Laser welding of diamond core drills

Zhu Haihong,Tang Xiahui,Zhu Guofu

(National Engineering Research Center for Laser Processing,HUST，Wuhan ,430074)

　　Abstract：This paper deals with the laser welding of diamond core drills and the effect of technical parameters such as the focus position,beam power density and welding speed on the welding strength.The experiment results provide the better technical parameters to correct the practical welding procedure.
　　Key　words：diamond core drills　laser welding　process parameter

引　　言

　　金剛石取芯鉆頭不僅在地質勘探中有重要地位，更因為其具有鉆進速度快、石材損耗小、不破壞周邊環境等獨特優點而被廣泛應用于大理石、花崗石、鋼筋水泥墻面的鉆孔。金剛石鉆頭是在鋼的基體上連接一種由金剛石和胎體材料熱壓而成的一種復合燒結體，常稱之為刀頭。國內的鉆頭常采用釬焊的方法連接。金剛石取芯鉆頭工作時由于轉速極快，受強烈的沖擊和震動，需要高的剪切強度和高溫強度。釬焊的鉆頭刀頭經常由于高速鉆進發熱引起釬料熔化而脫落^［1］。所以，國外從80年代后期就發展用激光焊代替釬焊，激光焊與釬焊比較有如下優點：由于基體與刀頭是冶金結合，強度高，刀頭不易脫落，特別是在無水的情況下；焊縫為細小均勻的柱狀晶組織，不易產生裂紋，保證鉆頭在高速鉆進時不致于開裂而產生危險；焊縫和熱影響區極窄，對金剛石沒有影響，保證了產品的最佳性能；易于實現自動化，效率高，質量穩定可靠，并且產品的平均成本低。
　　金剛石取芯鉆頭的結構如圖1所示。目前國外市場需要的激光焊鉆頭幾乎與激光焊鋸片相當，市場潛力很大，利潤也相對較高。由于金剛石取芯鉆頭的刀頭是粉末冶金材料，不可避免地存在孔隙，焊接難度大；基體與刀頭是異種材料的焊接，刀頭比基體厚，難于雙面焊接，所以比起金剛石圓鋸片來焊接難度更大，目前國內還未發現這方面的報道。我們經過幾百次的試驗和探索，取得了較好的效果，成功地解決了關鍵技術，現已應用于實際生產中，產品全部出口，用戶反映良好。

Fig.1　The structure of the diamond core drills

1　試驗裝置及方法

　　試驗是在美國進口的快速縱流激光器上進行，該機是美國80年代先進產品，型號為EFA-51，輸出模式為TEM₀₀和TEM₀₁，最大輸出功率為1500W。選用f=100mm的GaAs聚焦透鏡，通同軸保護氣體Ar氣以保護焊縫及透鏡。鉆頭基體和刀頭被裝夾在專用的夾具上。回轉工作臺能帶動夾具及鉆頭作圓周運動，并且能在一定范圍內調節角度，試驗裝置如圖2所示。激光束稍偏于基體一側，并采用一定的負離焦。為使刀頭基體吻合良好，刀頭焊前須磨弧、去毛刺，以免漏光損失能量；為減少焊接缺陷，焊前必須去除焊接部位及其附近的油污、氧化皮和水分。
　　基體材料為普通的45^#鋼，經調質處理，厚2mm；由于金剛石在高溫下易石墨化，激光焊接時會在焊縫中出現空洞，所以，刀頭需設計1.5mm～2mm的過渡層，作者通過大量的試驗，選取一種特殊的Co混合物作為過渡層，刀頭厚3mm。
　　鉆頭焊后，目測和用10倍放大鏡觀測焊縫外觀，檢驗焊縫有無氣孔、咬邊、裂紋等宏觀缺陷，然后采用DSA標準用專用的彎曲強度檢測儀檢驗每個刀頭的彎曲強度。

Fig.2　The schematic diagram of laser welding
a—offset　h—focal point height　β—beam incident angle

