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金刚石锯片激光焊接缺陷和断口分析

时间: 2011-07-13 06:01 来源: 作者: 点击:

金刚石锯片激光焊接缺陷和断口分析

夏锦华殷声 叶宏煜 胡恩良

  提要:激光焊接的快速加热及快速冷却特性决定了焊缝的成分及组织的不均匀性,由此导致了产生各种焊接缺陷的可能性。本文利用扫描电镜分析了金刚石锯片激光焊接过程中出现的主要焊接缺陷,如:气孔、裂纹、夹杂物。此外,还对抗弯强度试样的断口进行了分析。
  关键词:金刚石、激光焊接、缺陷分析,金刚石锯片
  中图分类号:TG 441.7

Analysis of Defects and Fracture Surfaces of Laser Welding Diamond Saw Blade

Xia Jinhua Yin Sheng
(University of Science and Technology,Beijing 100083,China)
Yie Hongyue Hu Enliang
(Shengzhen Sheng Da Superhard Materials Co.,Shengzhen 518000,China)
(Received 23 August 1998)

Abstract
  Due to the higher heating and cooling speeds of laser welding,both microstructure and composition in the welding seam are inhomogeneous,which might generate the possibilities of some kinds of defects.The defects in the welded seam of diamond saw blade by laser welding,including pores,cracks and inclusions,were studied by using SEM.Additionally,the fracture surfaces of bending strength specimen were also explained.
Key words:diamond,laser welding,defects,diamond saw blade

1 引  言

  金刚石锯片刀头的激光焊接是80年代出现的新技术,其焊接强度,尤其是高温强度大大优于传统的钎焊锯片[1]。由于激光焊接本身的特点,焊后常常会出现一些缺陷。本文分析了锯片激光焊接出现的缺陷和断口,对合理选材和制定焊接工艺具有一定的参考价值。

2 实验方法

  将刀头胎体粉末和过渡层粉末装入石墨模具中热压,热压温度为900℃,压力2000N/cm2,时间10min。刀头胎体材料为45% 6-6-3青铜,30%钴,10%碳化钨,15%镍。在刀头待焊处设置了约1mm厚的过渡层,过渡层含有Fe、Ni。锯片基材为40Cr钢。本实验采用5kW横流电激励连续CO2激光器,采用对焊方式,焊接系统见图1所示。

Fig.1 Schematic diagram of laser welding system

3 结果与讨论

3.1 气孔
  气孔是激光焊接常见的一种缺陷,即便是致密材料,激光焊接也存在气孔的问题。焊接锯片刀头这类烧结材料,焊缝中出现气孔的可能性就更大。试验中气孔的形成主要有3种原因:(1)低熔点组分的烧损,见图2a;(2)过渡层孔隙中的气体,见图2b;(3)保护气体的卷入,见图2c所示。

Fig.2 Pores in the welded seams
(a) Burning loss of low melting point materials,(b) Diffusion of gas in pores of intermediate layer,
(c) Gas pore induced by protective gas

  形成气孔的机理是:熔池中的液态金属在高温下溶解了较多气体,被焊过渡层孔隙中的气体也随之进入熔池。随着温度的下降,气体溶解度下降,气体析出。若析出的气体上浮速度小于熔池的凝固速度,就会在焊缝内形成气孔[2]
  试验中采《嘀执胧├聪蚣跎倨住U庑┐胧┌ǎ?1)优化热压工艺,提高刀头过渡层的致密度;(2)合理的过渡层成分,过渡层应不含有低熔点组分。除此之外,试验中发现光束偏移量对焊缝中的气孔有着重要的影响。
  光束偏移量是指焊接时激光光斑中心相对于焊接线位置的距离。试验中发现,当光束偏向钢基侧时,可显著减少焊缝中的气孔量,见图3。

Fig.3 Pores in different beam alignments
(a) No beam alignment,(b) Alignment to steel blank

  光束偏向钢基降低焊缝中的气孔,可简单解释如下:假设焊缝中刀头过渡层所占体积为V1,孔隙度为Q;钢基所占体积为V2,其孔隙度为零。熔池中既无外界气体卷入也无内部气体逸出,焊后焊缝气孔率为Q′:

