专利名称：延长双金属结构硬质合金刀具的焊接方法
技术领域：
本发明是关于刀具领域种用两种不同材质基体的组合连接硬质合金刀具的方法。 更具体的说，本发明是关于延长双金属结构硬质合金刀具的焊接方法。
背景技术：
随着现代化工业发展速度加快，对机械加工刀具领域的要求也越来越高。具有切 削速度高，加工效率高，耐磨性能好，刀具寿命长的整体硬质合金刀具品种、规格尺寸的递 增，尤其是集切削刃口和刀柄集成一体的整体硬质合金刀具，大规格刀具的应用，其体积重 量变化成几何倍数增长，阻碍了大规格整体硬质合金刀具应用，矛盾显现，在成本、价格方 面成了非常棘手问题。现阶段使用的整体硬质合金刀具，随着使用修磨次数增加，最终破损 无法再用，进入回收再造领域，废品回收破损的整体硬质合金刀具柄部可重复利用，为节约 资源，降低生产成本是目前制造业不得不考虑的无奈选择。众所周知，硬质合金是一种以难熔金属化合物(WC、TaC, TiC、NbC等)为基体，以 过渡族金属(Co，Fe，Ni)为粘结相，通过粉末冶金方法制备的金属陶瓷工具材料。合金的材 质脆硬、韧性差而且价格高，加上冶金制作、烧结等比较复杂工艺因素，使其难以被制成尺 寸大、形状复杂的构件加以应用，而硬质合金与钢体材质的焊接方式是弥补其不足的主要 方法，合适可靠的焊接技术正在不断拓展它的应用范围。由于与硬质合金相焊的基体材料 一般是碳素钢，硬质合金与之相比具有较小的热膨胀系数和较低的热导率，因此焊接时容 易出现以下问题1)焊接裂纹。质合金的热膨胀系数较小，一般为钢的1/3 1/2。硬质合金和钢 材焊后由于不能同步收缩，会在焊缝区形成很高的残余应力，且在硬质合金上多为拉应力， 由此导致硬质合金开裂.焊接应力是钎焊硬质合金时出现裂纹以及接头低应力断裂的主 要原因。2)焊缝脆化。主要是在焊缝区形成M6C型复合碳化物η相，其中M包含W、Fe、 Co、Ni等元素，主要原因是硬质合金与钢进行焊接时，硬质合金中的碳向钢侧扩散，使硬质 合金中含碳量降低而形成n相。焊缝脆化导致接头的抗弯强度低。3)气孔、夹渣及氧化。主要是出现在钎焊接头中.当加热温度过高时，造成钎缝氧 化及焊料成分的严重烧损；而加热温度偏低，则钎料流动性不好，形成虚焊，且焊缝内留有 大量气孔和夹渣，以至严重降低焊缝强度。由于硬质合金与碳素钢之间的物理性能相差较 大，目前钎焊和扩散焊仍然是可行而又实用焊接方法.此外一些将有可能在硬质合金的焊 接中得到应用的新焊接方法，如钨极惰性气体保护电弧焊(TIG)，电子束焊(EBW)，激光焊 (LBff)等也在积极的研究探索之中。现阶段在硬质合金(棒材)对焊方面应用主要有火焰 钎焊、高频钎焊、电阻钎焊、感应加热钎焊、激光钎焊等工艺方法。传统且广泛应用的硬质合金焊接的火焰钎焊方法是用可燃气体(乙炔、丙烷等) 与氧气或压缩空气混合燃烧的火焰作为热源进行焊接的一种方法。火焰钎焊主要适用于中 小尺寸硬质合金刀具的小批量生产。对于大型的硬质合金工具，由于火焰加热的温度和速
3度难以控制，加热时会产生较大的温度梯度，容易引发裂纹的产生，因此对尺寸差异大的零 件一般不采用此方法。另外，整个生产加工过程还需凭借着操作工加工经验来完成实现。火 焰钎焊和高频钎焊共同不足之处在于，加工过程中，温度高低是通过操作者肉眼来断定。温 度误差比较大，在焊接中易产生过烧或欠烧现象。对焊时需在空气中加热。易在焊接处焊 剂介质中产生氧化皮，有氧化夹渣现象。焊口有杂质、气泡、砂眼等影响使用缺陷。手工操 作，需将硬质合金棒材和常用钢材同时加热。火焰加热过程温度不均勻，需反复手工移动加 转动零件加热。