2　試驗結果及分析

2.1　材質分析
　　基體材料在激光焊條件下有較好的焊接性。刀頭則不一樣，由于是粉末冶金材料，焊接時極易出現氣孔甚至空洞，當焊接參數不當時，還會產生裂紋，極大地影響了焊接強度。刀頭的性能對焊接性能的影響非常大，機械性能好且致密的刀頭在激光焊條件下，只要焊接參數選擇得當，就能得到符合使用性能的焊縫，其抗彎強度可達到或超過1800N/mm²，斷在刀頭。在材料一定時要使刀頭性能優良，首先必須提高刀頭壓制密度，可采用選擇顆粒細、形狀均勻之粉末壓制，另外，在不影響金剛石性能的前提下，盡量提高燒結溫度和壓制壓力，并選擇合適的保溫時間對提高刀頭的機械性能很有必要。刀頭內不可避免的存在孔隙，刀頭的密度是不能達到理論值的，但是合適的壓力、溫度以及保溫時間、粉末混合時間及速度都是刀頭致密和均勻的重要保證，從而保證有良好的焊接性能。試驗表明：當單位壓力在20MPa左右、溫度在800℃左右、保溫時間為4min時，即可得到能滿足激光焊需要、又不損壞模具及金剛石性能的刀頭。刀頭的密度對焊縫強度的影響最大，低密度的刀頭焊接出來的焊縫強度是很低的，幾乎不可能達到所需強度。
2.2　焊接工藝研究
　　焦點位置　在光路系統一定的條件下，焦點相對于材料表面的位置對熔深、熔寬、熔化效率的影響很大。在本試驗中，采用負離焦可以增加熔深，離焦量約為 0.3mm，為減少焊接時飛濺，保護透鏡，降低刀頭材料合金元素的燒損，焦點應偏向基體一邊0.1mm左右；為獲得最佳角焊縫效果，入射激光應傾斜6° ～11°左右；反面焊接時，我們在光路系統中增加一個反射鏡，置于鉆頭基體筒內，將激光束反射到所須位置，如圖3所示，成功地解決了鉆頭因單面焊接易出現強度不穩定的問題。

Fig．3　Schematic diagram of reverse welding

　　激光功率密度　激光功率密度是決定焊縫穿透深度的主要參數。在光斑直徑一定的情況下，功率密度正比于激光功率。功率越高，允許焊接的板厚越大，焊接速度越快，生產效率越高，但是過大的激光功率會使焊縫外觀變壞，由于溶池翻滾，易產生一波一波的突起和空洞，嚴重降低了焊縫有效承載面積，抗彎強度降低；即使在焊后檢驗中能達到所需強度，在切削過程中因為應力其中，裂紋由孔洞處擴展，出現明顯的疲勞斷裂特性；此外，高的焊接功率還會使熔池中的化學物理反應劇烈，飛濺增多，污染透鏡；由于過渡層材料與金剛石胎體材料的熱脹系數不一樣，在過高的焊接功率條件下，易在兩層相接處由于過熱而產生裂紋。雙面焊接ø82 的鉆頭，在光斑直徑為0.4mm時，用功率900W能取得較好的焊接效果。在試驗中我們發現，采用小規范焊接的方法焊接鉆頭能取得好的焊接效果。比起金剛石圓鋸片而言，焊接鉆頭的激光功率要相對高些，這是因為激光入射在圓的鉆頭基體上被部分反射掉的緣故，如圖4所示。

Fig.4　Scheme of laser beam reflection on piece surface

　　焊接速度　焊接速度同激光焊接功率一起影響著焊接區域的熱輸入，因而對焊縫的形狀和尺寸有較大的影響，隨著焊接速度的增加，焊縫寬度降低，熔深減少，生產率提高。過大的焊接速度會使焊縫無法穿透，強度降低，而且焊縫中的有害氣體如N₂，H₂，O₂及CO 來不及逸出，使焊縫氣孔增多，影響抗彎強度和焊縫外觀；當焊接速度太低時，焊縫太寬，熱影響區過熱，晶粒粗大，有時還會產生裂紋，特別是在兩層相接部位產生裂紋，嚴重地影響了焊接質量，并且刀頭的合金元素燒損嚴重，影響了刀頭的綜合性能，焊縫部位因為熔池翻滾而出現一個一個的空洞。在我們的試驗中，對于 ø82，ø68兩種鉆頭各50個，在激光功率選定為900W，轉速分別為8r/min，9r/min時，其焊縫的彎曲強度都達到和超過4000N/mm²，在隨后的切削過程中，也未發現掉刀頭的現象。
　　保護氣體流量　保護氣體在激光焊接過程中作用有三^［2］：保護焊接區不被氧化；保護聚焦透鏡；吹散部分等離子云。若氣流量太小，起不到作用，焊縫區被氧化而引起機械性能惡化，透鏡也易污染損壞，成本增加；過大的氣流量會吹翻熔池，影響焊縫成形，增加焊接缺陷，同時減少熔深。在我們的焊接試驗中選用氣流量為0.5L/min。

3　結　　語

　　（1）要使激光焊接金剛石取芯鉆頭成功，在刀頭配方一定的情況下，必須使刀頭致密而且機械性能良好；
　　（2）在激光焊接金剛石取芯鉆頭過程中，必須合理地選擇有關工藝參數，如激光功率密度、焊接速度、焦點位置及保護氣體流量，才能保證焊接質量；
　　（3）采用小規范的焊接工藝是焊好鉆頭的有效途徑；
　　（4）采用在光路系統中增加一個反射鏡的方法可以進行鉆頭的反面焊接，解決了鉆頭因單面焊接結合強度不穩定的問題， 但這種方法不能焊接直徑太小的鉆頭；
　　（5）激光焊接金剛石取芯鉆頭的方法還不適應大批量生產，生產率不高，有待進一步改進。