（机械电子工程专业论文）pcd刀具高频感应钎焊焊后保温工艺研究.pdf

大连理一i = 大学硕十学位论文 摘要 p c d 复合片的焊接是聚晶金刚石刀具制作的关键工序。高频感应钎焊凭借其环境污 染小、生产效率高等优点成为目前世界各国主要采用的p c d 刀具焊接方法。但由于p c d 复合片的钎焊工艺性差，尽管国内很多学者对p c d 复合片与硬质合金基体钎焊的焊前 处理和焊接过程进行了大量研究，在生产实践中p c d 复合片与硬质合金基体的焊接强 度仍然较低，与国外生产的p c d 刀具相比还存在较大差距。因此，为了进一步提高国 产p c d 刀具的焊接质量，有必要对国内学者研究较少的p c d 刀具高频感应钎焊焊后保 温工艺进行深入分析和研究。 首先，根据p c d 复合片焊后保温工艺要求，本文设计并制造了一种基于a t 8 9 s 5 1 单片机的温度控制系统，对不符合使用要求的传统保温炉进行改造；介绍了控制系统的 基本组成和工作原理，详细论述了系统的硬件电路、控制策略以及软件设计。 其次，选用两种钎料，一种钎剂和一种硬质合金刀具基体，采用g p l 5 c w 6 型高 频感应焊机在空气中钎焊p c d 刀具，并将其立刻放入改造后的保温炉中进行了焊后保 温试验；进而用保温后的p c d 刀具进行破坏性剪切试验，测量刀具的剪切强度。剪切 试验结果表明：无论采用1 # 钎料还是2 # 钎料，焊缝剪切强度都是随保温温度的升高而 增大，随保温时间的延长先增大后减小；采用焊后保温方式的刀具剪切强度比在石膏粉 中冷却或空气中自然冷却的刀具剪切强度高。 最后，用扫描电镜( s e m ) 对经保温处理后的刀具焊缝进行了观察，并用电子探针 ( e p m a ) 对焊缝中元素的分布进行了观测。结果表明：1 # 钎料焊缝组织随保温温度的 升高而变得均匀，并且钎料中部分元素的偏析程度有所降低，而2 # 钎料的焊缝组织和元 素分布没有发生明显变化；保温时间较长时，1 # 钎料与2 # 钎料的焊缝中均分布大量微孔 和夹渣。此外，利用扫描电镜对不同保温时间下的p c d 刀具前刀面进行观察，发现在 保温过程中，刀具发生了不同程度的热损伤；并且保温时间越长，热损伤越严重。 关键词：p c d 复合片；高频感应钎焊；焊后保温工艺；温度控制系统；剪切强度 p c d 刀具高频感府钎焊焊后保温l ：艺研究 s t u d y o nt h ep o s t w e l dh e a tp r e s e r v a t i o nt e c h n o l o g yo fh i - f r e q u e n c 3 7 i n d u c t i o nb r a z i n gf o rp c dc u t t i n gt o o l s a b s t r a c t t h eb r a z i n go fp c dc o m p a c ti sak e yp r o c e d u r eo fm a k i n gp o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d c u t t i n gt o o l s n o w a d a y s m eh i g h f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n gi s o n eo ft h em o s tp o p u l a r t e c h n i q u e su s e di nt h eb r a z i n go fp c dc o m p a c ta r o u n dt h ew o r l d ，b e c a u s eo f i t sn o t a b l e a d v a n t a g e ss u c ha sl e s sp o l l u t i o nt ot h ee n v i r o n m e n ta n dh i g h e rp r o d u c t i o ne f f i c i e n c y m u c h r e s e a r c ho nt h ep r e t r e a t m e n ta n db r a z i n gc o u r s eo fp c dc o m p a c tw i t hc e m e n t e dc a r b i d eh a s b e e nc a r r i e do u ti nc h i n a h o w e v e r ，t h eb r a z i n gi n t e n s i t yo fp c d t o o l sw i t hc e m e n t e dc a r b i d e s u b s t r a t ei np r a c t i c ei ss t i l lm u c hl o w e rt h a nt h a