摘要：介紹了激光焊接金剛石鋸片的焊接過渡層材料選擇，主要工藝參數對焊接質量的影響和選取原則，焊件檢測技術等。
　　
　　關鍵詞：激光金剛石據片焊接
　　
　　引言
　　
　　金剛石鋸片廣泛應用于石材加工、建筑施工、高速公路和飛機場跑道等領域的切割或切縫。金剛石鋸片是在鋼材刀體上焊接一些由金剛石顆粒與粘結金屬燒結在一起的刀頭，其焊接屬于不同材料、不同組織之間的異種金屬焊接，焊接的關鍵在于其結合強度的高低。傳統焊接方法是燒結焊及釬焊，此兩種方法焊接焊縫的結合強度(尤其是高溫時)不夠高，鋸切過程中易發生刀頭飛崩傷人等事故，鋸片的安全可靠性不好。激光焊接的金剛石鋸片是中、小型金剛石鋸片的發展方向。激光焊接使金剛石鋸片的結合強度大大增加，能最大限度地滿足其各種需要，焊接工藝先進、可靠，取代傳統的中、小直徑金剛石鋸片焊接片勢在必行。激光焊接系統示意圖如圖1所示。激光束由激光器窗口輸出之后，經一與光束成45°的反射鏡垂直折射后，進入透射式聚焦系統，成為一極細的光斑照射到被焊工件上。下面對激光焊接金剛石鋸片工藝進行分析，以供石材加工工具制造廠商借鑒和參考。
　　　　
　　1焊接過渡層材料
　　
　　金剛石鋸片由鋼基體和圓弧形刀頭兩部分組成。鋼基體以碳鋼和合金鋼為主，但適用于激光焊接金剛石鋸片的基體材料一般應選用高強度特種低碳合金鋼，傳統的40Cr和45鋼因基體強度不夠容易變形而不主張使用；傳統的65Mn高碳鋼因在激光焊接基體熱影響區部位容易產生大量的高脆性針狀馬氏體也不主張使用。刀頭為銅基、鐵基、鎳基、鈷基、鎢基和鋁基粉末摻金剛石熱壓燒結成型。如何將二者可靠地焊接在一起，是激光焊接金剛石鋸片工藝的關鍵技術之一。為了避免刀頭中金剛石顆粒在激光焊接高溫下石墨化(人造金剛石的碳化溫度為740℃-838℃)和因刀頭與鋼基體的熱膨脹相差過大而產生焊接裂紋，通常需要在刀頭內側設置一層無金剛石顆粒的過渡層(見圖2)，其厚度在1.0mm-2.0mm范圍內，其中過渡層與刀頭則是通過冷壓成型+熱壓燒結工藝連接在一起。激光焊接時，過渡層與鋼基體焊接在一起，因此，刀頭過渡層材料的選取將嚴重影響激光焊接金剛石鋸片的外觀和焊縫強度。根據激光焊接金剛石鋸片使用性能與生產工藝要求，激光焊接刀頭過渡層須滿足下列要求：夠高的焊接強度、良好的焊縫質量、合理的配方組分最優的燒結溫度和低廉的成本。目前選作刀頭過渡層材料成分的元素可分為單元素(Co，Ni)，雙元素(如FeCo，FeNi，CoNi，FeCu)和3元素(如FeCoNi，FeCoCu)3種情況，但過渡層中不能含有熔點金屬如錫等元素，原因在于這些元素容易蒸發汽化而產生氣孔，但可加入少量的起固溶強化、增加磨性和減少焊接氣孔作用的Mn和Cr元素。大量實際配方表明：Co作為過渡層材料成分十分有利的，因為鋼基體和鈷基材料之間能形成和Fe的無限固溶體，實現鋼基體與過渡層之間良好冶金結合，但因價格因素則必須設法減少或降低其用量，這也是過渡層材料配方研究的主要目標。
　　　　
　　2焊接工藝
　　
　　金剛石鋸片的激光焊接屬于不同厚度的異種材料焊接，影響其焊接質量的因素很多，包括焊前準備、激光光束質量、激光功率、焊接速度、焦點位置、激光束偏移量、激光束的入射角、保護氣體流量等，而目前有關這方面的研究應該說是比較成熟的。
　　
