CN104439592A - 在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，包括：将经过预处理的硬质合金长条薄壁件放入淬火炉，随炉升温至400~450℃；将其迅速从炉中取出，把不锈钢筒形零件快速定位在待焊位置，用火焰加热，使火焰的外焰围绕不锈钢筒形零件周围做圆周运动，并且火焰要适量偏向硬质合金长条薄壁件一侧，当不锈钢筒形零件加热温度到650℃~800℃时，迅速用焊料粘焊剂溶进焊缝，保证在此温度范围焊接完毕，焊料覆满焊缝后立即停火；停火后将焊接工件立即放入350~450℃炉中回火5~8小时。本发明解决了在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢异种金属的难题，避免了硬质合金产生裂纹、过烧、不熔合等缺陷。

Description

在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺

 

技术领域

本发明涉及一种焊接工艺，具体涉及一种在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺。

背景技术

在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件，如在烟机合金刀（卷烟厂生产用刀具）上焊接不锈钢内丝螺母，是整个烟机合金刀加工成成品的最后一步。该烟机合金一般为YL10.02硬质合金，刀片薄片长条状，其中间和两端各有一盲孔。把不锈钢圆柱螺母（如1Cr17不锈钢，螺母底部有1×45°的倒角），安放到烟机合金刀的的盲孔内（盲孔深度只有1mm），即便是用手来安放好，把螺母安放直、位置正，都很有难度。最后把螺母用钎焊的焊接方法固定在合金刀上（成品如图1所示）。在焊接时，由于气焊火焰的吹力，和在加添焊料时手的不小心地抖动，都有可能使螺母偏移盲孔，造成焊件偏斜，成为废品。

该项工艺涉及薄片长条硬质合金的钎焊和硬质合金与不锈钢异种金属的焊接工艺。YL10.02硬质合金是细颗粒硬质合金，在钎焊焊接中最易产生裂纹，而对于长条薄壁件的YL10.02硬质合金的焊接，由于刀片受热温度不均匀，往往使合金刀片产生内应力，就更容易产生裂纹，合格率只有60%左右，成本浪费极大。同时对于YL10.2与1Cr17不锈钢异种金属的焊接难度大，一直在温度上不能控制焊，导致脱焊，而且铁素体不锈钢在焊接时常会在其表面形成氧化层，给钎焊带来许多困难。

发明内容

针对上述缺陷，本发明提供一种在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，主要针对不锈钢（特别是1Cr17铁素体不锈钢）筒形零件与硬质合金（特别是YL10.02硬质合金）长条薄壁件的焊接工艺进行改进，解决了在硬质合金刀片上焊接不锈钢异种金属的难题，避免了硬质合金产生裂纹的缺陷。 

本发明进一步提供一种焊接夹具，在焊接中能快速把不锈钢筒形零件安放装配到位，装配精度高。

    经过大量研究发现，造成铁素体不锈钢（尤其是1Cr17铁素体不锈钢）与硬质合金（尤其是YL10.02硬质合金）长条薄壁件焊接困难和废品容易产生的原因主要有五点：

（1）在合金刀片上焊接不锈钢属于异种金属的钎焊。硬质合金和不锈钢在加热时的线膨胀系数差别很大，从1:2到1:3左右。当钎焊加热时，硬质合金和不锈钢都自由膨胀，在焊后的冷却收缩过程中，不锈钢件要比硬质合金的收缩量大些，由于焊缝已牢固的将硬质合金和不锈钢将焊在一起，不允许它们各自自由收缩，因而它们之间的收缩差除了依靠极薄的焊缝的塑性来抵消一小部分外，绝大部分为应力状态存在着。这种应力在焊缝处成压应力，在硬质合金上表面成拉应力。当拉应力大于硬质合金的抗拉强度时，就会在硬质合金的表面产生裂纹，甚至断裂。