  从式中可以看出,随着V1减小(即光束偏向钢基),则焊缝的气孔率下降。
3.2 裂纹
  裂纹是激光焊接过程中出现的最严重的缺陷。导致焊接接头开裂的主要因素有两种:冶金因素和力学因素。激光焊接的不平衡快速加热与快速冷却的特征,使得整个接头处于复杂的应力状态,构成了接头开裂的力学因素;激光焊接又是一系列不平衡工艺过程的综合,在快速冶金凝固过程中,必然会出现成分分布的不均匀,低抗裂性能的淬硬组织等,它们构成了促进裂纹萌生的冶金因素。
  实验中发现了3种主要裂纹:(1)结晶裂纹, (2)液化裂纹, (3)类再热裂纹,见图4所示。图4a中的结晶裂纹与焊缝宏观区域的成分不均匀性有关。焊缝中心区域是液相结晶最晚的部位,焊缝两侧的柱状晶交遇于此,同时大量低熔点的杂质也堆聚于此,形成中心线偏析,从而降低了该处的结合强度,在一定力学条件下,裂纹就产生在这一部位。图4b是图4a结晶裂纹末端的放大SEM相片。

Fig.4 Cracks in welded seams
(a) Solidification crack,(b)Magnified end of the crack,(c) Liquidation crack,(d) Pseudo-reheat crack

  图4c中的液化裂纹起始于焊缝底部熔合线,然后扩展进入过渡层近缝区。焊接时,母材熔化后在熔合线处开始结晶凝固成树枝状的一次结晶组织。过渡层一侧的低熔点组分会偏析富集到枝晶晶界处,形成液化薄膜。在收缩应力作用下,形成裂纹。
  图4d中的类再热裂纹是近缝区中过热奥氏体晶界上微孔串联产生的孔穴型开裂。由于在三晶粒交界处,晶粒间相互滑动在三晶点处产生应力集中,裂纹发展到一定程度便会产生楔型开裂。
  另外,试验初期用激光束直接对焊胎体材料与40Cr钢基。SEM分析发现焊缝熔合线处存在裂纹,见图5。出现裂纹的主要原因是两种材料的性质相差较大,即它们的“冶金相容性差”。另外,母材相差悬殊的热膨胀系数引起不可消除的应力,熔合线处又存在缺陷,最终导致焊缝熔合线处出现裂纹。这也是在刀头底部待焊处设置过渡层的主要原因。

Fig.5 Cracks existed in welding bond

3.3 夹杂物
  激光焊接时,熔池凝固很快,由于偏析可能产生各种夹杂物,见图6。这是SEM断口分析时在焊缝断口中发现的Si夹杂(图中白色亮块)。夹杂物是裂纹的发源地,降低了焊缝的强度使焊缝脆化,严重时会导致焊缝中出现裂纹,见图7。

Fig.6 Inclusion in welded seam

Fig.7 Crack induced by inclusion

3.4 断口分析
  SEM断口分析表明,锯片焊接接头大多呈脆性断裂。图8是两种典型的断口形貌。图8a为准解理断口,可以观察到粗短明显的河流状花样。断口裂纹起始于晶粒内部的显微结构,即微小气孔或杂质物。试验结果表明,以准解理方式断裂的焊接接头具有较高的强度。图8b是典型的“冰糖块状”的沿晶断口,液化裂纹常会导致这种类型的断口。非金属夹杂物或低熔点金属在晶界的偏析而形成液化裂纹,在金属凝固收缩应力或焊缝金属局部应力集中的作用下,裂纹沿晶界扩展,便形成了这种断口。具有这种断口的接头强度低,不能满足使用要求。

Fig.8 The fracture surfaces of SEM
(a) Pseudo-cleavage fracture face,(b) Transcrystalline fracture face

4 结  论

  (1)金刚石锯片激光焊接焊缝中常出现不同类型的气孔,合适的光束偏移量可以显著减少焊缝中的气孔量。
  (2)试验中发现焊缝中主要有3种不同类型的裂纹,它们主要与焊缝中存在低熔点组分有关。因此,刀头过渡层中应不含低熔点组分。
  (3)断口分析表明,焊接接头呈脆性断裂。主要有2种类型的断口,准解理断口及沿晶断口。

作者单位:夏锦华殷声 北京科技大学,北京100083
     叶宏煜 胡恩良 深圳森达超硬材料公司,北京518000
本文作者现在北京市电加工研究所工作
本文1998年8月23日收到。

参考文献

  1 Weber G,Industrial Diamond Review,1991,(3):126
  2 张文铖.金属熔焊原理及工艺.北京:机械工业出版社,1987

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