3.7　金刚石刀具的激光焊接

钎焊和凸焊一直是粉末冶金材料（金刚石刀头就是粉末冶金材料）焊接的常用方法，但是，由于其得到接头的结合强度低，热影响区宽，不能满足高温和高强度的需求。20世纪80年代发现二氧化碳激光能够成功焊接某些粉末冶金材料，条件选择合适时，接头的结合强度高，热影响区窄。

3.7.1　激光焊接金刚石锯片刀头制作

金刚石刀具通常由刀头及基体金属焊接而成。其刀头由粉末冶金制成：先将金刚石颗粒以胎体包镶和支撑，再用黏结剂黏结，压制成型后在加压的情况下高温烧结而成。胎体材料由金属细小颗粒组成，它应具有如下性能：对金刚石颗粒有良好的黏结性和润湿性；对金刚石无侵蚀或轻微侵蚀；形成的胎体有良好的力学（硬度、强度及韧性）性能；有良好的烧结性且热压烧结温度不是太高；要适应所能经历的焊接过程。这种胎体材料由金属性元素组成，最好能形成高密度、高强度的烧结体。组成胎体的材料有Fe、Co、Ni、Cu、663Cu（它是青铜基胎料，可烧结性和成型性好，烧结温度低）、W、WC、Cr、Ti、Mn、Si、Al、Zn等。尤以Fe-Co-Cu合金粉末用途最广，且Co含量越高越好。

激光焊接金刚石锯片刀头制作的生产流程在图3-63中给出，主要包括混料、造粒、冷压成型、装夹石墨膜、热压烧结、磨弧、激光焊接、焊缝强度检测、开刃整形、表面处理等。

3.7.2　金刚石刀具激光焊接的过渡层

金刚石刀具的激光焊接质量必须由如下条件来保证：首先要选用有良好焊接性的过渡层材料；其次是采用合理的烧结工艺及焊接工艺。

由于金刚石在激光束的高温作用下容易发生石墨化，为了保证刀头与基体材料的正常焊接，需要在金刚石刀头与基体之间加入1.5～2.0mm的过渡层，如图3-64所示。

激光焊接时过渡层熔化，刀头及基体靠近过渡层处也发生部分熔化，它们之间互相熔合而成为焊缝，因此，过渡层决定了焊缝质量和焊接接头性能。所以说，过渡层不仅要满足焊接的要求，还要满足焊接之前的加工性的要求，例如要有合适的烧结温度，要能够满足切割及经济性要求等。

过渡层材料必须满足上述各项要求，还不能含有低沸点元素，如锡等，因为锡易于汽化而形成气孔。过渡层材料可采用单元素如Co、Ni，双元素如Fe-Co、Fe-Ni、Co-Ni、Fe-Cu等，也可以用三元素如Fe-Co-Ni。表3-28为部分过渡层材料的一些技术数据。

①此处指弯矩。

钴有很好的焊接性，但价格昂贵，所以，一般选用特殊的钴混合物。通常过渡层或者焊缝的耐磨性比金刚石差得多，因此，提高过渡层或者焊缝的耐磨性也是选用过渡层材料的任务之一。WC能增加焊缝的耐磨性，但含量过高会导致空洞及夹杂等焊接缺陷，严重时可能引起脆断。在解决过渡层易磨损、且又易断裂的问题中，在过渡层材料中加入少量Mn和Cr，不仅能产生固溶强化，提高耐磨性，而且还能减少气孔。此外，过渡层性能还要与金刚石相配合。表3-29为Fe基、Co基、Ni基过渡层焊缝强度的试验结果。基体厚度为1.8mm、刀头厚度为2.5mm、高度为8mm、长度为39mm。焊接规范：激光功率为880W，焊接速度为25mm/s，离焦量为-0.2mm，双面焊接。

注：分子为数值范围，分母为平均值。

从表3-29中可以看出，Co基合金过渡层的焊缝强度最高，平均达到1000MPa以上。Fe基及Ni基合金过渡层的焊缝强度稍低，但仍可使之合金化而进一步提高焊缝强度。Co基合金过渡层的焊缝强度虽高，但价格也高；而Fe基及Ni基合金过渡层的焊缝强度虽低，但价格相对较为便宜。Cu基合金过渡层的焊缝强度虽然也能满足要求，但易出气孔，且长期放置后强度下降，所以，一般不用Cu基合金过渡层材料。表3-30为国产部分过渡层材料的技术参数。

