CN105479025A - 一种超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法 - Google Patents

一种超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其步骤包括：步骤1、采用机械加工的方法制备砂轮的基体；步骤2、在所述砂轮基体的表面涂覆钎焊料；步骤3、采用稀硫酸对金刚石磨粒进行清洗并用去离子水漂洗后烘干；步骤4、采用激光束对金刚石磨粒进行激光表面毛化处理；步骤5、制备金刚石砂轮成型毛坯；步骤6、对金刚石磨粒的表面进行除油和清灰处理；步骤7、在加热炉中对砂轮成型毛坯加热保温；步骤8、加热的砂轮成型毛坯进行超声辅助激光钎焊，制成单层钎焊金刚石砂轮。该发明提出的加热保温有助于释放金刚石磨粒与钎焊料之间的应力，同时，能够在高温保温过程后，结合不紧密的金刚石磨粒会自行脱落，从而防止焊接后形成潜在的缺陷。

Description

一种超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法
技术领域
本发明涉及一种金刚石工具的加工方法，尤其涉及一种超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法。
背景技术
金刚石工具在工业生产中的广泛应用，极大提升了加工制造业的总体水平和能力，但同时也使得它们的一些原本未被重视的弊端开始逐步暴露出来，不论是单层电镀的还是多层烧结的金刚石工具，磨料只是被机械包埋镶嵌在镀层或胎体金属中，其界面缺乏结合力，在负荷较重的高效磨削作业中，砂轮磨粒或镀层易脱落；为增加把持力就必须增加结合剂层厚度，又会带来磨粒裸露高度和容屑空间减小，砂轮容易堵塞，切削效率不高等问题。
新一代的金刚石工具多为利用钎焊工艺的单层金刚石工具，它利用高温钎焊料使得钎焊料在金刚石颗粒、胎体金属之间发生扩散、冶金化合反应，从而得到富含碳化物的过度层，提高了胎体对金刚石颗粒的把持力，从根本上改善了磨料、结合剂(钎焊料合金)、基体三者间的结合强度。与传统的单层电镀工具相比，钎焊工具在磨粒出露高度、磨削力、工具寿命等方面具有明显的优势。
目前，单层钎焊金刚石砂轮的制造方法主要依靠真空炉中钎焊和高频感应钎焊来完成的，然而在金刚石工具的研制过程中发现这两种制造工艺都存在不同的局限性。真空炉中钎焊对于大尺寸砂轮，基体承受整体加热时其变形量的控制十分困难，设备成本较高且生产周期长，费时耗能，金刚石磨粒长时间处于较高温度环境中，其热损伤的危险性加大。
2013年8月21日公告号CN102059660B发明专利“一种适用于超高速磨削的组合式钎焊超硬磨料砂轮基体”公开了一种适用于超高速磨削的组合式钎焊超硬磨料砂轮制作方法，将镶块单独钎焊完成了之后再组装成为最终的金刚石砂轮。解决了大尺寸砂轮的不能直接钎焊的问题，但由于镶块装配过程中存在误差，导致金刚石砂轮的整体精度不高。此外，采用高频感应钎焊，设备成本低，加热、冷却速度快，可以使钎焊周期大为缩短，避免了真空炉中钎焊工艺的一些局限性，但其升温速度、加热范围受线圈形状影响，特别是对于大型、异型面磨料工具，其感应线圈的设计、制作也较复杂。
2015年7月29日公告号CN102974910B发明专利“金刚石砂轮感应钎焊装置及钎焊方法”公开了一种金刚石砂轮感应钎焊装置及钎焊方法，解决了当前真空炉中钎焊工艺存在的钎焊周期长、砂轮基体热变形量大等问题，仍存在异型面磨料工具感应线圈的设计制作较复杂的问题。
近些年来，国内外的研究者提出了激光钎焊金刚石工具的制造工艺，其出发点是利用激光热源能量密度高，升、降温速度快，可以局部加热，热影响区小，便于控制等优点弥补真空炉中钎焊和高频感应钎焊工艺中存在的上述问题。然而，目前国内外研究者在金刚石激光钎焊工艺中采用的激光主要是波长为10.6μm的CO2激光，金刚石对这个波长的激光有一定吸收，当激光能量过高时，钎焊后金刚石存在不同形式的烧损氧化和石墨化。金刚石表面石墨化层的存在严重影响钎焊层与金刚石之间的结合强度。
发明内容
本发明的目的是针对上述存在问题，提供了一种超声辅助激光钎焊单层金刚石砂轮的方法，该方法采用短波长激光进行钎焊，钎焊过程中同时施加超声波，消除了金刚石热损伤和石墨化，加速了钎焊熔池传热传质，减少了界面反应时间，提高了钎焊料与金刚石磨粒界面结合强度。
本发明的技术方案是一种超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其步骤包括：
步骤1、利用机械加工的方法制备金刚石砂轮的基体，对砂轮基体的表面进行除锈、抛光后，再进行酒精冲洗；
步骤2、在所述砂轮基体的表面涂覆钎焊料；
步骤3、采用浓度为8％的稀硫酸对金刚石磨粒进行清洗并用去离子水漂洗后烘干；
步骤4、采用短脉冲光纤激光对待嵌入钎焊料中的金刚石磨粒表面进行激光毛化处理；
步骤5、将毛化处理后的金刚石磨粒排布在钎料层的表面，通过环状弹性压紧块将金刚石磨粒压入钎料层，制得砂轮成型毛坯；
步骤6、用工业酒精或丙酮对砂轮成型毛坯表面出露的金刚石磨粒的表面进行除油和清灰处理；
步骤7、将砂轮成型毛坯放到加热炉中至300℃～500℃，并保温30min；
步骤8、利用激光加工设备对加热的砂轮成型毛坯进行超声辅助激光钎焊，制成单层钎焊金刚石砂轮。
本发明的有益效果在于：
该发明的技术方案中，由于采用短波长激光进行钎焊，金刚石的热损伤和石墨化很小。万一在焊接过程中金刚石发生了热损伤形成石墨化层，可以通过同步施加的超声波进行破除。同时在超声波的辅助下钎焊熔池传热传质加快，减少金刚石与熔融钎焊料界面反应时间，提高熔融钎焊料与金刚石磨粒界面结合强度。