to ft h o s eb r a z e da b r o a d ，d u et ot h ep o o r b r a z i n gu s a b i l i t yo fp c dc o m p a c t s t h e r e f o r e i ti sn e c e s s a r y t oi n v e s t i g a t et h ep o s t - w e l dh e a t p r e s e r v a t i o nt e c h n o l o g yo fh i f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n gf o rp c dc u t t i n gt o o l s ，w h i c h i s s t u d i e dl e s sb yd o m e s t i cr e s e a r c h e r s ，i no r d e rt of u r t h e re n h a n c et h ep e r f o r m a n c eo fp c d c u t t i n gt o o l s ， f i r s t l y ，at e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mo fh o l d i n gf u r n a c eb a s e do na t 8 9 s 5 1s i n g l ec h i p m i c r o c o m p u t e rw a sd e s i g n e dt oi m p r o v e t h eo l dh o l i n gf u r n a c ei nt h i sp a p e ra c c o r d i n gt ot h e r e q u i r e m e n to fb r a z i n gh o l d i n gt e c h n o l o g yf o rp c dc u t t i n gt o o l s m e a n w h i l e ，t h es t r u c t u r e a n dw o r kp r i n c i p l eo ft h et e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e mw e r ep r e s e n t e d 1 1 1 eh a r d w a r e t h e s o f t w a r ea n dt h es t r a t e g i e so ft e m p e r a t u r ec o n t r o lw e r ea l s om a i n l yd e s c r i b e d s e c o n d l y ，p c dc u t t i n gt o o l sw e r eb r a z e di na i ra t m o s p h e r ew i t ht w od i f f e r e n tb r a z i n g f i l l e ra l l o y s ，o n es o l d e r i n ga n do n ec e m e n t e dc a r b i d eb a s e ，u s i n gh i g h - f r e q u e n c yi n d u c t i o n b r a z i n gm a c h i n eg p 15 - c w 6 a n dp o s t w e l dh e a tp r e s e r v a t i o ne x p e r i m e n t so fh i g h f r e q u e n c y i n d u c t i o nb r a z i n gw e r ec a r r i e do u tf i g h ta w a yb yp u t t i n gt h ep c dc u t t i n gt o o l si n t ot h e i m p r o v e dh o l i n gf u r n a c ea f t e rb r a z i n g s h e a r i n ge x p e r i m e n t sw e r eu n d e r t a k e nu s i n gc u t t i n g t o o l so b t a i n e di nt h eb r a z i n ge x p e r i m e n ta n dt h ec u t t i n gt o o l s s h e a r i n gs t r e n g t hw a s m e a s u r e dl a t e r t h er e s u l t so fs h e