（2）不锈钢特殊的钎焊性能的影响。不锈钢钎焊中主要问题是表面存在的氧化膜严重影响钎料的润湿和扩散。因为不锈钢中含有许多的Cr，有的还有Ni、Ti、Mn、Mo等元素，它们在表面形成多种氧化物和复合氧化物，较难去除。

（3）不锈钢和硬质合金的加热状态对焊接的影响。不锈钢的钎焊温度不应高于900℃，否则晶粒会严重长大。同时又要避免在不锈钢的敏化温度（450℃~850℃）焊接停留的时间过长。除此之外，不锈钢在钎焊时还有应力开裂倾向。

（4）硬质合金长条薄片在刚开始焊接加热时，容易产生突然炸裂。在氧炔焰加热钎焊时，如果用火焰的高温区（火焰的核心区和还原区交界处的温度为3000℃）直接烧硬质合金，使硬质合金表面局部升至高温，就会产生裂纹。

（5）在焊接时，不锈钢螺母平整的安放入盲孔调整时间太长。整个校正和安放过程都是在工件加热焊接中进行的，导致焊件在高温停留的时间过长，硬质合金刀体表面和不锈钢表面就会产生氧化、过烧、焊缝未溶合现象，甚至出现裂纹。

因此，在薄片长条硬质合金的钎焊中主要是控制裂纹和内应力，在不锈钢异种金属的焊接时主要是在焊接时的温度控制和焊接工艺。为了解决上述烟机合金刀焊接中遇到的这五大难题，经过反复的实验和尝试，确定了一种可行的在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，该工艺包括下述步骤：

（a）将经过预处理的硬质合金长条薄壁件放入淬火炉，随炉升温至400 ~450 ℃；

（b）将硬质合金长条薄壁件迅速从炉中取出，把不锈钢筒形零件快速定位在硬质合金长条薄壁件的待焊位置，用火焰加热，使火焰的外焰围绕不锈钢筒形零件周围做圆周运动，并且火焰要适量偏向硬质合金长条薄壁件一侧，当不锈钢筒形零件加热温度到650℃~800℃时，迅速用焊料粘焊剂溶进焊缝，保证在此温度范围焊接完毕，焊料覆满焊缝后立即停火；

（c）停火后将焊接工件立即放入350~450℃炉中回火5~8小时。

作为改进，采用焊接夹具把不锈钢筒形零件快速定位在硬质合金长条薄壁件的待焊位置，所述焊接夹具包括夹具底座1、引杆2、校正杆4、弹簧10和压力棒9；引杆2设置在夹具底座1上，引杆2沿轴向设有一通孔；校正杆4穿过引杆2的通孔，校正杆4沿轴向也设有一通孔，供不锈钢筒形零件穿过；在引杆2和校正杆4之间设有弹簧10，用于限制校正杆4在引杆2通孔内向下运动并使其回位；压力棒9能够穿过校正杆4的通孔，用于固定不锈钢筒形零件。

所述不锈钢筒形零件为铁素体不锈钢螺母；所述硬质合金长条薄壁件为烟机合金刀。优选不锈钢螺母材料为1Cr17铁素体不锈钢；烟机合金刀材料为YL10.02硬质合金，薄4~5mm，长500~650mm。

所述预处理为去除硬质合金长条薄壁件待焊位置及其周围、还有不锈钢筒形零件表面的氧化层和油脂。

所述步骤（a）随炉升温至400℃，升温速度为8~10℃/分钟。

所述步骤（b）加热的火焰用中性火焰或轻微的碳化焰，火焰的外焰围绕不锈钢筒形零件周围做匀速圆周运动。

所述焊料为HLSn60Pb或BAg40CuZnCd，焊剂为QJ102。

所述焊接夹具校正杆4顶部有一圈凸出部，弹簧10套在校正杆4外并连接在引杆2的顶部和校正杆4的凸出部之间；在校正杆4的底端设有校正嘴5，防止校正杆4在弹簧10作用下弹出引杆2。

