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硬质合金木工刀具结构及焊接要求

日期: 2018-06-28
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硬质合金木工刀具结构及焊接要求


硬质合金刀具的镶焊是一个非常重要的工序。因硬质合金与钢材的化学成分及物理机械性能完全不同,往往在焊接时容易产生裂纹而使硬质合金报废。改善和提高焊接质量,对于减少刀具废品,提高硬质合金刀具的质量,延长刀具的使用寿命具有重要意义。

二、硬质合金刀具镶焊的特点

不论是导热系数、热膨胀系数,还是热容量硬质合金和刀杆材料都相差较大。因此焊接加热或冷却速度太快就容易使刀片与刀杆,刀片表面与心部的温差增大,从而导致膨胀或收缩应力过大,使刀片产生裂纹。刀片规格越大,这种现象就越严重。

硬质合金上的焊接裂纹是焊接应力过大而引起的。在充分加热后,刀具开始冷却,焊料凝固,由于钢的热膨胀系数比硬质合金大2~3倍,在钢与硬质合金上产生不同的收缩,达到室温后,钢的收缩是硬质合金的两倍。逐渐收缩的结果,在硬质合金上产生拉应力,而产生焊接开裂现象。此外,硬质合金在950℃~1100℃就会产生剧烈氧化,所形成的氧化膜存在许多空隙而使硬质合金变脆,从而降低合金的机械性能。因此,在焊接时,必须避免焊接区域的氧化现象。 

三、硬质合金焊接的步骤

1、彻底清理刀杆和刀片

(1)、硬质合金应经过喷砂

(2)、刀杆、刀片、焊料应脱脂

(3)、将焊接面氧化层磨去,平整。

2、刀杆预热后应煮硼砂,使表面覆盖一层熔剂。

(1)、正确选用熔剂

(2)、用熔剂可将铁锈、油脂等洗净,防止刀杆、刀片氧化。

3、均热

(1)、焊接时首先加热刀杆底部

(2)、均热,防止热裂

(3)、不得过热

(4)、达到焊接温度后,根据合金片大小,应保温10-30秒,以使焊接面上的温度均匀。

4、清理合金片、焊接部位的粘结物,仔细检查刀片和镶槽是否被焊料润湿。

5、缓冷

6、焊后再喷砂

四、焊接方法

1、氧气—乙炔焊接法

2、高频焊接法

3、焦碳炉焊接法

4、油炉焊接法

5、接触焊接法

6、浸铜焊接法

常用前两种方法

五、焊接时注意事项

1、焊料选用原则

硬质合金刀具焊接质量的好坏,焊料是个重要的因素。焊料基本分为铜基和银基焊料。银基焊料(如含银5%到65%之间的焊料)熔点低、高温塑性好、流动性好,但其价格较高,焊接强度较差。表2列出常用铜基焊料的化学成分和特性。

在焊料中加入微量Co,Ni,Sn等,可增加焊料流动性和润湿性;加入Fe,Mn等,可提高焊缝的强度。焊料的熔点不仅影响焊接生产率,而且也影响焊接应力,当焊接温度超过950℃以上时,还会使硬质合金产生相变,降低了合金的使用性能。高温塑性好的焊料,在焊接冷却过程中能起到缓冲和平衡作用,降低硬质合金与钢的线膨胀系数和导热系数不同所导致的热应力,而且焊接后可进行热处理,这为一些刀体具有一定硬度要求的刀具提供了焊接后进行热处理的条件。厚薄不均的焊缝也是造成硬质合金产生焊接裂纹的原因,流动性和润湿性好的焊料,焊接时就能流布整个焊接面,获得均匀而薄的焊缝和提高焊接强度。