a r i n ge x p e r i m e n ti n d i c a t e dt h a tt h es h e a r i n gs t r e n g t ho f b r a z i n gj o i n t si n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo f h e a tp r e s e r v a t i o nt e m p e r a t u r e ，b u ti n c r e a s e df i r s t a n dd e c r e a s e da f t e r w a r dw i t ht h ep r o l o n g i n go fh e a tp r e s e r v a t i o nt i m e a n dt h es h e a r i n g s t r e n g t ho f p c d c u t t i n gt o o l su s i n gt h ew a yo fp o s t w e l dh e a tp r e s e r v a t i o nw a sh ig h e rt h a n t h a to ft h o s eu s i n gp l a s t e rp o w e rc o o l i n go ra i rc o o l i n g f i n a l l y ，t h ec u t t i n gt o o l s j o i n t sw e r eo b s e r v e db y m e a n so fs c a n n i n ge l e c t r o n m i c r o s c o p e ( s e m ) a n dt h ee l e m e n t s d i s t r i b u t i o n sw e r ei n v e s t i g a t e du s i n ge l e c t r o np r o b e 一 人连理。1 j 大学硕十学位论文 m i c r o a n a l y z e rf e p m a ) i tw a sf o u n dt h a tt h ej o i n to r g a n i z a t i o n so f 博b r a z i n gf i l l e ra l i o x t b e c a m eh o m o g e n e o u sa n dt h ee l e m e n t s s e g r e g a t i o nd e c r e a s e dw i t ht h e r i s eo fh e a t p r e s e r v a t i o nt e m p e r a t u r e b u tt h ej o i n to r g a n i z a t i o n sa n de l e m e n td i s t r i b u t i o n so f 2 # b r a z i n g f i l l e ra l l o yd i d n th a v eo b v i o u sc h a n g e s i tw a sa l s of o u n dt h a tt h e r ew e r em a n ym i c r o p o r e s a n di n c l u s i o nd i s f i g u r e m e n t si nt h ej o i n t sw h e nh e a tp r e s e r v a t i o nt i m ew a sl o n g e r i na d d i t i o n t h er a k ef a c e so fp c dc u t t i n gt o o l su n d e rd i f f e r e n th e a tp r e s e r v a t i o nt i m ew e r ea l s oo b s e r v e d u s i n gs e m i tw a sr e v e a l e dt h a ti nc o u r s eo fp o s t w e l dh e a tp r e s e r v a t i o n ，t h e r ew a st h e r m a l d a m a g eh a p p e n i n go nt h ep c dc u t t i n gt o o l s f u r t h e rm o r e ，w i t ht h ei n c r e a s eo fp o s t 。