所述焊接夹具还包括定位块6，用于定位并固定焊接工件；所述焊接夹具引杆2的通孔与校正杆4直径差≤0.02mm，校正杆4的通孔与不锈钢筒形零件直径差≤0.1mm。

采用本发明工艺解决了在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢异种金属的难题，避免了硬质合金产生裂纹、过烧、不熔合等缺陷，避免了铁素体不锈钢在焊接时在其表面形成氧化层。使用本发明的夹具，螺母安放速度快，装配精度高，整个校正和安放过程只需要大约8秒钟，一旦开始点火焊接，就不需要校正了，缩短了焊接时间，保证了焊接质量，减低了废品率，使产品的合格率达到99％。

附图说明

图1是合金刀的盲孔装配焊接螺母后的剖面图。

图2是本发明夹具制作装配图。

图中：夹具底座1、引杆2、校正杆4、校正嘴5、定位块6、烟机合金刀7、压力棒9、弹簧10。

具体实施方式

    本发明在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，特别适合于在硬质合金烟机刀上焊接铁素体不锈钢螺母。所述长条薄壁件一般薄4~5mm，长500~650mm。本发明工艺尤其适合于在YL10.02硬质合金烟机刀（薄4.1mm，长600mm）上焊接1Cr17铁素体不锈钢螺母，下面以此为例进行详细说明，具体工艺包括如下步骤：

    （1）焊前工件的预处理。

对不锈钢螺母、烟机合金刀盲孔及其周围20mm的范围内进行喷砂处理，去除表面氧化层；然后用丙酮清洗，去除表面油脂；然后擦拭干净，立即进行第二步操作。

（2）焊前工件二次处理。

把待焊的烟机合金刀放入淬火炉内，随炉一起缓慢升温（升温速度为8~10℃/分钟）至400 ~450 ℃（特别是400℃），防止硬质合金裂纹的产生（不锈钢螺母不需要采用预热措施）。

（3）钎焊操作和温度控制。

把工件从炉内快速拿出，在工作台上放平，然后使用本发明的螺母焊接夹具把螺母定好位后，开始用火焰加热，加热的火焰用中性火焰或轻微的碳化焰；点火后，用火焰的外焰加热不锈钢螺母的周围，火焰围绕不锈钢螺母周围做圆周匀速运动，使不锈钢螺母与硬质合金的焊缝周围均匀受热升温。

由于不锈钢螺母的体积远远小于合金烟机刀，在同时加热它们时，火焰要适量偏向硬质合金侧，以免造成硬质合金刀加热不够而螺母加热温度过高，既有效的防止了不锈钢和合金刀的表面出现氧化层，又有利于之后添加焊料时焊料的快速扩散。预热的同时也要把焊料预热。

因为不锈钢螺母预热的过程很快，当不锈钢螺母加热温度到650℃~800℃时，迅速用直径1mm的焊料粘焊剂溶进焊缝，在焊缝处出现一条亮晶晶的液态焊料时，就是最理想的钎焊温度。火焰仍然保持作圆周状匀速加热，保持焊缝表面温度稳定；如果温度过高，可以适当的拉长火焰，等焊料覆满焊缝后，立即停火，10秒中后焊缝凝固后再松夹具。

焊接温度控制很重要，不锈钢是钎焊焊接中最难焊接的材料之一，它是以铬、镍为主要合金元素。气焊火焰的加热温度不同，不锈钢表面的状态就不一样，当加热温度为550℃~600℃时，不锈钢的表面为暗红色，在这个温度范围加热的时间短，把不锈钢预热。当加热温度为650℃~800℃时，这个温度是不锈钢钎焊的最好温度，在焊剂的作用下，焊料的润湿性达到最好（润湿性是指焊料在焊剂和热气氛的条件下，加热至钎焊温度后，焊料在被焊金属的表面张力），润湿性越好，焊料的漫流性和渗透性越好。在这个温度间，要快速的在焊缝处洒上焊剂并把焊料补充到焊缝中。在这个温度没有焊接完毕的话，加热温度就会快速上升，不锈钢的表面呈现刺眼红色，表面出现亮白色的小点，在焊接上方出现白烟，很快不锈钢表面像被披上了一层膜，这就说明不锈钢表面有氧化层了，焊料在不锈钢的表面不再有润湿性，焊料就会形成珠状在不锈钢表面滚来滚去，不能渗透到焊缝中，所以不能再进行钎焊焊接了，只能报废，再换一件不锈钢螺母重新进行焊接。合金刀经过反复的加热和冷却，也会出现氧化层，影响焊接质量，严重的会导致焊缝出现未溶合和裂纹。所以，不锈钢在650℃~800℃之间的热状态时，焊接要快。

