=0.8em]表3 焊后保温参数
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[size=1em]为了衡量焊接质量,需要选取相应指标。本文主要研究钻头的焊接性能,而钻头在实际加工过程中承受的主要为扭矩。结合现有条件,选取抗扭强度为衡量焊接钻头的质量指标。

4 焊接实验结果与分析

[size=1em](1)焊接产品断裂扭矩测试结果

[size=1em]试验产品见图 3。对不同焊接参数产品的焊接扭转进行测试,断裂扭矩检测结果见表 4。

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[size=0.8em]图3 试验产品
[size=0.8em]表4 断裂扭矩试验结果

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[size=1em](2)焊接试验分析及总结

[size=1em]从试验结果可知:

[size=1em]①过低或者过高的保温温度都是不利的。温度过高(500℃)将加剧被焊接材料和钎料的氧化,导致钎料中低熔点元素(特别是Zn)的蒸发,使钎料损失,降低钎料的性能,导致焊缝力学性能下降;温度过低(100°C)则致使焊后冷却速度过快,焊缝处产生严重的焊接应力,焊后硬质合金可能会发生形变,甚至会产生裂纹[12] 。因此,300℃是适宜的温度。

[size=1em]②钎焊时增加保温时间有利于减小内部应力和提高扭矩强度。在500℃下,同样因为钎料中低熔点元素(特别是Zn)的蒸发严重,保温时间越长,扭矩强度反而降低。保温时间过短,钎料与硬质合金之间则不能很好地湿润,不足以形成晶间结合,导致钎缝强度降低[12];保温4h和保温7h,扭矩强度差别不大,可以认为保温4h后,其焊接界面组织已处于稳定状态,应力释放完毕;从生产效率角度出发,4h保温时间更有利于组织生产。

[size=1em]综合考虑,优选焊接参数:保温温度300℃,保温时间4h。

[size=1em](3)成本计算

[size=1em]优化上述焊接参数,以刃径10mm,硬质合金长度30mm与钢材长度100mm的焊接钻头成本与同规格整体钻头成本进行对比,可节约100mm的硬质合金,除去焊接和毛坯的加工费用15元,单支可节约的金额约20元,且刀具规格越大,节约的金额越可观,成本优势明显。

5 切削性能验证

[size=1em]为验证优化后产品性能与非焊接产品相比是否发生显著变化,进行了钻孔精度和钻孔寿命的切削试验。

5.1 钻孔精度实验

[size=1em]钻孔精度实验包括孔位置度和孔扩装量两个方面。试验机床采用MIKRON UCP1000五轴高速加工中心,采用D10焊接钻头和D10整体钻头,被加工材料为42CrMo和30HRC。切削速度Vc=100m/min,进给量f=0.16mm/r,钻削深度H=50mm。

[size=1em](1)孔位置度

[size=1em]被加工孔位置度检测仪器为德国蔡司UPMC 550 三坐标测量仪,见图4。

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[size=0.8em]图4 试验用三坐标测量仪

[size=1em]被加工孔位置度质量衡量方法:用两种刀具对被加工零件分别钻10个孔,采用三坐标仪测量圆心坐标,并以这10个孔的圆心的最小包络圆作为衡量指标,结果见图5。

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[size=0.8em](a) 整体钻头D10最小包络圆

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[size=0.8em](b) 焊接钻头D10最小包络圆
[size=0.8em]图5 最小包络圆

[size=1em]由图5可以看出,整体钻头D10的最小包络圆直径为83.4μm,焊接钻头的最小包络圆直径为101.4μm, 整体刀具的刚性略优于焊接刀具。

[size=1em](2)孔径扩大量

[size=1em]对整体钻头D10和焊接钻头D10加工的10个孔分别与钻头本身刃径大小进行比较,测量结果见表 5和图 6。

[size=0.8em]表5 孔径扩张量对比
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[size=0.8em]图6 孔径扩张量对比

[size=1em]无论从钻孔位置度还是孔径扩张量对比,焊接钻头相比整体刀具均略差,主要原因在于柄部为合金钢,焊接钻头整体刚性弱于整体钻头,在钻削过程中出现振动较大导致。考虑钻头为粗加工刀具,焊接钻头加工质量仍在可接受范围内。

5.2 寿命试验

[size=1em]更换测试刀具后进行寿命试验,计划钻3000个孔(耐用度105m),每加工600个孔测量一次钻尖后刀面磨损量,若加工过程中出现已响、钻尖破损、刀具折断即认为刀具失效。试验机床、工件材料、冷却条件同孔圆度加工实验,具体切削参数见表6,试验结果见图7。两者均能顺利完成3000个孔的钻削实验,焊接处未出现任何异常,但相比整体钻头,焊接钻头由于刚性问题,磨损量较大。