w e l d h e a tp r e s e r v a t i o nt i m e ，t h e r m a ld a m a g eb e c a m es e r i o u sg r a d u a l l y k e yw o r d s ：p c dc o m p a c t ；h i g h - f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n g ；p o s t - w e l dh e a tp r e s e r v a t i o n t e c h n o l o g y ；t e m p e r a t u r ec o n t r o ls y s t e m ；s h e a r i n gs t r e n g t h 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目：型囚县高麦复筮庭蟹婆蝮邂温兰鲤宝 作者签名：籀旦登 日期：一兰塑呈年三月芝日 大连理工大学硕十研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 2 垦驷县高题感! 鳆霹缝虚堡遣兰物宝 作者签名：盎旦旦堡 导师签名：么奎亟堡 日期：2 1 1 壁年上兰月堕日 日期：鲨翌年监月日 人连理：人学硕十。何论文 1 绪论 1 1 p c d 刀具简介 聚晶会刚石( p o l y c r y s t a l l i n ed i a m o n d ，简称p c d ) 复合片是由天然或人j 】二合成的金 刚石微粉和结合剂( 其中含钴、镍等会属) 按一定比例在高温、高压下烧结在硬质合金 基体上而制成的超硬复合材料。因此，p c d 复合片既具备金刚石的高硬度和岛耐磨性， 又兼有硬质合金的强度和韧性，是一种理想的刀具材料i 。p c d 刀具则是将切割成一定 刀头形状的p c d 复合片通过一定方式固定在刀具基体上，然后通过刃磨制成的切削工 具。由于性能优越，p c d 刀具在有色金属及非会属切削加工、钻探等行业得到了广泛的 应用。 1 1 1p c d 刀具的性能特点 与高速钢、硬质合金等一般刀具材料相比，p c d 刀具材料具有优越的性能，主要表 现在以下几个方面： ( 1 ) 极高的硬度和耐磨性：p c d 的硬度可达8 0 0 0 h v ，为硬质合会的8 0 - - 一1 2 0 倍， 由于p c d 硬度极高，且属各向同性，因而具有极佳的耐磨性1 2 1 。 ( 2 ) 较低的摩擦系数：p c d 的摩擦系数一般仅为0 1 0 3 ，约为硬质合金摩擦系数 的1 2 ，低的摩擦系数能使变形和切削力降低，从而降低加工表面粗糙度。 ( 3 ) 优良的导热性：p c d 导热系数为7 0 0 w m k ，为硬质合金的9 1 5 倍，甚至高于 银和铜，因此在切削中切削热容易挥发散出，切削温度较低。 ( 4 ) 较小的热膨胀系数：p c d 热膨胀系数仅为0 9 1 0 6 1 1 8 1 0 - 6 ，相当于硬 质合会的1 5 ，因此切削加工时，刀具因切削热而产生的热变形很小，这一特性对尺寸 精度要求很高的精加工车刀来说非常重要。 ( 5 ) 较高的弹性模量：p c d 的弹性模量为8 0 0 g p a ，而硬质合金为6 1 0 6 4 0 g p a ， 这样p c d 比硬质合金的刚性要好得多，其切削刃在切削过程中不易产生变形，并能在 切削压力作用下保持原始几何参数，长期保持刃口锋利。 ( 6 ) 较好的化学惰性：p c d 刀具与有色金属和非金属材料间的亲和力很小，在加工 过程中切屑不易粘结在刀尖上而形成积屑瘤。 p c d 刀具材料的上述性能使得p c d 刀具具有如下切削特性：刀具耐用度高，加工 过程中换刀次数少，综合成本低；加工精度高，车削可达到超精密加工所要求的精度， 加工表面质量稳定；切削速度高，可显著提高加工效率。 p c d 刀具高频感应钎焊焊后保温i ：艺研究 1 1 2p c d 刀具的应用及发展 发达工业国家对p c d 刀具的研究丌展较早，其应用已比较成熟。早在上世纪五十 年代瑞典和美国就已分别合成出人造金刚石，随后通用电气( g e ) 公司于1 9 7 2 年成 功制造出p c d 复合片c o m p a x ，从此对p c d 刀具切削性能的研究取得了大量成果，p c d 刀具的应用范围及使用量也迅速扩大。目前，国际上著名的人造金刚石复合片生产商还 有英国e l e m e n ts i x 公司( 原d eb e e r s 公司) 、r 本住友电工株式会社等。据报道，1 9 9 5 年一季度仅日本的p c d 刀具产量即达1 0 7 万把，产值达1 5 7 3 亿同元。p c d 刀具的应 用范围己由初期的车削加工向钻削、铣削加工发展。国内p c d 刀具市场随着刀具技术 水平的提高也不断扩大。目前中国第一汽车集团已有一百多个p c d 车刀使用点，许多 人造板企业也采用p c d 刀具进行木制品加工。p c d 刀具的应用也进一步推动了对其设 计与制造技术的研究。