要根据工件的高温特性和焊接温度来选择焊料和焊剂。银基钎料是钎焊不锈钢最常用的钎料。由于1Cr17不锈钢在650~800℃时是钎焊的最好温度，这个温度的焊料易选用锡铅焊料，并以含锡量高为宜，钎料含锡量越高，在不锈钢上的润湿性就越好。其次，焊料不应含有低蒸发点的元素，以免在钎焊加热时因焊料中的元素蒸发而影响焊接质量。根据这些条件来选择焊料，焊料可以选择HLSn60Pb或BAg40CuZnCd。焊剂的熔点要低于焊料熔点100℃以上，便于在钎焊加热过程中使融化后的焊剂有充分的时间起到焊剂应有的作用，保证钎焊质量。其次，焊剂要有良好的润湿性、流动性和较小的粘性。所以选择使用流动能力好的焊剂，如QJ102等。

（4）焊后的处理。

钎焊后立即放入350~450℃炉中回火5~8小时。钎焊后的冷却速度也是影响钎焊裂纹的主要因素，对于又薄又长的合金制品来说，在焊接后更加容易产生裂纹。通过采用中温回火能消除焊接残余应力和改善焊缝的组织和性能，减少裂纹和延长硬质焊接刀具的使用寿命。

本发明还独创了一种焊接夹具。如图2所示，本发明的焊接夹具，包括夹具底座1、引杆2、校正杆4、弹簧10和压力棒9，还可以包括定位块6，用于定位并固定焊接工件。引杆2设置在夹具底座1上，例如用TIG焊焊接成一体。引杆2轴线与夹具底座1的底面垂直。引杆2沿轴向设有一通孔，通孔经过内孔磨削加工，精度为Ф14±0.02mm。校正杆4的外径磨削精加工，精度为Ф14.0mm。校正杆4穿过引杆2的通孔，配合紧密。校正杆4沿轴向也设有一通孔，供不锈钢螺母穿过，通孔经过内孔磨削加工的精度为Ф8.1mm。校正杆4顶部有一圈凸出部（并设有一把柄），弹簧10套在校正杆4外并连接在引杆2的顶部和校正杆4的凸出部之间，校正杆4在M的作用下往下移动，在弹簧10 的作用下可以回位。在校正杆4的底端用TIG焊焊接一个锥形校正嘴5，防止校正杆4在弹簧10作用下弹出引杆2。压力棒9能够穿过校正杆4的通孔，用于固定螺母。

本发明的夹具使用方法为：

a.调整夹具的角度：先把夹具安放在平整的工作台上，调整引杆2与地面的角度，保证引杆2的中心线3与工作台垂直，然后固定好夹具。

b.调整定位块6的位置：把烟机刀放置在引杆2下方，把校正杆4往下移动，对准烟机刀的盲孔（内径为8mm），然后把不锈钢带内丝的圆柱螺母（直径为 8mm）从校正杆4的通孔落下，能对准盲孔即可，反复2、3次调整后，如果螺母都能自如的推入盲孔，就可以把定位块6靠着烟机刀固定了，定位块固定好烟机刀的X轴和Y轴。

c.焊接：把要焊接的工件靠着定位块6放下；用手抓住校正杆4的把柄，把校正杆4往下压，接近工件的盲孔时，把预先准备好的焊料粉投入直径为8.1mm的孔中，焊料粉会顺着孔道滑到盲孔上；再把螺母也投入8.1mm的孔中，它会快速的找准盲孔；然后用压力棒9也从直径为8.1mm的孔中放入，用手轻轻的压住压力棒9，这就使得螺母牢牢的固定在盲孔内，之后立刻放松校正杆4，校正杆4在弹簧10的作用下弹回原位，避免在高温焊接中产生变形，只有压力棒9牢牢的把螺母压在盲孔内；最后在螺母周围撒些焊剂，把不锈钢螺母用钎焊的焊接方法固定在合金刀上。