[size=0.8em]表6 切削参数
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[size=0.8em]图7 寿命对比试验

6 结语

[size=1em]本文通过全面焊接实验、钻孔质量试验、钻孔寿命试验可得出如下结论:

[size=1em](1)采用基体材料为YL10.2的硬质合金与钢材9SiCr进行焊接时,当焊后保温时间为4h、焊后保温温度为 300℃时,产品的焊接性能最优。

[size=1em](2)过低或者过高的保温温度都是不利的。温度过高会降低钎料的性能,导致焊缝力学性能有所下降;温度过低则导致焊后冷却速度过快,焊缝处会产生严重的焊接应力,300℃是适宜的温度。

[size=1em](3)采用优化后的焊接保温参数加工的焊接钻头,相对于整体钻头,主要差距体现在刚性较差,钻削过程中振动较大,磨损较大,但焊接处强度满足要求,可以正常使用。

[size=1em]参考文献

[size=1em][1]郦剑,罗娟,罗来马,等.硬质合金与钢基体钎焊技术的研究进展[J].材料科学与工程学报,2009,27(6):955-958

[size=1em][2]陈建中,熊计,郭智兴,等.硬质合金焊接新工艺发展现状与趋势[J].硬质合金,2009,26(2):127-133.

[size=1em][3]张红霞,韩福忠,王文先.YG8C硬质合金钎头的焊接工艺及质量改进措施[J].太原理工大学学报,2003,34(4):455-458.

[size=1em][4]段明扬,杨玲.硬质合金刀具焊接研究[J].广西大学学报(自然科学版),1996(2):135-138.

[size=1em][5]周学忠.避免大规格硬质合金焊接裂纹的方法[J].工具技术,2008,42(5):66-67.

[size=1em][6]陈继衡,黄娟,张西玉,等.硬质合金焊接刀具加工现状及改善[J].金属加工(冷加工),2013(9):44-45.

[size=1em][7]师润平,李阳.硬质合金焊接刀具刀体材料及淬火工艺[J].工具技术,2016,50(12):75-78.

[size=1em][8]迟辉,张伟,赵维巍,等.高频感应钎焊硬质合金接头热处理工艺研究[J].稀热加工工艺,2007,36(7):34-35.

[size=1em][9]苗春雨.YG8/42CrMo真空复合焊接工艺及性能研究[D].西安:西安科技大学,2013.

[size=1em][10]符国建,张波,马哲彬.硬质合金焊接式麻花钻的制造和实验研究[J].工具技术,2010,44(6):23-25.

[size=1em][11]梁存琨. 基于Cu基微晶钎料的硬质合金/钢钎焊试验研究[D].西安:西安理工大学,2008.

[size=1em][12]罗蒙丽.硬质合金钎焊技术的现状与发展[J].硬质合金,2015,32(2):108-118.


Effect of Heat Preservation Temperature and Holding Timeon Welding Quality of Cemented Carbide after Weld
[size=1em]Li Wenjuan,Ni Gaoming,Bian Lingling,Jiang Shuangshuang,Pang Anding

[size=1em]Abstract:In order to study the effect of the heat preservation temperature and hold the time on welding quality of YL10.2 after weld,an all-sided weld test and did torque testing aimed at torque strength and optimized the best paraments are done.It turned out that when the holding time is 4 hours and the heat preservation temperature is 300℃,torque strength gets max.At last,using the tipped drill which has optimized parameters to do the cutting experiment and comparing with the same-specification and model diamond unitary drills.The results show that compared with diamond unitary drills,the tipped drill can satisfy use requirements,but owing to its a bit poor rigidity.In the same condition,processing accuracy is slightly less accurate and the drill point has a large wear,while the advantages of cost are obvious.

[size=1em]Keywords:cemented carbide;weld;holding temperature;holding time


[size=1em]基金项目:湖南省科技计划(2017RS3073)

[size=1em]收稿日期:2018年4月

[size=1em]中图分类号:TG40;TH162

[size=1em]文献标志码:A

[size=1em]第一作者:黎文娟,工程师,株洲钻石切削刀具股份有限公司,412007湖南株洲市

[size=1em]First Author:Li Wenjuan,Engineer,Zhuzhou Cemented Carbide Cutting Tools Co.,Ltd.,Zhuzhou,Hunan 412007,China



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