国内的清华大学、大连理工大学、华中理工大学、吉林工业大学、 哈尔滨工业大学等高校均在积极丌展这方面的研究，并且已经有包括上海舒伯哈特、深 圳润祥、成都工具研究所等多家国内单位在从事p c d 刀具的研发与生产。 表1 1p c d 刀具的廊朋 t a b 1 1 a p p l i c a t i o n so fp c dc u t t i n gt o o l s 被加l ：材料加l ：对象 人连理l ：人学硕十学1 市论文 加热时l 日j 快、生产效率高、投资少、成本低等诸多优点在p c d 复合片的焊接中得到了 广泛应用。 1 2 高频感应钎焊原理 高频感应钎焊( h i f r e q u e n c yi n d u c t i o nb r a z i n g ) 是指利用电磁感应原理，使电磁能在 钎料和工件中转化成为热能，将钎料加热到熔融状态，从而将工件焊接在起的焊接方 法。在空气中钎焊p c d 复合片时，高频感应钎焊时间对复合片的耐磨性影响很大，钎焊 时间越长，耐磨性越低。感应钎焊的突出优点是能快速加热，通常可在几秒钟内完成加 热过型7 】，并能保证零件的尺寸精度，从而可减轻金属烧损和氧化程度，简化焊后清理； 同时，引起的翘曲变形和整体变形小，对冷作硬化的基体软化现象也大大减轻；对操作 者的要求相对较低，而且工作环境好。与激光钎焊、真空扩散焊、真空钎焊等钎焊方法 相比，高频感应钎焊的最大优势在于其设备投资少、钎焊工艺易于掌握。 1 2 1 高频感应加热原理 电磁感应现象是感应加热的基础。当高频感应设备的感应线圈通以交流电时，在线 圈内部和其周围就会产生交变磁场。感应加热时，置于感应线圈中的工件就被这个交变 磁场的磁力线所切割。根据电磁理论，变化的磁场就会产生感应电动势，用法拉第电磁 感应定律表示为： e = 市e 矗，= 一d o d t ( 1 1 ) j 其中，e 为感应电动势，e 为磁场强度，为导体长度，为磁通量，t 为变化时间。 由于感应电动势的存在，在工件的表层内就会形成封闭的感应电流，通常把这种电 流称为涡流，其大小与感应电动势e 成一比，与涡流回路阻抗z 成反比。磁通量中随 感应圈中电流强度和工件材料磁导率的增加而增大。当中越大并且感应圈中电流方向变 化频率越快时，磁通变化率就越大，产生的感应电动势也随之增大。又由于涡流回路的 阻抗一般很小，故涡流，能达到很高的数值，使涡流回路产生大量的热，其值由焦耳一 楞次定律可表示为： q = i f 2 r t ( 1 2 ) 其中，q 为感应热，r 为电阻，t 为通电时f n j 。 p c d 刀具高频感应钎焊焊肝保温i ：艺研究 涡流产生的热爵足高频感应加热时工件加热热能的主要能源，另j , i - ；j ：f t ：的磁滞损失 释放出来的热能也能对工件起到加热的作用。化当加热温度超过材料的居甲：温度( 对钢 是7 6 8 ) 时，磁滞现象将消失，磁滞损失的热效应就不再起作用。 1 2 2 高频感应加热特点 高频感应电流通过导体时，表现出与直流或工频电流不同的特性。要想进行高质量 的高频感应钎焊，在设计感应加热器及确定工件在感j 巫7 j l ：l 热器中位置时，就必须考虑这 些特性。这些特性包括表面效应、邻近效应、圆环效应和尖角效应【8 1 。感应钎焊时，应 利用有利的效应，尽量避免不利效应的影响。 ( 1 ) 表面效应 当高频电流流过导体时，产生交变磁场，在磁场力的作用下，大部分电流趋向于导 体表面流通，这利特性称为表面效应( 也称集肤效应) 。交变电流的频率越高，表面效应 就越显著。涡流足由进入工件的交变磁场引起的，而磁场从工件的表面到心部也是按指 数曲线衰减的。冈此，涡流的最大值集中在工件的表面，这也是表面效应。涡流的理论 透入深度可表示为【9 1 ： 广一 6 ；土怛( 1 3 ) 2 石1 其中，p 为材料电阻率，为导磁率，为电流频率。 ( 2 ) 邻近效应 两个载有高频电流的导体相互靠近时，在两导体磁场的作用下，两导体中的高频电 流重新分布，使电流趋于导体相互靠近的一侧，这种现象称为邻近效应。平行放置的两 根导体，当电流为同方向时，两根导体j i - n 磁场较内侧强，内侧中心的磁场强度几乎为 零；当电流方向相反时，则两导体内侧磁场最强。导体间距离越近，邻近效应越显著。 加热感应圈与工件之问也存在这种关系，又由于它们的电流方向相反，所以两者相互靠 近一侧磁场最强。 ( 3 ) 圆环效应 圆环形导体通入高频电流时所产生的磁场在环内集中，环外分散，环内的磁通不仅 穿过环外空间，同时也穿过环形导体本身，这样就使环形导体j i - n 交链的磁通多于内侧， 于是环形导体j i - n 产生较大的感应电动势，迫使电流在环形导体内侧的电流透入深度中 流过，这种现象称为高频电流的圆环效应。导体的径向厚度与圆环直径之比越大，这种 现象越明显。 人迮理l ：人学硕十学位论丈 ( 4 ) 尖角效应 形状不规则的零件置于感应加热器中加热时，带尖角或凸起部分的加热速度比其 他部分快，这种现象称为尖角效应。这是由于尖角部分磁力线易于密集的缘故。 