除此之外，激光钎焊是一种快速加热和快速冷却的焊接方法，可以有效控制砂轮基体在钎焊过程中的热变形量，有利于单层钎焊金刚石砂轮应用于高效精密磨削加工，极大缩短了金刚石砂轮的制作周期。
对纯激光钎焊金刚石砂轮工具，通常选择大光斑激光束来获得较大的铺展面积，但是光斑越大，同等条件相爱所需激光功率越高，大大增加了制造成本；二采用该发明方法，由于超声波振动可以提高钎焊料的润湿铺展性，从而，可以采用小光斑小功率激光束施焊，一方面节省了成本，另一方面，也减小了金刚石磨粒的热损伤。
该发明中超声变幅杆没有与工件直接接触，使这一方法的使用范围更加广泛，便于实现全方位自动化柔性钎焊加工，提高生产效率。
该发明提出的加热保温有助于释放金刚石磨粒与钎焊料之间的应力，同时，能够在高温保温过程后，结合不紧密的金刚石磨粒会自行脱落，从而防止焊接后形成潜在的缺陷。金刚石砂轮钎焊方法无需钎剂，对环境友好。
附图说明
图1是超声波辅助激光钎焊金刚石砂轮示意图；
图2是附图1中钎焊区域的局部放大图；
其中：1、砂轮，2、超声变幅杆，3、激光束，4、激光头与超声变幅杆扫描方向，5、同轴保护气体，6、金刚石磨粒，7、凝固的钎焊缝，8、钎焊熔池，9、钎焊料。
具体实施方式
以下将结合附图1-2对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，超声变幅杆2与激光束3固定在一起，且两者之间成一夹角α，焊接过程中两者同时移动。
砂轮1按图示方向步进间歇转动，激光束3与超声变幅杆2沿砂轮1轴向往返扫描进行钎焊。具体地，激光束3直接照射到预制的钎焊料9和金刚石磨粒6表面，同时经超声变幅杆2对钎焊熔池8施加超声波。
该实施例提供了一种超声辅助激光钎焊单层金刚石砂轮的方法，该方法采用短波长激光进行钎焊，金刚石磨粒6对这类波长激光束3吸收率极低，使得激光钎焊过程中金刚石磨粒6的热损伤和石墨化很小。
激光钎焊过程中同时施加超声波，激光束与超声变幅杆之间的角度α为15°-60°。利用超声波的空化作用和破碎作用可以破除实际操作过程中金刚石磨粒6石墨化层。
除此之外，超声波的振动效果还可以加速钎焊熔池8传热传质，减少金刚石磨粒6与熔融钎焊料界面反应时间，最终实现钎焊料9与金刚石磨粒6磨粒界面高强度结合。
该实施例提供了一种超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其步骤包括：
步骤1、利用机械加工的方法制备金刚石砂轮的基体，对砂轮基体的表面进行除锈、抛光，再进行酒精冲洗；
该步骤中：砂轮基体材质为低碳钢，如Q235,45钢等。
步骤2、在所述砂轮基体的表面涂覆钎焊料9。
该步骤中：钎焊料为Ni-Cr合金或Cu-Sn合金或Ag-Cu合金钎焊料。
优选地，在钎焊料9中加入一种或数种低蒸汽压、低熔点的合金元素Si(1.5～2.5wt％)、In(2～7wt％)、Ga(0.5～1.5wt％)，可以明显改善超声波在钎焊料9中的声空化效应，促进钎焊料9与金刚石磨粒6的界面反应过程。
优选地，将稀土元素La(镧)和Ce(铈)以10：1混合经高能球磨处理10小时后得到的混合粉末，加入钎焊料9中，可以明显改善液态钎焊料9与金刚石磨粒6之间界面的浸润性，加快钎焊料9与金刚石磨粒6的界面反应过程，试验表明这一方法对熔化温度较高的Ni-Cr钎焊料会取得意料不到的技术效果。
步骤3、采用浓度为8％的稀硫酸对金刚石磨粒进行清洗并用去离子水漂洗后烘干；
该步骤中：金刚石磨粒大小为50-120目。
步骤4、采用短脉冲光纤激光对待嵌入钎焊料中的金刚石磨粒6表面进行激光毛化处理；
其中：短脉冲光纤激光波长1.07μm，脉冲频率3500Hz，平均输出功率500W，经过毛化处理获得的金刚石磨粒，经试验证明非常利于金刚石磨粒6石墨化层在超声波作用下得到有效破除，提高钎焊料与金刚石磨粒的界面结合强度。
步骤5、将毛化处理后的金刚石磨粒排布在所述钎料层的表面，通过环状弹性压紧块将金刚石磨粒压入钎料层，同时把钎焊料压紧，制得砂轮成型毛坯。
该步骤中：作用在环状弹性压紧块的压力为0.05MPa～0.3MPa，保持时间为5s～15s。
步骤6、用工业酒精或丙酮对砂轮成型毛坯表面出露的金刚石磨粒表面进行除油和清灰处理。
步骤7、将砂轮成型毛坯放到加热炉中至300℃～500℃，并保温30min。
步骤8、利用激光加工设备对加热的砂轮成型毛坯进行超声辅助激光钎焊，制成单层钎焊金刚石砂轮。
该步骤中：激光加工设备为激光加工机床或激光加工机器人系统。
砂轮回转装置的转速范围在0.05rpm～0.5rpm之间连续可调。
激光器为光纤激光器或碟片激光器，工作方式为脉冲波形。
激光器平均输出功率为500W～800W，脉冲重复频率fl为50Hz～300Hz，激光束扫描速度v为0.5m/min～2m/min、光斑直径为0.4mm～2mm，激光束聚焦镜焦距为200mm～400mm，离焦量为[-10mm，0)和(0，+10mm]。
超声波工作频率fu为20kHz～100kHz，振幅为5μm～30μm。
大量试验分析总结发现，超声波工作频率应与激光脉冲频率和焊接速度相匹配，其比值K1(K1＝fu/v)和K2(K2＝fu/fl)分别为10～100和200～400。
超声变幅杆末端中心与激光束中心之间距离d控制在5mm～10mm，超声变幅杆末端面与钎料层表面之间距离D控制在10mm～20mm。
同轴保护气体为惰性气体Ar气或He气，优选地，选择Ar气和He气两者混合气体，按Ar：He体积比例为80:20时，保护效果非常好，钎焊缝表面光亮，金刚石热损伤非常小。同轴保护气体流量10l/min～30l/min。
优选地，施焊环境湿度为70％～95％。
该技术方案除用于制作单层金刚石砂轮外，还可用于制作其他单层金刚石工具，如磨盘、钻头、串珠、绳锯等。