高频加热过程虽比火焰加热均勻强一些，但手工操作移动不可避免。焊接 加热区域大，热影响大，变形大。若一次未焊接成功。反复焊接，硬质合金材料易出现热应 力集中现象，在后期的使用过程中易出现从焊接处断裂现象。柄部常用钢材通常在对焊前 经过淬火工艺处理，以提高硬度强度等各方面机械性能指标。而手工操作和目测观温，若操 作不当恰恰会降低焊接位置强度和机械性能指标。手工操作往往使工具头部和柄部对接定 位同心度不好，两者轴线偏差大，精度不好。对后期机械加工制作带来一定的困难，需在前 工序增加两者的直径尺寸和精度，便于焊后磨削同心，因此成本有所提高。焊接完成后需要 立即进行8小时以上的保温处理。电阻钎焊加热电压是电阻钎焊的重要参数，要选择合适的数值以保证合理的发热 升温速度；其次要保证电极与工件接触处于良好状态.加热过程中要及时排渣，防止钎缝 夹杂和气孔形成而降低强度.使用硼砂钎剂时一定要先经过脱水处理，否则由于结晶水的 存在，在焊接过程中结晶水蒸发，在焊接区域内产生大量气体，既影响了正常排渣，又易在 焊缝中产生气孔。电阻钎焊的操作较为简单方便，效率比火焰钎焊高，工件表面的氧化较 少，但是在加热过程中易造成工件局部过热烧损.此外对于复杂形状的工件、多刃刀具及 尺寸很小的工件不便操作。感应加热钎焊必须有一个合适的组配范围，设备较复杂、一次性投资较大，其次是 感应电流的趋表效应，当钎焊大厚工件时，加热温度不均勻，难于保证钎焊质量，且效率也 低，故一般只适用于钎焊结构型式简单的小尺寸焊件。工艺参数因素波动会对焊缝质量造 成不良影响，尤其是在硬质合金中产生较大的焊接应力。钎缝间隙过小时，会发生"挤死" 和"钎不透"，使接头强度下降和焊接应力增加。间隙过大，毛细作用减弱，也会导致"钎 不透"，使接头强度下降。加热和冷却速度对钎头焊接质量有很大影响.加热速度太快，合 金中会产生较大的应力；加热太慢，则高温停留时间长，这虽然能使液态钎料的润湿和扩散 更完善，但会造成合金的氧化烧损。冷却速度太快，合金中会产生很大的收缩应力；冷却速 度太慢，虽然能减小焊接应力，但对钢体材质的淬火不利。激光钎焊激光作为一种新型的焊接热源，具有加热速度快、热影响区窄、焊后变形 及残余应力小等特点，特别是在减弱接头熔合区脆化方面，具有独特的优点.这使其有可 能应用于硬质合金的焊接。由于硬质合金与钎料之间的熔点相差很大，在焊接中要严格控 制工艺参数。在激光熔焊过程中，激光功率密度很高，在激光直接作用的区域，硬质合金瞬 间可达很高温度，并与钎料中的Cu发生剧烈的"亲合"作用，还容易发生钎料的蒸发和过 度烧损，使表面出现严重的凹陷现象，必须通过适当调整工艺参数来减少钎料的烧损。另外 由于硬质合金中Co的含量一般都很低，在激光"深熔焊"的高温作用下极易逸失，而使WC 以疏松的状态存在，此时的硬质合金将不能保持原有的致密烧结组织和性能，导致接头不 可避免地出现一些裂纹、气孔等缺陷。在激光钎焊过程中，由于热过程极短，一般只存在硬质合金中的Co向液态钎料的溶解和短距离扩散，而钎料中的Cu则基本上未向硬质合金扩 散，因而两者之间的冶金结合不够充分，会直接降低接头的剪切强度。
发明内容