(1) 工作温度高于400℃,机械负荷大时,选用紫铜

(2) 工作温度低于400℃,机械负荷不大时,选用黄铜、低银焊料(含银30%一下的焊料)。

(3) 刀片愈长愈薄时,或形状复杂时,应采用低熔点焊料,如312焊料,或含银量更高的银基焊料。

2、加热速度、冷却速度的控制

快速加热时,硬质合金外层受压应力,中心受拉应力,超过容许的加热速度时,就可能会出现可见的裂纹或内部不可见的裂纹。快速冷却时,外部出现拉应力,引起裂纹。加热过快,会使刀杆温度高于合金刀片时,则熔化的焊料润湿了刀杆而不能润湿刀片,焊接强度下降,而且产生加热不均现象。加热过慢,则会出现相反的现象,而且又会引起焊接表面氧化的现象。不同牌号及规格的刀片的焊接加热速度是不同的,含钴量越低及规格尺寸越大、越复杂,加热速度应慢些。高频焊接的加热速度可以调节加热功率或通过刀具与感应圈的距离来调节。

焊接后的冷却速度对焊接裂纹的产生也有非常明显的影响。特别是冷至300℃以下时,快速冷却会迫使刀杆急剧塑性变形而使刀片产生裂纹。大体上说,刀片冷却速度较容许的加热速度低8倍左右。焊接好的刀具应置于200℃~300℃炉中,保温6~8h,随炉冷却至室温。或置于干燥云母粉、石棉粉、熟石灰或类似保温材料中冷却。在秋冬季焊接时,工作环境温度应保持15℃以上,避免冷风直接吹入,促进冷却速度过快而产生内应力。

3、较好的焊接温度应该是高于焊料熔点40℃~80℃。过高会出现氧化现象,过低会出现虚焊。焊接时发现冒白烟并带蓝烟时,说明温度过高,造成锌挥发,在焊层中产生气泡形成气孔,影响焊接质量。

4、熔剂应进行脱水处理,否则在焊接操作带来困难,对焊接质量也有影响,应保存于密封容器中防止受潮。

5、刀杆制造 焊接部分的刀杆厚度应大于刀片厚度3~5倍为宜。刀杆需要淬火时,最好与焊接同时进行(即一次加热),淬火剂温度控制在180℃~220℃。焊接大刀片时,应在刀槽平面铣个小槽减小内应力,或在刀槽平面上打几个小孔,借其毛刺增加焊接层厚度。

六、硬质合金刀具焊接质量检查

硬质合金刀具焊接后,经保温、冷却、喷砂清理,然后检查合金片在刀杆上焊接是否牢靠,有无缺焊、虚焊现象,刀片在镶槽中的位置如何,刀片有无裂纹等。

硬质合金刀片裂纹可采取下列方法检查:

(a)将样品用煤油清洗干净,用10~45倍的显微镜检查。

(b)取65%的煤油,30%的变压油和5%松节油,调制成溶液,于其中加入苏丹红。然后将欲检查的刀具放入溶液中浸泡10~15分钟。用清水洗净。涂上一层高岭土,烘干后检查表面。如刀具上有裂纹,溶液的颜色会在白土上显示出来。

(c)紫外线作用下的荧光液发光检查法。荧光液系一份变压油、两份煤油和0.03~0.05%的金绿色萤石(CaF2)组成,紫外线光源系由水银石英灯通过放大镜获得。有裂纹时,荧光液就会发出黄绿色的光亮。

(d)超声波无损探伤。  

  1概述

  硬质合金与结构钢的焊接,因焊接质量较差,只能作为量具对表件或普通硬质合金车刀焊片时使用,不能用于高精度(要求同轴度0.02以内)回转类刃具的刀杆与刀刃部分对接使用,通过此论文说明一下高精度回转类刃具的刀杆与刀刃的钎焊工艺过程及后期试验结果。

  2硬质合金与结构钢的钎焊

  2.1硬质合金的焊接特点

  硬质合金主要用于制造刀具、量具等双金属结构。切削部分为硬质合金,基体为碳素钢、低合金钢通常为中碳钢。这类工件在工作时受到相当大的应力作用,特别是压缩弯曲、冲击和交变载荷,要求接头强度高、质量可靠。硬质合金有高硬度和耐磨性好的特点,但是存在脆性高、韧性差等缺点。

