金刚石激光焊接技术

引　　言
　　金刚石取芯钻头不仅在地质勘探中有重要地位，更因为其具有钻进速度快、石材损耗小、不破坏周边环境等独特优点而被广泛应用于大理石、花岗石、钢筋水泥墙面的钻孔。金刚石钻头是在钢的基体上连接一种由金刚石和胎体材料热压而成的一种复合烧结体，常称之为刀头。国内的钻头常采用钎焊的方法连接。金刚石取芯钻头工作时由于转速极快，受强烈的冲击和震动，需要高的剪切强度和高温强度。钎焊的钻头刀头经常由于高速钻进发热引起钎料熔化而脱落。所以，国外从80年代后期就发展用激光焊代替钎焊，激光焊与钎焊比较有如下优点：由于基体与刀头是冶金结合，强度高，刀头不易脱落，特别是在无水的情况下；焊缝为细小均匀的柱状晶组织，不易产生裂纹，保证钻头在高速钻进时不致于开裂而产生危险；焊缝和热影响区极窄，对金刚石没有影响，保证了产品的最佳性能；易于实现自动化，效率高，质量稳定可靠，并且产品的平均成本低。

　　金刚石取芯钻头的结构。目前国外市场需要的激光焊钻头几乎与激光焊锯片相当，市场潜力很大，利润也相对较高。由于金刚石取芯钻头的刀头是粉末冶金材料，不可避免地存在孔隙，焊接难度大；基体与刀头是异种材料的焊接，刀头比基体厚，难于双面焊接，所以比起金刚石圆锯片来焊接难度更大，目前国内还未发现这方面的报道。我们经过几百次的试验和探索，取得了较好的效果，成功地解决了关键技术，现已应用于实际生产中，产品全部出口，用户反映良好。

1　试验装置及方法

　　试验是在美国进口的快速纵流激光器上进行，该机是美国80年代先进产品，型号为EFA-51，输出模式为TEM00和TEM01，最大输出功率为1500W。选用f=100mm的GaAs聚焦透镜，通同轴保护气体Ar气以保护焊缝及透镜。钻头基体和刀头被装夹在专用的夹具上。回转工作台能带动夹具及钻头作圆周运动，并且能在一定范围内调节角度。激光束稍偏于基体一侧，并采用一定的负离焦。为使刀头基体吻合良好，刀头焊前须磨弧、去毛刺，以免漏光损失能量；为减少焊接缺陷，焊前必须去除焊接部位及其附近的油污、氧化皮和水分。

基体材料为普通的45#钢，经调质处理，厚2mm；由于金刚石在高温下易石墨化，激光焊接时会在焊缝中出现空洞，所以，刀头需设计1.5mm～2mm的过渡层，我们通过大量的试验，选取一种特殊的Co混合物作为过渡层，刀头厚3mm。

　　 钻头焊后，目测和用10倍放大镜观测焊缝外观，检验焊缝有无气孔、咬边、裂纹等宏观缺陷，然后采用DSA标准用专用的弯曲强度检测仪检验每个刀头的弯曲强度。

2　试验结果及分析

2.1　材质分析

　　 基体材料在激光焊条件下有较好的焊接性。刀头则不一样，由于是粉末冶金材料，焊接时极易出现气孔甚至空洞，当焊接参数不当时，还会产生裂纹，极大地影响了焊接强度。刀头的性能对焊接性能的影响非常大，机械性能好且致密的刀头在激光焊条件下，只要焊接参数选择得当，就能得到符合使用性能的焊缝，其抗弯强度可达到或超过1800N/mm2，断在刀头。在材料一定时要使刀头性能优良，首先必须提高刀头压制密度，可采用选择颗粒细、形状均匀之粉末压制，另外，在不影响金刚石性能的前提下，尽量提高烧结温度和压制压力，并选择合适的保温时间对提高刀头的机械性能很有必要。
刀头内不可避免的存在孔隙，刀头的密度是不能达到理论值的，但是合适的压力、温度以及保温时间、粉末混合时间及速度都是刀头致密和均匀的重要保证，从而保证有良好的焊接性能。试验表明：当单位压力在20MPa左右、温度在800℃左右、保温时间为4min时，即可得到能满足激光焊需要、又不损坏模具及金刚石性能的刀头。刀头的密度对焊缝强度的影响最大，低密度的刀头焊接出来的焊缝强度是很低的，几乎不可能达到所需强度。