烧结温度对过渡层材料的组织和性能影响很大。图3-65所示为Fe-Co系过渡层材料不同烧结温度下得到的组织，随着烧结温度的提高，材料的连通空隙不断消失，空隙数量减少，空隙平均尺寸增大；晶粒尺寸也不断增大，其平均晶粒尺寸从烧结温度760℃的4.2μm增加到烧结温度880℃的17.8μm。同时，烧结体的性能也随着烧结温度的变化而改变，如图3-66所示。焊接试样的强度也受到烧结温度的明显影响（图3-67）。

由于过渡层材料由压制的粉末烧结而成，因此不可避免地存在空隙，难以达到理论密度。而空隙的数量、形态和分布又影响着材料的物理性能，如热导率、热膨胀率及淬硬性等。这些物理性能又直接影响到材料的焊接性，使比焊接同成分的熔炼材料的难度加大。焊接时大量的气体析出会产生气孔而降低焊缝强度，甚至使焊接过程无法进行。

表3-31给出了德国Dr Fritsch开发的过渡层材料的一些资料。

研究发现，在烧结过渡层材料的激光焊接中，过渡层材料的致密性起着至关重要的作用：低于一定密度（6.5g/cm3）的材料几乎不能采用熔化焊的方法进行焊接；中等密度（6.9g/cm3）的材料可以进行熔化焊，但还是以熔化量较少的压力焊为好，焊接成功率较高；高密度（7.0g/cm3）的烧结材料与熔炼材料几乎有相同的焊接性。密度主要影响焊接质量，密度太小，容易产生焊接缺陷，特别是容易产生气孔，当然对焊接接头强度也不利。低于一定密度的烧结材料焊接接头强度非常低，气孔特别多。当然，在过渡层材料烧结时，适当提高烧结温度、增大压力、并保温一定时间，对提高过渡层材料烧结密度也有一定作用。

过渡层材料的烧结条件对材料的力学性能及焊接质量都有一定影响，在氢气、分解氨和真空中烧结的过渡层材料均能成功地进行激光焊接，在干净还原性气氛中烧结的过渡层材料，在焊缝中出现气孔、孔洞、夹杂和氧化物较少。过渡层材料在制备中的工艺参数，如烧结温度、压力、温度-压力曲线及保温时间对过渡层材料质量至关重要，因而，对激光焊接的质量也是至关重要的。

3.7.3　金刚石刀具激光焊接的基体材料

由于金刚石刀具多为切割高强度、高硬度的材料，其受力的特点是受力大、冲击性强、磨损剧烈、工作温度高（因摩擦而升温），有时还受腐蚀介质的腐蚀。此外，基体材料还必须具备良好的激光焊接性。激光焊接的特点是能量密度大，被焊材料受到快速加热和快速冷却的作用。传统的高频焊接常用的碳含量较高的65Mn、60SiMn6、8CrV、T10、T12等合金钢作为基体，在激光焊接条件下极易发生脆性断裂，因此，不适于激光焊接。因为在激光焊接条件下，上述高碳钢的焊接热影响区会产生大量的高脆性的高碳马氏体，因而易于断裂，即使采用预热及后热措施也难以保证焊接质量。所以，不宜采用上述高碳合金钢作为金刚石刀具激光焊接的基体材料，而应寻找新的基体材料。

为适应金刚石刀具激光焊接的要求，基体材料应选用碳含量较低的合金钢，一般应使含碳量在35%以下。用于激光焊接的基体材料，目前主要是35CrMo、30CrMo、28CrMo、SAE（A1S1）4135等中碳低合金耐热钢。30CrMo具有较高的强度和韧性，淬透性较高，热强性也较好，有良好的可切削性及焊接性，通常在调质状态下使用，适宜于用作激光焊接金刚石刀具的基体。

我国开发了适应金刚石刀具激光焊接的新钢种50Mn2V（wC=0.47%～0.55%，wSi=0.17%～0.37%，wMn=1.40%～1.80%，wV=0.07%～0.12%），该钢具有如下特点：钒的碳化物使钢的硬度增大，耐磨性提高，还增加了钢的热稳定性及淬透性；碳含量比65Mn低，焊接性得到改善。