  2.1.1一般焊接特点

  (1)线膨胀系数与钎焊裂纹的关系

  硬质合金的尺寸较小,一般固定在一个比较厚大的钢支撑材料上。钎焊是把硬质合金和基体金属连接在一起的焊接方法。硬质合金的线膨胀系数(4.1-7.0X10-6/℃)与普通钢的线膨胀系数(12X10-6/℃)相比差别很大,硬质合金只有钢的1/3--1/2左右。加热时硬质合金和钢都自由膨胀,但冷却时钢的收缩量比硬质合金大的多。此时焊缝处于受压力状态,在硬质合金表面则承受拉应力,如果残余应力大于硬质合金的抗拉强度时,硬质合金表面就可能产生裂纹。这是硬质合金钎焊时产生裂纹的主要原因之一。

  (2)硬度与裂纹敏感性的关系

  硬质合金的硬度与耐磨性和焊接裂纹敏感性成正比,硬质合金的硬度越高,钎焊时产生裂纹的可能性越大。而且,一般精加工或超精加工所用的硬质合金,在钎焊时容易发生裂纹。

  (3)焊接残余应力的影响

  焊接区域的残余应力是一种潜在的危害,尽管焊接硬质合金工件上不一定马上发现裂纹,但随后的刃磨、保管或使用过程中却容易产生裂纹,造成工具报废。焊接时必须采取措施减小钎焊应力,可采取降低钎焊温度、焊前预热及缓冷、选用塑性较好的钎料、加补偿垫片、改进接头结构等措施。钎焊大面积硬质合金时,无论强度高低,均应采取特殊措施,以减小焊接应力和防止裂纹的产生。

  (4)氧化问题

  硬质合金在空气中加热到800℃以上时,硬质合金表面开始氧化,生成疏松的氧化物层,同时伴随脱碳现象。加热至950-1100℃时,表面层会发生剧烈氧化,形成的氧化薄膜使硬质合金变脆,降低力学性能。表面氧化层的存在,也降低了焊缝的强度、硬度。在焊接时采取措施尽量减少硬质合金焊接部位的氧化现象,是提高焊接质量的重要措施。

  2.2基体材料的选择和槽型设计

  2.2.1基体材料的选择

  硬质合金通常与基体材料连接在一起使用,基体材料的选择主要考虑硬质合金使用时所受载荷的大小。一般载荷的刀具基体材料可用45钢或40Cr钢。需要淬硬的刀体可选用9SiCr钢,因为9SiCr钢焊后淬火用的冷却介质温度比40Cr高,对硬质合金有利。

  2.2.2槽型设计

  钢与硬质合金刀具钎焊质量的好坏还决定于刀槽形状的设计是否合理,硬质合金槽型的设计是否合理。硬质合金槽形设计原则如下:

  (1)尽量减少钎焊面,避免采用封闭和半封闭槽型结构,以减少钎焊应力,防止产生裂纹,尽可能采用自由焊槽形,使钎焊应力降低到最低。

  (2)焊接前装配硬质合金时应尽量靠硬质合金自重或靠基体上的凸台、凹槽等部位定位,尽量避免使用夹具固定硬质合金。

  (3)设计槽型时应考虑在钎焊过程中便于排渣,避免因焊缝中夹渣而使焊缝强度降低或脱焊现象。

  (4)钎焊后刀头部分不应黏附过多的焊料,以免刃磨困难,尤其是在设计硬质合金多刃刀具时应特别注意。

  2.3硬质合金与钢的钎焊

  硬质合金与钢的钎焊方法主要有氧气--炔火焰钎焊、高频感应钎焊、接触电阻钎焊、浸铜钎焊以及炉中钎焊等种类。

  2.3.1钎焊方法-高频感应钎焊

  高频感应钎焊使用频率为600KHz,功率为10KW-100KW之间的高频感应加热源,产生高频电流。当高频电流穿过感应器时产生高频交变磁场,在感应器中的被焊金属产生感应电流。高频加热速度很快,可以在很短时间内加热到很高的温度,使焊料熔化。

