一种激光‑搅拌摩擦焊接金刚石工具的方法与流程

在本发明涉及一种金刚石工具的加工方法，尤其涉及一种搅拌摩擦焊接单层金刚石工具的方法。

背景技术：

近些年来金刚石工具在工业生产中被广泛应用，新型金刚石工具多为单层焊接金刚石工具，它利用高温使得金属结合剂粉末在金刚石磨粒、基体金属之间发生扩散、冶金化合反应，从而得到富含碳化物的过度层，解决了传统单层电镀或多层烧结金刚石工具金刚石磨粒只是被机械包裹的问题，提高了基体对金刚石颗粒的把持力，从根本上改善了磨料、结合剂、基体三者间的结合强度。与传统的单层电镀工具相比，焊接工具在磨粒出露高度、磨削力、工具寿命等方面具有明显的优势。

目前，单层焊接金刚石工具的制造方法主要有真空炉焊接、高频感应焊接和激光焊接。真空炉中焊接对于尺寸较大的金刚石工具，基体整体加热时其变形量很难控制，且生产周期长，时间成本及能耗成本较高，金刚石磨粒长时间处于较高温度环境中，其热损伤的危险性加大。高频感应焊接，设备成本低，加热、冷却速度快，可以使焊接周期大为缩短，但其升温速度、加热范围受线圈形状影响，特别是对于大型、异型面磨料工具，其感应线圈的设计、制作也较复杂。激光焊接是一种快速加热和快速冷却的焊接方法，可以有效控制基体在焊接过程中的热变形量。然而激光焊接金刚石工具时，一般是预置金刚石在金属结合剂粉末中，激光扫描金属结合剂粉末和金刚石混合层，这会导致金刚石的石墨化甚至燃烧，严重影响焊接层与金刚石之间的结合强度。

搅拌摩擦焊（frictionstirwelding，fsw）是英国焊接研究所于1991年发明的新型固相焊接技术，具有节能环保、优质高效等优点，自发明起便受到了广泛的关注，也是世界焊接技术发展史上自发明到工业应用时间跨度最短的连接技术,被誉为继激光焊后“焊接史上的第二次革命”。fsw的工艺原理非常简单，一个带有轴肩和搅拌针的焊接工具高速旋转并将搅拌针挤入对接板材的接缝处，直至轴肩与工件紧密接触，在摩擦热的作用下，材料发生软化，随着搅拌针的搅动作用使接缝两侧的材料产生塑性流变和混合，通过焊接工具的前移形成密实无缺陷的焊缝。fsw已在航空、航天、船舶、轨道交通、汽车等工业领域广泛应用。

技术实现要素：

本发明的目的是解决焊接金刚石工具过程中金刚石热损伤和石墨化的问题，提高金属结合剂与金刚石磨粒界面结合强度。

本发明的技术方案是提供一种激光-搅拌摩擦焊接金刚石工具的方法，包括如下步骤。

步骤1，利用机械加工的方法制备金刚石工具的基体，对基体的表面进行除锈、抛光、打磨后，再用有机溶剂清洗。

步骤2，在所述金刚石工具基体的表面涂覆金属结合剂粉末，制得金刚石工具毛坯。

步骤3，提供喷射系统，喷射系统包括依次相连的料斗、送料器、负压室、输送管、喷枪，其中，负压室还接有真空发生器，真空发生器还设有输送气体入口及控制输送气体进入输送气体入口的输送气体阀门。

步骤4，提供金刚石磨粒，采用浓度为8%的稀硫酸对金刚石磨粒进行清洗并用去离子水漂洗后烘干，将金刚石磨粒置于料斗中。

步骤5，提供激光焊接系统，激光焊接系统包括相互连接的激光发生器与激光焊接头。

步骤6，提供搅拌摩擦焊接系统，搅拌摩擦焊接系统包括搅拌头和搅拌针。

步骤7，启动激光焊接系统，激光束垂直辐照金刚石工具毛坯表面，熔化金属结合剂粉末，然而凝固得到钎焊缝。

步骤8，启动搅拌摩擦焊接系统，沿着激光焊接的焊道，搅拌针压入上述步骤7中的凝固钎焊缝，对凝固的钎焊缝进行搅拌，启动送料器，打开输送气体阀门，打开雾化气体阀门，金刚石磨粒被喷射到搅拌摩擦焊池。

步骤9，激光焊接头与搅拌头间隔一定距离，且同步移动，完成焊接过程。

进一步地，步骤8中，搅拌摩擦焊接系统中搅拌针沿着激光焊接的焊道，压入步骤7中的凝固钎焊缝，对凝固的钎焊缝进行搅拌，启动送料器，打开输送气体阀门，打开雾化气体阀门，金刚石磨粒被喷射到搅拌摩擦焊池，实现金刚石磨粒与金属结合剂的固相连接。