本发明的目的是针对上述现有技术存在的不足之处，提供一种能够节省硬质合金 贵重金属，容易实现金属材料层深透焊接，焊接残余变形小，原材质组织性能不发生变化， 没有人为直接干涉现象，无需保温，焊接速度快，效率高，不产生氧化、气泡、砂眼等缺陷，能 够延长双金属结构长度的硬质合金刀具的焊接方法。本发明的上述目的可以通过以下措施来达到。1. 一种延长双金属结构硬质合金刀 具的焊接方法，包括如下步骤并具有如下技术特征首先将刀具分为刀具头部主体和刀具柄部主体两大部分，分别在刀具头部主体后 端面上制出硬质合金柱形凸台，在刀具柄部主体的前端制出与所述柱形凸台有机结合的刀 柄钢体匙孔；在焊接前，对所述硬质合金柱形凸台和刀柄钢体匙孔进行中间焊接载体介质 焊料电镀；将上述硬质合金刀具头部和刀具柄部，放置在电子束焊机相对移动的两个工装 夹具中；在真空状态下作业，将电子枪发射电子束对准刀具柄部圆柱匙孔位置处的外圆，对 要焊接的区域段，进行旋转加热扫描，但不对硬质合金棒进行扫描加热；调整电子束聚焦焊 接状态，对匙孔中心焊剂介质进行熔透加热，用计算机控制焊接参数，定量地施加电子束焊 能量；利用与旋转电机相连的旋转工作台，将一端硬质合金柱形凸台逐渐旋入另一端刀柄 钢体的匙孔中，直至柱形凸台与柄部匙孔完全接触配合，电子束扫描搅拌程序进入冷却凝 固阶段。本发明相比于现有技术具有如下有益效果。本发明充分利用刀具结构特色，用主体坚硬的硬质合金材质制造刀具前端刀具头 部，用坚硬度小一些，通常较便宜的材料制造刀具后部主体刀柄。将上述两者通过中间焊剂 介质有机的连接，有效延长硬质合金棒材的使用长度，保持原有刀具功能本性不降低和刀 具的特别性质，降低刀具整体合金含量和几何重量，焊接后刀具主体头部所用硬质合金材 质(棒材)仅占原来刀具(棒材)体积30% 50%，从而整体硬质合金刀具的硬质合金贵 重金属使用，减小了刀具总体费用成本。即便是新的整体硬质合金棒材，利用本方法，也是 一种节约降低成本的策略。本发明利用电子束焊精准，焊接能量密度极高，容易实现金属材料层深透焊接的 焊接工艺，利用中间焊接载体介质的介入方式，焊接两种金相不同材质，将按常规材质类形 差异大的材质，不能直接焊接的材料可靠地连接成一个完整的整体，很好地解决了异种材 料在焊接中出现的两种材质冶金不相容和性能差异问题。同时电子束焊的穿透性能在真空 条件下焊接，焊缝清洁度高，熔剂中虽含有挥发成份，但气体污染极低。定量地施加电子束 焊能量，使热量在焊层的厚度方面上分布很均勻，刀柄基体金属熔融很少，只对焊剂介质进 行熔化，从而避免了硬质合金热裂纹和刀体的变形。许多操作工步在机械设备中一次操作 完成，并能有效保护刀柄强度性能。可以方便地进行扫描、偏转、跟踪等，易于焊接过程的自 动化，并且通过电子束扫描熔池可以消除缺陷，提高接头质量。束焊接接头的抗裂性能要比 采用传统焊接方法的焊接接头高很多，一般要比火焰钎焊、高频钎焊焊缝高出1 1.5倍。 值得一提的是，整个焊接进程中没有对硬质合金棒进行加热扫描，避免了硬质合金热应力集中现象。因加热温度没有达到钢件退火点钢件机械强度没有发生变化。火焰钎焊和高频 钎焊中出现的缺点在“焊料电镀、电子束扫描搅拌焊接方式”中都避免了。采用的计算机控制焊接工艺参数精确性、重复性、稳定性强。焊接速度快，效率高。 焊接热影响区小，可控制加热区域位置，状态加工温度均勻。焊接残余变形小，原材质组织 性能不发生变化。在真空中焊接，不产生氧化、气泡、砂眼等缺陷。没有人为直接干涉现象， 一切操作过程都在机械控制之下完成，在焊接质量稳定，一次合格率高。焊后直接出炉，无 需保温。焊接处温度电子束聚焦点位置深度，可在试验时预先得知，从而将电子束焊接状 态调整到最佳状况。焊后不需要进行焊缝表面处理和加工，大大减少机加工工作量。
图1是根据本发明的一个实施例的示意图。图中1刀具端面，2刀具刃口，3硬质合金主体(刀具头部主体)，4中间焊接介质， 5钢体刀具(刀具柄部主体)，6柱形凸台，7刀柄钢体匙孔。