1 2 3 钎焊焊缝形成机理 ( 1 ) 液念钎料对母材的润湿作用 润湿足液相取代固相表面问气相的过程，液态钎料必须很好地润湿钎焊金属表面并 均匀地铺展，才能填满焊缝。由物理化学可知，将某液滴置于固体表面，若液滴和固体 界面的变化能使液固体系自由能降低，则液滴将沿固体表面自动流开铺平，并呈图1 2 所示的状态，这种现象称为铺展。图1 2 中0 称为润湿角；、吼g 、吼s 分别表示固 气、液气、液固界面f n j 的界面张力。铺展终了时，在o 点处这三个力应该平衡，即： t y s 6 。，s + 仃gc o s 0 c o s 0 ：凸( 1 4 ) 吼g 图1 2 液滴在同体表面的平衡条件 f i g 1 2g a s l i q u i d s o l i di n t e r f a c es k e t c hm a p s 由于一般的文献资料中所给出的载荷和抗力的统计参数主要为变异系数，为便于讨 论液滴对固体的润湿程度，可用润湿角口来表征。0 。 0 9 0 。表明液滴能润湿固体，若 一种液体越容易在固体表面铺展，9 越小，润湿性越好；9 0 。 p 9 0 。，则h 舒科片 钎襞 钎料豫 ( c ) ( a ) 预置钎料( b ) 润湿性好( c ) 润湿性差 图1 4 钎料预先安置在间隙内的润湿 f i g 1 4w e t t i n gb r a z i n gf i l l e rm e t a lb e f o r e h a n da l l o c a t i o ni nc l e a r a n c e 图1 4 表示钎料预先放置在焊缝间隙内的润湿情况。当钎料熔化润湿性良好时，钎 料填满间隙并在钎缝四周形成圆滑的钎角( 图1 4b ) ；若润湿性差，钎缝填充不良，外 部就不能形成良好的钎角；在不润湿的情况下，液态钎料甚至会流出间隙，聚集成球状 钎料珠( 图1 4c ) ，间隙内没有钎料，焊缝也就没有焊牢。 液体沿间隙上升的高度h 与间隙大小a 成反比。间隙越小，液体的上升高度越大， 钎料缝高度越高。因此，在钎焊焊缝设计和装配时，保证小的间隙对填缝有利。 液态钎料的密度对填缝能力也有影响。密度小的钎料比密度大的钎料有较好的 填缝能力。 需要指出的是，钎料填缝的上述规律是在液态钎料与固态母材间没有相互作用的条 件下得到的，但在实际钎焊过程中总存在一定程度的反应( 溶解、扩散等) ，致使液态 钎料的成分、密度、粘度和熔点等发生变化，从而使填缝现象复杂化。甚至出现这种情 况：在母材表面铺展得很好的液态钎料竟不能流人间隙，这往往是由于钎料熔化后在间 隙处已被溶入的母材饱和而失去了填缝能力。此外，上述规律是指间隙处于垂直位置。 在水平位置时，钎料的填缝能力比垂直位置的更强。 ( 3 ) 液态钎料与固态母材的相互作用 从宏观看，钎焊过程中固态母材不熔化，但是从微观看，在液态钎料与母材之间发 生母材向钎料中溶解和钎料向母材扩散的相互反应。这些相互反应对钎焊焊缝的性能影 响很大f l o 】。 固态母材向液态钎料的溶解 p c d 刀具高频感应钎焊焊后保温工艺研究 固态母材向钎料的适量溶解，可使钎料成分合金化，有利于提高焊缝强度。例如， 用纯锡钎焊紫铜时，锡钎料强度为1 4 m p a ，而钎缝强度可达到5 7 m p a 。但是，母材的过 度溶解会使液态钎料的熔点和粘度提高，流动性变坏，往往导致钎料不能填满钎缝间隙。 同时也可能使钎焊金属表面出现溶蚀缺陷( 图1 5 a ) ，严重时出现溶穿( 图1 5b ) 。 ( 1 ) ( a ) 溶蚀( b ) 溶穿 图1 5 溶蚀缺陷 f i g 1 5l i q u a t e - e o r r o s i v ed i s f i g u r e m e n t 母材能否向钎料溶解同它们之间状态图密切有关。若钎料和母材元素在液态和固态 时均不互溶，也不形成化合物，则不发生母材的溶解现象。例如，对a g - f e 系来说，就 不发生铁向银的溶解。若在合金状态图上有液态或固态互溶的，则会发生母材的溶解现 象。因此，凡是钎料对母材有好的润湿性，能顺利进行钎焊，母材在液态钎料中都会发 生一定程度的溶解。 母材在液态钎料中的溶解量g 可用下式表示： g = 扣e 一等) ( 1 6 ) 其中，g 为单位面积母材的溶解量，p 为液态钎料的密度，c 为母材在液态钎料中 的极限溶解度，y 为液态钎料的体积，s 为液固相的接触面积，口为钎焊金属的原子在 液态钎料中的溶解系数，r 为接触时间。 由式( 1 6 ) 可知，母材在液态钎料中的溶解量随着液态钎料数量的增多，钎焊温度 的提高，保温时间的延长以及母材在钎料中的极限溶解度的增大而增多。为了防止母材 溶解过多，必须合理选择钎焊材料和工艺参数。 钎料组分向母材的扩散 大连理工大学硕十学位论文 液态钎料填满钎缝间隙时，钎料组分由于与母材组分的差别或浓度的差别，必然发 生钎料组分向母材扩散的现象。钎料组分向母材的扩散有体积扩散( 晶内扩散) 和晶界 扩散( 晶间渗入) 两种。