进一步地，步骤9中，激光焊接头与搅拌头间隔一定距离d。

进一步地，距离d为20~100mm。

本发明的有益效果在于。

（1）本发明的技术方案中，采用激光焊接和搅拌摩擦焊接复合的方式，首先对单一的金属结合剂粉末进行激光焊接，实现金属结合剂粉末与基体的良好连接，在此基础上，搅拌摩擦焊接系统对凝固的钎焊缝进行搅拌，同时向搅拌摩擦焊池喷射金刚石磨粒，金刚石磨粒与钎焊缝一同搅拌，实现金刚石磨粒与金属结合剂的固相连接，不存在传统钎焊焊接时预置的金刚石磨粒的热烧损和石墨化，提高了金属结合剂与金刚石磨粒界面结合强度。

（2）本发明的技术方案中，金刚石工具焊接方法无需钎剂，对环境友好。

附图说明

图1是本发明实施例中激光-搅拌摩擦焊接金刚石工具宏观示意图。

图2是图1所示焊接区域局部示意图。

图3是本发明实施例搅拌头局部截面示意图。

其中：1、基体，2、激光束，3、激光焊接头，4、焊接方向，5、搅拌头旋转方向，6、搅拌头，7、搅拌针，8、输送管，9、输送气体入口，10、送料器，11、控制器，12、金刚石，13、料斗，14、负压室，15、真空发生器，16、雾化气体入口，17、送料入口，18、金属结合剂粉末，19、焊接熔池，20、凝固的焊接缝，21、搅拌摩擦焊池，22、凝固的磨料层。

具体实施方式

以下将结合附图1-3以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。

如图1所示，金刚石工件基体为45钢，金属结合剂为镍基钎料，激光束垂直入射在金属结合剂粉末上表面实现金属结合剂粉末与基体的连接，同时在激光束后方搅拌摩擦焊接系统的搅拌针对凝固的钎焊缝进行搅拌，同步喷射金刚石磨粒到搅拌摩擦焊池，实现金刚石磨粒与金属结合剂的固相连接。

该实施例中，激光-搅拌摩擦焊接金刚石工具的方法包括以下几个步骤。

步骤1：利用机械加工的方法制备金刚石工具的基体1，对基体1的表面进行除锈、抛光、打磨后，再用有机溶剂清洗。

步骤2：在所述金刚石工具基体1的表面涂覆金属结合剂粉末18，制得金刚石工具毛坯，其中，金属结合剂粉末层厚度为0.25~0.3mm。

步骤3：提供喷射系统，喷射系统包括依次相连的料斗13、送料器10、负压室14、输送管8、送料入口17和雾化气体入口16，其中，负压室14还接有真空发生器15，真空发生器15还设有输送气体入口9及控制输送气体进入输送气体入口的输送气体阀门。

步骤4：提供金刚石磨粒12，采用浓度为8%的稀硫酸对金刚石磨粒12进行清洗并用去离子水漂洗后烘干，将金刚石磨粒12置于料斗13中。

该步骤中，金刚石磨粒规格为25~55目。

步骤5：提供激光焊接系统，激光焊接系统包括相互连接的激光发生器（未图示）与激光焊接头3。

步骤6：提供搅拌摩擦焊接系统，搅拌摩擦焊接系统包括搅拌头6、搅拌针7。

步骤7：启动激光焊接系统，激光束2垂直辐照金刚石工具毛坯表面，熔化金属结合剂粉末18，然而凝固得到钎焊缝20。

该步骤中，所述激光束为co2激光器，光纤激光，碟片激光，nd:yag激光或半导体激光器。

激光器平均输出功率为300~600w，脉冲重复频率为20~200hz，激光束扫描速度为0.1～10m/min、光斑直径为5~10mm，激光束聚焦镜焦距为200~400mm，离焦量为[-10mm，0）和（0，+10mm]。

步骤8：启动搅拌摩擦焊接系统，沿着激光焊接的焊道，搅拌针7压入上述步骤7中的凝固钎焊缝20，对凝固的钎焊缝29进行搅拌，启动送料器10，打开输送气体阀门，打开雾化气体阀门，金刚石磨粒12被喷射到搅拌摩擦焊池21。

该步骤中，金刚石磨粒输送气体为氮气，氮气气压为0.1~1mpa。雾化气体为氮气，氮气气压为1~5mpa。

金刚石磨粒以速度为0.1～10m/min经喷枪喷射到焊接熔池。

搅拌摩擦焊接速度0.1～10m/min，转速200~600r/min。

步骤9：激光焊接头3与搅拌头6间隔一定距离d为20~100mm，且同步移动，完成焊接过程。