具体实施例方式下面结合附图及实施例对本专利进行详细描述。由于硬质合金棒材属于焊接差异大的材质，无论在冶金制造方式、金相组织结构 等方面与一般钢有着本质区别。但硬质合金和普通钢在电镀方面都是导体，在分子亲和方 面都良好，因此在两种材料接触结合面处进行焊料电镀。两种材料接触结合面都有相同的 中间焊接载体介质，分子之间亲和力好，便于焊接。中间焊接载体介质可以是银、铜、一切可 焊焊料。虽然被焊接对象与前述火焰钎焊、高频钎焊材质没有变化，但中间焊接载体介质 的介入方式发生了根本变化，因此操作本质、工艺路线也就发生了根本的变化。在图1中，刀具分为刀具头部主体和刀具柄部主体两大部分。刀具头部的刀具端 面1切削刃部是用于机械加工切削的刀具刃口 2。刀具后半部分刀柄是用于与机械加工设 备连接、传递动力的刀具柄部主体。硬质合金基体3 (棒材)位于刀具的前端部分是形成主 切削刃载体，在刀具头部主体后端面上制有硬质合金柱形凸台6 ；刀柄钢体5位于刀具后半 部分是形成柄部基准的基体，在刀具柄部主体的前端，制有与柱形凸台6有机结合的刀柄 钢体匙孔7。硬质合金基体3和刀柄钢体5通过中间介质4焊接有机结合，形成硬质合金刀 具的框架。在焊接前应对硬质合金柱形凸台6和刀柄钢体匙孔7进行焊料电镀。硬质合金 棒的电镀位置是凸台阶区；刀柄电镀区域是凹槽的匙孔(内孔)。上述硬质合金柱形凸台6 可以但不限于是图中所示的硬质合金凸圆台，它还可以是矩形、多边形的硬合金柱体凸台， 刀柄钢体匙孔7与之对应。硬质合金形成硬质合金柱形凸台6与刀柄钢体圆柱匙孔7轴线 同心。在焊接前进行焊料电镀。它们之间相互关连、相互对应。因为端面接触部位存在间 隙，零件配合过松却会造成焊接变形即轴线不同心，应控制机械加工公差配合，保证零件焊 接前的精度，以确保焊后装配精度。在扫描搅拌熔焊接之前，将硬质合金棒材3 —端用机械加工方式磨制出一个圆柱 凸台形状。为机械加工提供轴径基准尺寸依据，该段凸台阶轴线与棒材的轴线同心度必须一致。
为提高材料综合机械性能强度，电子束焊前，先刀柄钢体5进行淬火热处理，以提 高柄部的基本强度和韧性。并将刀柄端加工成圆柱匙孔形状。电子束焊时，零件焊接部位清洁度要求较高，刀具焊接接头要进行清洗。将焊接面 油、锈、氧化物及其它杂质清除干净，可用机械方式清洗。电子束扫描搅拌焊是通过下述装置来实现。电子束焊机由电子枪，高压电源，真空机器，真空焊接室，电气控制系统，工装夹具 与工作台行走系统等部分组成。电子枪位于低真空工作室上方，工件装在旋转工作台上， 旋转工作台与旋转电机联接，上工作台夹持硬质合金棒，下工作台放置柄部，并使凹槽口向 上。换句话说，放置在电子束焊机中的刀具柄部匙孔凹榫结构向上，以用于承接焊剂。将刀具头部主体和刀具柄部分别放置电子束焊机两个工装夹具中，其工作台装置 可相对移动。电子束焊机开始在真空状态下作业，将电子枪发射出电子束对准柄部圆柱匙 孔的外圆加热区域，即要对焊接的区域段进行旋转加热扫描，但不对硬质合金棒进行扫描 加热。实际加热目标是匙孔中的焊剂介质，对柄部对焊区域段加热时，控制温度的最高点， 不许达到钢体的退火状态温度，钢体对焊后，焊接处基体强度不降低。电子束可选择加热区 域，调整电子束聚焦焊接状态。机械机构可作上下加旋转运动，通过计算机控制焊接参数， 使加热区温度达到所需溶点，使扫描搅拌的焊剂介质熔化点恒温保持不变，定量地施加电 子束焊能量；利用与旋转电机联相连的旋转工作台，使硬质合金圆柱凸台一端逐渐旋入另 一端刀柄钢体匙孔，等到柱形凸台与柄部匙孔完全接触配合，电子束扫描搅拌程序进入冷 却凝固阶段。电子束扫描搅拌焊，在真空环境下以高速、密集的电子束流轰击焊件，将电子 动能、迅速转变成热能，熔化焊剂金属。电子束会聚的高速电子流轰击工件接缝处，局部加 热将焊接接头焊剂熔化，并形成共同的熔池，当焊剂冷却结晶形成牢固接头，工件焊接成双 金属结构的整体刀杆，完成焊接工艺。