3.7.4　金刚石刀具激光焊接工艺

（1）焊前准备　焊前的准备工作一向被认为是保障焊接质量的前提，金刚石刀具激光焊接的焊前准备包括以下两个方面。

①清洁工作。刀头、过渡层及基体都需要去除油污、锈迹等，并进行干燥，以减少和避免气孔的发生。

②焊件装配。因为激光焦点很小（通常在0.4mm以下），因此，装配间隙应在0.1mm以下。

（2）金刚石刀具激光焊接工艺参数　包括激光光束质量、光束离焦量与偏移量、激光功率、焊接速度。

①光束质量。激光光束质量是激光焊接的一个重要参数，它影响到焊缝深度及焊缝断面形状。光束模式越高，发散角越大，光束质量越差。焊接时，应该用基模或低阶模。表3-32给出了光束模式对焊接深度的影响，可以看出，在相同条件下，模式不同，其焊缝深度明显不同。

②焦点位置。激光焦点位置为激光光束焦点相对于焊件的空间位置，包括两点：光束离焦量和偏移量。

激光光束焦点与焊件表面的相对位置称为离焦量。若焦点位于焊件表面之上时，为正离焦；若焦点位于焊件表面之下时，为负离焦。离焦量对焊缝熔深有很大影响，图3-68所示为焊缝熔深与离焦量之间的关系。焊接时，一般都采用零离焦量或者负离焦量。表3-33给出了（激光功率800W、焊接速度1071mm/min）不同离焦量时焊缝断面的成型参数。

由于激光深熔焊接是通过小孔效应来完成的，小孔的形成有明显的声、光特征。激光焊接在形成小孔前，工件表面的火焰呈橘红色或白色；但形成小孔后，变为蓝色，并伴有爆裂声。

离焦量采用如下的方法进行调整：先上下移动工件或机头以调整出能产生小孔效应的范围；再取这个范围的中间点作为焦点零位置的近似点（即认为此时激光束的焦斑正好在工件表面）；再以这个位置为起点，改变工件上下移动来调整离焦量至合适的大小。

激光束偏移量及入射方向如图3-69所示。由于一般刀头都比基体厚，在连接处形成一个角焊缝，因而，激光束应偏向基体，并具有一定角度，才能获得角焊效果。偏移量及倾斜角都是必需的。偏移量太大，会焊不上或形成假焊；偏移量太小，容易形成气孔。因为刀头为粉末冶金材料，激光束直接作用在上面或距其太近，会产生飞溅，易污染透镜，还易产生气孔。偏移量以0.25mm较合适。这样可以得到如下效果：基体首先熔化，熔化了的材料再加热刀头，使刀头与基体接触处产生一层熔化而实现冶金结合。图3-70给出了偏移量对熔深的影响。这个倾角一般为4°～11°为好。

③激光功率。这是决定熔深的重要参数，一定的功率，有一个最大的熔深。激光功率不可以太大，否则，熔池沸腾过于激烈，导致出现空洞；使焊缝不平滑，影响外观；还会烧损过渡层合金元素；使过渡层晶粒粗大，呈疏松状，而降低过渡层性能。

④焊接速度。这是影响激光焊接质量的另一个重要因素。焊接速度应与激光功率很好地配合，才能得到优良的焊接接头。焊接速度太快，气体来不及逸出，焊缝中易出现气孔，且熔深浅，不易焊透；焊接速度太慢，生产率低，成本加大，热影响区过热，晶粒粗大变脆，还容易出现材料过度熔化、烧穿、烧损、焊接接头强度下降等。图3-71及图3-72分别给出了给定激光功率下焊接速度对熔宽及熔深的影响和激光焊接铁基合金时激光功率及焊接速度对焊缝强度的影响。从图3-71可以看出，在给定激光功率下，随焊接速度的提高，熔宽和熔深都降低，但熔宽比熔深降低得更快。而从图3-72可以看出，激光功率及焊接速度的提高对焊缝强度的影响都有一个最佳区段。随焊接速度的提高，这个激光功率的最佳区段也向高功率方向移动，也就是说，随激光功率的提高，得到优良焊缝强度的焊接速度也有相应的提高。

从焊缝强度来考虑，激光功率和焊接速度影响焊缝的成型（熔深及熔宽），也就影响焊缝强度。当焊接速度一定时，存在一个最佳激光功率；而当激光功率一定时，也存在一个最佳焊接速度。因为，若焊接速度一定，随激光功率增加，熔深也增加，焊缝强度也增加；但激光功率增加得太大，合金元素烧损增多，并使焊缝成型恶化，表面孔洞增多，焊缝强度降低。过高的焊接速度会使焊缝中产生气孔及降低熔深，而使焊缝强度降低。表3-34给出了不同规格圆盘式金刚石锯片的激光焊接工艺参数。