Claims (10)

1.一种在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，其特征在于该工艺包括下述步骤：

（a）将经过预处理的硬质合金长条薄壁件放入淬火炉，随炉升温至400 ~450 ℃；

（b）将硬质合金长条薄壁件迅速从炉中取出，把不锈钢筒形零件快速定位在硬质合金长条薄壁件的待焊位置，用火焰加热，使火焰的外焰围绕不锈钢筒形零件周围做圆周运动，并且火焰要适量偏向硬质合金长条薄壁件一侧，当不锈钢筒形零件加热温度到650℃~800℃时，迅速用焊料粘焊剂溶进焊缝，保证在此温度范围焊接完毕，焊料覆满焊缝后立即停火；

（c）停火后将焊接工件立即放入350~450℃炉中回火5~8小时。

2.根据权利要求1所述的在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，其特征在于采用焊接夹具把不锈钢筒形零件快速定位在硬质合金长条薄壁件的待焊位置，所述焊接夹具包括夹具底座（1）、引杆（2）、校正杆（4）、弹簧（10）和压力棒（9）；引杆（2）设置在夹具底座（1）上，引杆（2）沿轴向设有一通孔；校正杆（4）穿过引杆（2）的通孔，校正杆（4）沿轴向也设有一通孔，供不锈钢筒形零件穿过；在引杆（2）和校正杆（4）之间设有弹簧（10），用于限制校正杆（4）在引杆（2）通孔内向下运动并使其回位；压力棒（9）能够穿过校正杆（4）的通孔，用于固定不锈钢筒形零件。

3.根据权利要求1所述的在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，其特征在于所述不锈钢筒形零件为铁素体不锈钢螺母；所述硬质合金长条薄壁件为烟机合金刀。

4.根据权利要求3所述的在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，其特征在于不锈钢螺母材料为1Cr17铁素体不锈钢；烟机合金刀材料为YL10.02硬质合金，薄4~5mm，长500~650mm。

5.根据权利要求1~4之一所述的在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，其特征在于所述预处理为去除硬质合金长条薄壁件待焊位置及其周围、还有不锈钢筒形零件表面的氧化层和油脂。

6.根据权利要求1~4之一所述的在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，其特征在于步骤（a）随炉升温至400℃，升温速度为8~10℃/分钟。

7.根据权利要求6所述的在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，其特征在于步骤（b）加热的火焰用中性火焰或轻微的碳化焰，火焰的外焰围绕不锈钢筒形零件周围做匀速圆周运动。

8.根据权利要求7所述的在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，其特征在于焊料为HLSn60Pb或BAg40CuZnCd，焊剂为QJ102。

9.根据权利要求1~4之一所述的在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，其特征在于所述焊接夹具校正杆（4）顶部有一圈凸出部，弹簧（10）套在校正杆（4）外并连接在引杆（2）的顶部和校正杆（4）的凸出部之间；在校正杆（4）的底端设有校正嘴（5），防止校正杆（4）在弹簧（10）作用下弹出引杆（2）。

10.根据权利要求9所述的在硬质合金长条薄壁件上焊接不锈钢筒形零件的工艺，其特征在于所述焊接夹具还包括定位块（6），用于定位并固定焊接工件；所述焊接夹具引杆（2）的通孔与校正杆（4）直径差≤0.02mm，校正杆（4）的通孔与不锈钢筒形零件直径差≤0.1mm。