权利要求
一种延长双金属结构硬质合金刀具的焊接方法，包括如下步骤并具有如下技术特征首先将刀具分为刀具头部主体和刀具柄部主体两大部分，分别在刀具头部主体后端面上制出硬质合金柱形凸台，在刀具柄部主体的前端制出与所述柱形凸台有机结合的刀柄钢体匙孔；在焊接前，对所述硬质合金柱形凸台和刀柄钢体匙孔进行中间焊接载体介质焊料电镀；将上述硬质合金刀具头部和刀具柄部，放置在电子束焊机相对移动的两个工装夹具中；在真空状态下作业，将电子枪发射电子束对准刀具柄部圆柱匙孔位置处的外圆，对要焊接的区域段进行旋转加热扫描，但不对硬质合金棒进行扫描加热；调整电子束聚焦焊接状态，对匙孔中心焊剂介质进行熔透加热，用计算机控制焊接参数，定量地施加电子束焊能量；利用与旋转电机相连的旋转工作台，将一端硬质合金柱形凸台逐渐旋入另一端刀柄钢体的匙孔中，直至柱形凸台与柄部匙孔完全接触配合，电子束扫描搅拌程序进入冷却凝固阶段。
2.根据权利要求1所述的延长双金属结构硬质合金刀具的焊接方法，其特征在于，所 述硬质合金柱形凸台(6)与刀柄钢体圆柱匙孔(7)轴线同心。
3.根据权利要求1所述的延长双金属结构硬质合金刀具的焊接方法，其特征在于，所 述的中间焊接载体介质是银、铜或其它可焊焊料。
4.根据权利要求1所述的延长双金属结构硬质合金刀具的焊接方法，其特征在于，所 述的硬质合金柱形凸台(6)是凸圆台或矩形体台、多边形的柱体凸台；与其配合的柄部结 构相互对应，呈现凹陷状态，榫卯配合。
5.根据权利要求1所述的延长双金属结构硬质合金刀具的焊接方法，其特征在于，放 置在电子束焊机中的刀具柄部匙孔凹榫结构向上，以用于承接焊剂。
6.根据权利要求1所述的延长双金属结构硬质合金刀具的焊接方法，其特征在于，对 柄部对焊区域段加热，温度控制最高点，不许达到钢体的退火状态温度，钢体对焊后，焊接 处基体强度不降低。
7.根据权利要求1所述的延长双金属结构硬质合金刀具的焊接方法，其特征在于，电 子束焊前，先对刀柄钢体(5)进行淬火热处理，以提高柄部的基本强度和韧性。
8.根据权利要求1所述的延长双金属结构硬质合金刀具的焊接方法，其特征在于，电 子束焊前，将焊接面油、锈、氧化物及其它杂质清除干净。
全文摘要
本发明公开的一种延长双金属结构硬质合金刀具的焊接方法，分别在刀具头部主体后端面上制出硬质合金柱形凸台，在刀具柄部主体的前端制出与所述柱形凸台有机结合的刀柄钢体匙孔；并对其进行焊料电镀；将它们放置在电子束焊机，可相对移动的两个工装夹具中；在真空状态下作业，将电子枪发射电子束对准刀具柄部圆柱匙孔的外圆，对匙孔中心焊剂介质进行熔透加热，利用与旋转电机联相连的旋转工作台，将柱形凸台与柄部匙孔完全接触配合，直至电子束扫描搅拌程序进入冷却凝固。本发明利用中间焊接载体介质的介入方式，将常规类形差异大的结构零件，原来不能直接焊接的材料可靠地连接成一个完整的整体，很好地解决了焊接中两种材质冶金不相容和性能差异问题。
文档编号B23K15/06GK101890571SQ20101023552
公开日2010年11月24日 申请日期2010年7月26日 优先权日2010年7月26日
发明者张青莆, 李艽 申请人:李艽