　　2.1光束質量
　　
　　目前國內外激光焊接金剛石鋸片所用激光器主要為1000-5000W的C02激光器。其模式多為基模、準基模或者低階模。評價光束質量通常以光束模式來表征，光束模次越高，發散角越大，光束質量越差。就焊接而言，光束質量主要影響焊縫熔深和形狀，在相同條件下，模式不同，則焊接深度明顯不同；光束模式對焊縫形狀也有影響，高階模式焊接焊縫較寬且不均勻，這是由于高階模(TEM00)的光束能量分布不均勻引起的；低階模(TEM01)焊接，焊縫較細且平直均勻。因此，應采用基模或低階模，若模次偏高，則難以滿足焊接質量的要求。
　　
　　2.2功率
　　
　　激光功率是影響焊接的最重要因素，一定的功率對應一定的功率密度，決定一定的熔深。產生小孔效應、進行深熔焊接的前提是聚焦激光焦斑有足夠高的功率密度。根據激光功率密度的大小，激光焊接有兩種方式：(1)熱傳導焊，(2)深熔穿透焊。功率密度較低時(<106W/cm2)，材料表面熔化，焊縫很淺(<0.5mm)，焊接時不產生等離子體，這就是熱傳導焊。功率密度大于106W/cm2，則被焊金屬急劇氣化，形成匙狀深孔，出現等離子體，從而實現激光深穿透焊接，此時熔深急劇增加。隨著激光功率的增加，焊縫深度也隨之增加，功率大于0.7kW時，焊接方式由熱傳導焊向深穿透焊過渡。
　　
　　2.3焊接速度
　　
　　激光深穿透焊時，焊速因小孔效應而受到限制。當激光功率一定時，焊接速度決定了焊接深度，進而影響焊接強度。焊接速度過快，一方面熔深淺，另一方面熔池中的氣體來不及逸出，焊縫中就存在大量氣孔，有效承載面積減小，焊接強度降低；焊接速度過慢，一方面過渡層燒損嚴重，另一方面熱影響區增大，組織粗化嚴重，也使焊接強度降低。在保證焊接深度的前提下，應該選擇高的焊接速度，以提高生產效率，降低成本。另外，過低的焊速會導致熱能輸入過大(J=P/V，式中，J一輸入熱能，P-激光功率，V-焊速)，焊縫的組織和性能惡化，甚至會出現宏觀裂紋。熔深、縫寬隨焊速的增加而減小，當焊速大于15mm/s時，焊縫深寬比大于1，適當提高焊速，可以提高深寬比。
　　
　　2.4離焦量
　　
　　激光束的焦斑功率密度并不等于作用于工件的光斑功率密度，后者還取決于焦斑平面與件表面的相對位置(離焦量)，此位置對激光焊接過程有顯著的影響。離焦量嚴重影響金剛石鋸片的焊接熔深。大量的研究結果表明，激光焊接金剛石鋸片時，一般采用負離焦，且離焦量約為板厚的1/3，此時獲得的熔深最大。由于激光焊接金剛石鋸片屬于小孔效應焊接機制，而小孔的形成常伴有明顯的聲、光特征，若未形成小孔，則焊接火苗是橘紅色或白色；若形成小孔，則焊接火苗為藍色，并伴有爆炸聲，故常據此確定和調整離焦量。
　　
　　2.5惰性保護氣體
　　
　　激光焊接金剛石鋸片時需要使用惰性保護氣體，其作用有：避免焊件的氧化；保護聚焦透鏡，避免受到金屬蒸汽污染和熔化液滴的濺射；吹散激光焊接過程中可能產生的等離子體。有關惰性保護氣體涉及保護氣體種類選擇、流量大小控制、吹氣方式3個問題。根據焊接質量和氣體成本的要求，一般選用氫氣。氣體流量大小的控制與噴嘴口徑、噴嘴與工件距離有關。氣流量太小，起不到保護作用，焊縫氧化嚴重，呈脆性；氣流量太大，一方面周圍的空氣反而被裹進焊接熔池，焊縫照樣氧化嚴重，另一方面，大的氣流量會吹翻焊接熔池，使得焊接過程的穩定性被破壞，焊縫成型性差，焊接強度降低。實際中常采用側吹氫氣的方法來吹散等離子體。