⑤焊接线能量。实践证明，当激光功率（以P表示，单位为W）及焊接速度（以v表示，单位为cm/s）成比例（即焊接线能量，以E表示，E=P/v，单位为kJ/cm）提高或降低时，其焊缝形状亦即熔深和熔宽是有变化的。这说明，不仅激光功率及焊接速度对焊缝成型有影响，焊接线能量对其也有影响。焊接线能量对熔深的影响如图3-73所示。经数学方法处理后，可得出如下数学表达式：

H=-0.32+3.6E0.25　　（3-11）

式中　H——熔深，mm；

　E——焊接线能量，kJ/cm。

有试验表明，即使焊接线能量一定，随激光功率的增大，其熔深也有增加，但熔宽变化不大。

⑥保护气体流量。在激光焊接中，保护气体流量也起着重要的作用。它不仅能够保护焊接区不被氧化，而且对聚焦透镜也有保护作用，避免其受到金属蒸气污染和液体熔滴的溅射。气体流量太小，起不到保护作用，焊缝金属被氧化变脆；气体流量太大，搅动熔池，破坏焊接过程的稳定，易出现凸凹不平的焊缝，经常吹出孔洞，降低焊缝金属强度。此外，激光焊接保护气体还有抑制焊接过程中产生等离子体的作用，因此，对熔深也有很大影响。保护气体流量与喷嘴直径、喷嘴与工件之间的距离有关。

⑦等离子体的控制。高功率的激光束作用于金属时，激光与金属蒸气作用将发生电离而形成等离子体。它能反射、入射及吸收入射的激光束而消耗能量，对后继激光束起到屏蔽作用，导致作用于激光熔池的激光能量减少，严重时还能导致熔池中不能产生小孔效应，从而使激光熔池减小，熔深下降。所以，控制等离子体的产生，也是关系到激光焊接过程的稳定性及焊接质量的大问题。

由于激光焊接金刚石工具这一异种材料的焊接，多采用的是粉末冶金材料。这种材料的致密度较小，相对于熔炼材料，难以产生高密度的金属蒸气，所以，在激光束功率密度较低时，光致等离子体较弱。在高斯光束作用下，尤其是焊接速度较低时，同样可以产生极强的金属蒸气等离子体。此外，在粉末冶金材料与钢的高功率激光焊接过程中，其等离子体行为与钢与钢之间焊接等离子体行为既有相似之处，又有明显区别。它受到粉末冶金材料的化学成分、烧结条件、密度等的影响。所以，对粉末冶金材料的高功率激光焊接，必须进行光致等离子体的控制。采用侧吹Ar气的方法，可以控制等离子体，采用同轴保护气体加侧吹喷嘴保护的方法，避免直吹熔池而影响焊缝成型。等离子体的控制对激光焊接熔深有很大影响。

3.7.5　焊缝金属组织和性能

图3-74所示为金刚石刀具双面激光焊接接头的断面组织。由图3-74（a）可见，由左至右存在几个区域：刀头基体、熔化区（即焊缝金属）、热影响区、刀体基体。图3-74（b）为刀头基体与熔化区（即焊缝金属）及热影响区的扫描电镜图像。由于激光焊接的冷却速度很快，熔化区（即焊缝金属）内为致密细小的枝晶组织，热影响区内存在有淬火的马氏体组织。在刀头基体与熔化区（即焊缝金属）的交界处的熔合区，有一个过渡区（约10μm宽的窄带）。

图3-75所示为金刚石刀具激光焊接接头采用能谱分析（EPMA）测定的Fe及Co元素的分布曲线。可见，在焊缝金属内，Fe及Co元素的分布比较均匀；而在过渡区（窄带）内，从刀头基体向焊缝金属的过渡，Co含量急剧降低，而Fe含量急剧升高。

图3-76所示为金刚石刀具激光焊接接头各区的显微组织（扫描电镜照片）。由图3-76（a）可以发现，刀头有较多的气孔存在，约占10%，平均尺寸约为0.9μm。由于激光焊接的冷却速度很快，碳含量又较高（0.36%），焊接热影响区为板条马氏体组织。而基体则为回火马氏体。

图3-77所示为焊缝的显微组织，存在白色区和黑色区，白色区的化学成分为80%Fe-10%Ni-10%Co，黑色区的化学成分为56%Fe-22%Ni-22%Co。根据Fe-Ni-Co三元合金相图，80%Fe-10%Ni-10%Co具有面心立方结构（FCC）与体心立方结构（BCC）的混合组织，而56%Fe-22%Ni-22%Co则是面心立方结构。白色区存在有30%的奥氏体和70%的孪晶片状马氏体。图3-78所示为焊接接头的电子显微镜扫描的元素分布。