体积扩散的产物为固溶体，对钎焊焊缝性能没有不良影响。晶 间渗入的产物为低熔点共晶体，性能较脆，对焊缝性能有不良影响。 钎焊时钎料组分向母材的扩散数量可按扩散定律确定： 吃一d s 见d 。d t ( 1 7 ) 其中，d 。为钎料组分的扩散量，d 为扩散系数，s 为扩散面积，口d ，为在扩散 方向上扩散组分的浓度梯度，衍为扩散时间。 由式( 1 7 ) 可知，扩散量大小主要与浓度梯度、扩散系数、扩散面积、温度和保温 时间等因素有关。扩散一般均自高浓度向低浓度方向进行，当钎料中某组分的含量比母 材中高时，由于存在浓度梯度，就会发生该组分向母材的扩散。浓度梯度越大，扩散量 将越多。 1 3 p o d 复合片高频感应钎焊研究现状 为了获得气孔、夹渣少，剪切强度高的p c d 复合片高频感应钎焊接头，国内学者 对影响p c d 刀具焊接质量的主要因素做了大量研究，主要体现在对钎料、钎剂的研制 与选配以及钎焊温度、钎焊缝隙、焊后保温工艺等研究上。 1 3 1 钎料与钎剂 大连理工大学的董海等人认为，p c d 复合片与硬质合金之间实施钎焊应首选组分为 a 9 5 0 、c u l 5 5 、z n l 5 5 、n i + c 0 3 、c d l 6 的钎料【1 1 】。井冈山学院的王晓军利用 银基钎料b a g 1 以及焊剂( 氟硼酸钾4 0 、硼酸5 0 、氟化钾1 0 ) 进行钎焊，得 到了切削性能优良的p c d 刀到1 2 】。中原工学院的范文捷等人则提出了一种钎焊p c d 复 合片与刀具基体t 8 - 4 5 # 钢的钎料、钎剂优化搭配方案：钎料l 3 0 3 、钎剂j 1 0 2 t 1 3 】。 除了对钎料、钎剂的选择和搭配进行研究之外，人们还针对p c d 复合片的特点， 开发了专用的钎料和钎剂，用以改善钎料对焊接金属的润湿能力。如d eb e e r s 实验室 开发的一种含钢5 3 ，金1 4 5 ，锰2 9 o ，镍3 5 的新焊料，极大地改善了焊接质量。 国内已研制出组分为氟化钾、氯化钠、氟硼酸钾、硼酸、蒸馏水等的银钎焊膏，它在5 0 0 - 7 0 0 范围内可配合各种银钎料使用，起到增加润湿能力的作用；西安石油学院的张超 教授则开发出一种p c d 复合片和硬质合金片钎焊用钎剂，此钎剂含c o c l 2 ，能使银基 或铜基钎料很好地润湿复合片和硬质合金表面，并能防止钎焊时p c d 复合片和硬质合 金脱钴，从而有效提高钎缝强度【1 4 】。 p c d 刀具高频感应钎焊焊后保温丁艺研究 1 3 2 钎焊温度 关于钎焊温度，文献 1 2 指出，在选定的钎料条件下，钎焊温度对剪切强度的影响 最大，并建议为了获得钎焊强度较大的接头，应采用尽可能高的钎焊温度。而文献 1 5 】 则认为，虽然温度越高钎料的润湿性越好，但并非温度越高钎焊接头强度就越高。文献 【1 6 的研究结果也表明，当钎焊温度过低时，钎料的流动性差，易产生夹渣，造成假焊， 使接头强度降低：当温度过高时，钎料氧化严重，造成夹渣，合金组分急剧蒸发引发气 孔，也导致接头强度降低。此外，文献 1 7 】认为，p c d 复合片与硬质合金刀柱的焊接温 度应严格控制在7 0 0 c 以下，但不得低于6 8 0 。c ，否则就得不到高强度的焊缝。有学者 更进一步指出，在空气气氛下钎焊s y n d i t e 型p c d 复合片时，c t b 0 0 2 的钎焊安全温 度应低于6 5 0 ，c t b 0 2 5 应低于7 2 0 【l l 】。 1 3 3 钎焊间隙 对于钎缝间隙，焊接接头的强度随钎缝间隙的不同而不同。一般认为，当钎缝过小 时，钎料不能充分润湿结合面，钎着率不高，焊接强度低；在钎焊过程中，由于扩散距 离小，母材以溶解形式转化到钎缝中的元素量必然增加，会促使钎缝组织合金化，从而 降低接头强度。当钎缝过大时，钎缝中容易产生气孔，减小钎焊有效面积，降低抗剪强 度。有研究表吲1 6 】：钎料成分和钎焊工艺一定时，钎缝厚度在0 2 0 - - 一0 2 8 m m 之间时， 焊缝的机械综合性能最好。此外，采用不等钎缝间隙可有效减少气孔、夹渣等钎焊缺陷 和焊接应力。基于此，王适等人采用部分不等间隙接头结构( 如图1 6 所示) ，在空气 中实施高频感应钎焊( 钎焊温度6 9 0 ) ，实现了p c d 复合片与4 5 # 钢刀杆的高强度 焊接【l5 1 。 钎 钢 图1 6 不等间隙接头结构示意图 f i g 1 6 s k e t c hm a po fd i f f e r e n t - c l e a r a n c ej o i n t 大连理t = 大学硕十学位论文 1 3 4 焊后保温设备及保温工艺 保温炉是进行p c d 复合片钎焊焊后保温的重要设备，其温度控制精度直接影响到 p c d 刀具的质量。目前，国内有不少中小p c d 刀具生产厂家使用的保温炉控制系统仍 沿用上世纪8 0 年代末至9 0 年代初生产的温度控制仪表。