　　　　
　　2.6激光束偏移量與激光束入射角
　　
　　金剛石鋸片的激光對焊焊接的是厚度不同的兩種材料，屬于角焊，因此光斑橫向位置(偏移量)及激光入射方向對焊接質量有較大影響。激光焊接金剛石鋸片時，由于刀頭比基體厚(見圖4，其中為光束傾斜的角度，△為激光束的偏移量，h為離焦量，s為工件厚度)，以及刀頭過渡層的粉末材料特性(因過渡層不可避免存在孔隙，且極易吸收空氣中水分而產生焊接氣孔)，因此要求激光束偏向基體一側，并保持一定的偏移量，同時也要傾斜一定角度，以獲得最佳角焊效果。大量的研究結果表明：焊縫中的氣孔量與激光束偏移量密切相關，合適的偏移量可以減少焊縫中的氣孔，從而提高焊接強度。偏移量太大焊縫外觀很漂亮，但刀頭過渡層未焊上或焊得很少，實為虛焊；偏移量太小，氣孔多，影響外觀質量，也降低焊接強度。另外，角焊時，為避免發生激光束垂直入射時，光束被凸起的過渡層遮擋，激光束需要傾斜射向焊接部位。總之，只有在合適的入射角和偏移量下，鋼基體材料首先熔化，然后依靠熔化的鋼基體材料再加熱熔化刀頭過渡層材料，由于過渡層中的鉆和鋼基中的鐵可形成無限固溶體，因此鋼基體就可與刀頭過渡層形成良好的冶金結合。目前激光束偏移量的合適值為0.1mm-0.3mm；激光入射角的合適值則為5°-15°。
　　　　
　　3焊件檢測
　　
　　對于激光焊接的金剛石鋸片而言，需要進行外觀、顯微組織和焊接強度等參量的檢測。外觀檢測主要檢測是否存在焊接宏觀缺陷如孔洞裂紋、咬邊和未焊透等，通常需要進行100%的檢測，顯觀組織檢測主要檢測焊接部位的化學成分、顯觀組織和相結構的變化，研究表明，熔化區組織細小化學成分出現梯度擴散、過渡層硬度比基體低，比刀頭高，呈現梯度變化。焊接強度檢測主要檢測焊件的拉仲強度、彎曲強度、沖擊韌性和殘余應力等，通常需要進行100%的焊接強度檢測，而且國內外都發展了不同的專門檢測工具，如德國的SPE623焊接強度檢測機和中國的扭力扳手目前對于焊件的殘余應力檢測基本未涉及，而焊接后的殘余應力大小及分布嚴重影響金剛石鋸片的使用壽命。
　　
　　4結束語
　　
　　光束質量對金剛石鋸片激光焊接的表觀質量有很大影響，采用TEM01以下的低階模較合適。激光功率、焊接速度、離焦量及等離子體的控制等工藝參數影響焊接熔深。在合適的工藝條件下，可以一次焊透厚2.4mm的40Cr鋼板，焊縫寬度為0.8-1.2mm，深度比為1.7-3.0mm。光束偏移量是偏片激光焊接的一個重要工藝參數。鋸片焊接時應將光束偏向據片鋼基一側。目前，激光焊接金剛石鋸片工藝還存在一些問題，需要我們進行更進一步的研究，開展專用激光焊接金剛石鋸片胎體或過渡層材料配方的研究、開展新型超細或納米預合金粉末的研究、開展激光焊接金剛石鋸片的機理研究，特別是開展激光焊接金剛石鋸片過程中的溫度場、流場、質場和應力場的研究和開展激光焊接金剛石鋸片過程的在線質量監測技術的研究。事實上，只有全面理解了激光焊接金剛石鋸片的機理，才可能據此開發出新的在線質量監測技術；只有掌握了預合金粉末的理論，才可能開發出新型超細或納米預合金粉末以及更好地利用新型超細或納米預合金粉末開發出專用的金剛石鋸片。