图3-79分别给出了刀头、焊缝金属、基体的X射线衍射图。结果表明，各元素并没有完全混合，存在富钴区和富镍区，这主要是由于冷却速度太快和液相钴与液相镍之间的表面张力不同所致。

图3-80给出了金刚石刀具激光焊接接头的断面显微硬度分布：刀头的硬度较低，约200HV，是因为烧结材料存在大量空洞所致；焊接热影响区为板条马氏体组织，硬度约为650HV；基体约为400HV；焊缝为马氏体和奥氏体组织，显微硬度比较分散，在200～500HV之间，可以断定500HV代表孪晶片状马氏体，200HV代表奥氏体。

3.7.6　金刚石刀具激光焊接接头的焊接缺陷

（1）气孔

①气孔的产生。金刚石刀具激光焊接接头的宏观气孔形态如图3-81所示。

气孔是粉末冶金材料激光焊接的最大缺陷，原因之一是由于粉末冶金材料受烧结和压制条件的限制，不可能具有如冶炼材料那样的致密性，存在孔洞；另一个原因就是由于激光焊接本身就容易出现气孔，因为激光焊接的特点之一是热能集中，加热和冷却速度很快，导致气体来不及逸出熔池而残留下来成为气孔。

从图3-81可以看出，大多数气孔位于刀头一侧，表明气孔来源于刀头；很多气孔又多位于焊缝金属根部。

在粉末冶金材料的激光焊接过程中，充满金属蒸气和气体的小孔，由于冷却速度太快而不能使气体逸出，便形成了气孔。由于焊缝边缘冷却更快，就更容易形成气孔。

②气孔的控制。从金刚石刀具激光焊接接头气孔的形成机理可以看出，选择合适的刀头配方，改进刀头烧结工艺及激光焊接工艺有利于减少气孔的产生。

a.改善刀头配方。在刀头配方中适当加入对氧亲和力大的合金元素如Mn、Si、Ti、Al等强化脱氧，则有利于减少气孔。

过渡层材料中增加冶炼材料的比例，以减少其孔洞的数量，也有减少焊缝金属气孔的功效。

b.改进刀头烧结工艺。其出发点应尽量增大致密度，减少其内部空洞的体积。这不仅能够减少焊缝中的气孔，还能改善材料的焊接性及提高焊缝强度。采用较高的压力、烧结温度和较长的保温时间，可以减少烧结体的气孔，提高密度，从而可以减少焊接接头的气孔。

c.改善焊接工艺。

ⅰ.合理的焊接工艺参数。减少焊缝金属中的气孔，要求采用合理的焊接工艺，首先要有合适的焊接热输入和合理的焊缝断面形状。图3-82给出了焊接速度对金刚石刀具激光焊接接头气孔数的影响。可以看到，存在一个气孔较少的焊接速度范围。图3-83给出了气孔数很少的焊缝形貌。

ⅱ.光束偏移量。图3-84给出了光束偏移量对气孔的影响，可以看到光束偏移向锯片基体材料可以减少气孔量。

（2）裂纹

①裂纹的种类。粉末冶金材料激光焊接发现有结晶裂纹、液化裂纹及类再热裂纹。各种裂纹都具有一般同类裂纹的特征：结晶裂纹产生于焊缝中心且以纵向为特征；液化裂纹起始于焊缝底部熔合线，向过渡层的近缝区扩展，在此处的晶界会形成偏析而液化，受收缩应力作用而开裂；类再热裂纹是由于在近缝区中的奥氏体晶界上微孔串连而形成的。由于激光焊接的快速加热和冷却，易于形成更大的残余应力而加剧了裂纹的形成。它们都属于热裂纹，用一般的防止热裂纹的办法可以得到控制。图3-85（a）所示为形成裂纹的焊接接头；图3-85（b）所示为结晶裂纹末端的扫描电镜图像照片；图3-85（c）所示为液化裂纹的形貌，它起源于熔合线，扩展到热影响区；图3-85（d）所示为类再热裂纹，它是在热影响区的过热奥氏体晶界上微孔串连而形成的空穴型裂纹。

另外，在熔合线处，由于两种材料的性质相差太大，其冶金相容性差，再加上母材之间的热膨胀系数相差很大而在熔合线处形成裂纹（见图3-86）。

②防止裂纹的措施。其一是选择合理的焊接参数；其二是调整材料的合金系统，如添加Mn、Mo、W、Cr等，限制S、P的含量。