这些传统自动控制仪表多采用 热电偶加时间继电器、电位器的间断控制模式，其控制精度低、稳定性差、超调量大， 导致生产的p c d 刀具质量不稳定，不能满足p c d 复合片焊后保温工艺要求。为了节约 成本，需要对这些传统保温炉进行改造。许多研究者认为，利用单片机对传统电阻炉的 温控系统进行改造是一种可行的办法，并且对p i d 控制、模糊控制技术、模糊p i d 等相 关温度控制规律进行了深入研究 1 8 - 1 9 】。但真正结合p c d 刀具焊后保温工艺要求和特点 而研制不仅温控精度高、稳定性好而且成本较低、操作简单灵活的实用型温控系统的研 究报道并不多见。 关于p c d 复合片和钢刀具基体高频感应钎焊，一般认为p c d 刀具焊接后应缓冷以 减少或消除因刀具基体材料热膨胀系数不一致所引起的焊接应力，不应置于空气中自然 冷却，更不能放入水或油中急冷【2 0 - 2 2 。目前，p c d 刀具焊接后的缓冷措施有人工风冷、 间隔置于石棉板、埋入生石灰或氧化铝等保温粉中、放入保温炉中保温等。尽管前三种 冷却方式比较经济，但由于焊接效果不易控制，所以远没有焊后保温炉中保温然后随炉 冷却方式应用广泛。对于焊后保温参数即保温时问和保温温度，文献 2 3 】认为，与4 0 c r 钢焊接后的刀具应立即送入3 5 0 的保温箱中，保温3 - ，4 h ，随后断电随炉冷却，可有 效地防止裂纹产生，并进一步指出保温时间过短，不能充分松弛残余应力；保温时间过 长，虽然可防止产生裂纹，但会降低生产效率。文献 2 4 1 贝f j 通过正交实验得出与4 5 # 钢 柱钎焊时，最优保温时间为6 0 0 ，保温时间为5 h ，并且认为保温温度太高，会引起刀 具表面氧化，影响焊接质量；温度太低，则不能有效消除焊接应力，也会影响焊接质量。 文献 2 5 不仅研究了焊接强度与焊后保温时间和保温温度的关系，还指出焊后保温可以 促进刀具焊缝中合金元素与基体中合金元素的互相扩散并能使接头组织均匀化。而对于 p c d 复合片与硬质合金刀具基体钎焊焊后冷却工艺尤其是焊后保温的研究则鲜见报道， 仅有个别文献提到焊后刀具最好放入石膏粉中冷却。 1 4 本论文的主要研究工作 如前所述，国内学者对p c d 复合片和4 5 9 t 、4 0 c r 等钢刀具基体高频感应钎焊所用 钎料、钎剂的选择以及包括焊后保温工艺在内的钎焊技术的研究比较成熟，生产的p c d 刀具也具有较高的焊接强度，但生产实践中p c d 复合片与硬质合金刀具基体钎焊时的 结合强度仍然较低，与国外同类p c d 刀具相比还存在较大差距。针对国内关于p c d 复 p c d 刀具高频感应钎焊焊后保温f 艺研究 合片与硬质合金刀具基体钎焊焊后保温工艺研究较少的状况，本课题首先研制了一套适 应p c d 刀具焊后保温的温控系统，随后详细研究了与硬质合金刀具基体高频感应钎焊 时焊后保温参数对刀具焊接质量和p c d 层热损伤的影响，并得出了有利于提高p c d 刀 具焊接质量的结论。 本论文主要工作内容如下： ( 1 ) 设计并制造一种基于单片机的低成本温度控制系统对原有保温炉进行数字化改 造，使之满足p c d 刀具焊后保温工艺要求； ( 2 ) 选用两种钎料( 1 # 、2 撑) ，一种钎剂( f 5 0 0 a ) ，一种硬质合金刀具基体( y g 8 ) ， 利用g p l 5 c w 6 型高频感应焊机和经改造后的保温炉，进行p c d 刀具高频感应钎焊焊 后保温试验； ( 3 ) 通过剪切试验，分析焊后保温温度与保温时间对刀具焊接强度的影响； ( 4 ) 采用扫描电镜观察不同保温参数处理下得到的刀具焊缝外观形貌，分析其异同， 然后在此基础上用电子探针测量各元素沿焊缝的浓度分布，通过探测结果分析元素扩散 情况以及焊缝组织变化情况； ( 5 ) 利用扫描电镜观察保温后p c d 刀具的前刀面外观形貌，分析一定保温温度下焊 后保温时间对刀具p c d 层热损伤的影响。 大连理 大学硕士学位论文 2 保温炉温控系统的改造 保温电阻炉是进行p c d 刀具高频感应钎焊焊后保温工艺研究的重要设备。本试验 使用国产s d g 一4 9 型保温炉( 功率为4 k w ) 作为焊后保温设备。由于s d g 4 9 型保温 炉的温控系统采用热电偶加时间继电器、电位器的间断控制模式，其温控精度低且稳定 性差，不能满足p c d 刀具焊后保温工艺要求。所以，研制了一种基于a t 8 9 s 5 1 单片机 的实用型温度控制系统对原有系统进行数字化改造。 2 1系统组成与基本工作原理 改造后的保温炉控制系统整体框图如图2 1 所示。单片机定时对炉温进行检测，经 a d 转换芯片得到相应的数字量，送到单片机进行判断和运算，得到应有的控制量，以 控制加热功率，使保温炉的实际温度向着给定温度变化并最终达到给定温度，从而实现 对温度的控制。 信号枪测电路 l e d 显示电路 键盘输入电路 a t 8 9 s 5 l 单片机 输出控制