  2.3.2硬质合金钎料与钎剂

  (1) 钎料的选择

  ①钎料应对被钎焊硬质合金和钢基体有良好的润湿能力,保证钎料具有良好的流动性与渗透性。

  ②硬质合金的使用特点有较高的红硬性,所以要保证钎焊焊缝在常温下有足够的硬度。

  ③钎料的熔点要尽可能地低,以减少钎焊应力,防止发生裂纹,但钎料的熔点要高于焊缝的工作温度300℃,保证正常切削。

(2)钎剂的选择

  钎剂的作用是使刀杆和钎焊表面的氧化物还原,使钎料能很好的润湿被钎焊的金属表面,一般钎剂的熔点低于钎料100℃以上,并有较好的流动性和较低的黏度。

  ①工业硼砂在钎焊加热过程中会产生大量泡沫,不但使钎焊操作困难,而且也影响焊缝质量,最好不要采用。

  ②脱水硼砂可用于各种牌号硬质合金工作,钎焊温度范围850℃-1150℃左右,不能用于800℃以下钎料,保存应注意防潮。

  2.3.3硬质合金与钢的钎焊工艺

  (1)焊前准备

  ①焊前应检查硬质合金是否有裂纹、弯曲等缺陷,保证钎焊面平整并保证有一定几何形状,保持与基体间有良好接触。

  ②对硬质合金进行喷砂处理去除钎焊表面的氧化层和黑色字母,防止脱焊。

  (2)钎焊过程 ①焊接硬质合金工具时均匀加热刀杆和刀头是保证焊接质量的基本条件。如果硬质合金部分温度高于刀杆,熔化后的钎料润湿硬质合金而不能润湿刀杆,接头强度降低,沿焊缝剪切硬质合金时,钎料不破坏,而随硬质合金脱开。如果相反,现象相反。

  ②钎焊后冷却

  冷却时硬质合金片表面产生瞬时拉应力,硬质合金的抗拉应力大大低于抗压应力。通常焊接后工件立即插入石灰槽或木炭粉槽中,使工件缓慢冷却。有条件的可在钎焊后立即将工件放入220℃-250℃炉内回火6h-8h。采用低温回火处理能消除部分钎焊应力,减小裂纹和延长硬质合金工具使用寿命。

  ③焊后清理

  要对焊好的硬质合金工件进行焊后清理,以便将焊缝周围残余的溶剂清理干净,常用清除方法是将焊后冷却工件放入沸水中煮1-2h左右,然后再进行喷砂处理,即可清除焊缝四周黏附的残余钎剂和氧化物。

  (3)钎焊的质量检验

  正常的焊缝应均匀无黑斑,钎料未填满的焊缝不大于焊缝总长10%,焊缝宽度小于0.15mm。硬质合金裂纹倾向可用下面方法检测。

  ①刀具经喷砂处理后,用煤油清洗,用肉眼和放大镜观察。有裂纹时有明显黑线。

  ②用65%煤油、30%的变压器油及5%的松节油调成溶液,加入少量苏丹红,将检查的刃具放入该溶液中浸泡10-15min,取出用清水洗净,涂上高岭土,烘干后检查表面,如果有裂纹,溶液的颜色将在白土显示出来,肉眼可查。

  3 刃具焊接及后续试验

  3.1刃具焊接结构:

  3.1.1焊接结构分类

  插入式结构

  3.1.2焊接后刃具

  焊接后刃具

  3.1.3焊接体常温力学实验报告通过实际测量刀杆可抗拉力18070N。

  3.1.4试件的加工

  通过使用CrWMn为试验切削材料,淬火到HRC50-55,用数控铣机床进行切削试验。

  结论

  刃具可以完成预先设计好试验加工过程,加工中刃具性能稳定可靠。

  结语

  通过此项目达到硬质合金与结构钢钎焊刀杆的现场应用,能够更好利用现有设备、人员完成此项目所要求的工艺过程。


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