Claims (9)

1.一种超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其步骤包括：
步骤1、利用机械加工的方法制备金刚石砂轮的基体，对砂轮基体的表面进行除锈、抛光后，再进行酒精冲洗；
步骤2、在所述砂轮基体的表面涂覆钎焊料(9)；
步骤3、采用浓度为8％的稀硫酸对金刚石磨粒(6)进行清洗并用去离子水漂洗后烘干；
步骤4、采用短脉冲光纤激光对待嵌入钎焊料(9)中的金刚石磨粒(6)表面进行激光毛化处理；
步骤5、将毛化处理后的金刚石磨粒(6)排布在钎料层的表面，通过环状弹性压紧块将金刚石磨粒(6)压入钎料层，制得砂轮成型毛坯；
步骤6、用工业酒精或丙酮对砂轮成型毛坯表面出露的金刚石磨粒(6)的表面进行除油和清灰处理；
步骤7、将砂轮成型毛坯放到加热炉中至300℃～500℃，并保温30min；
步骤8、利用激光加工设备对加热的砂轮成型毛坯进行超声辅助激光钎焊，制成单层钎焊金刚石砂轮。
2.根据权利要求1所述的超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其特征在于：步骤1中，砂轮基体材质为低碳钢。
3.根据权利要求1所述的超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其特征在于：
步骤2中，钎焊料为Ni-Cr合金或Cu-Sn合金或Ag-Cu合金钎焊料。
4.根据权利要求1所述的超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其特征在于：
步骤2中，在钎焊料(9)中加入合金元素Si或Ga。
5.根据权利要求1所述的超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其特征在于：
步骤2中，将稀土元素La和Ce以质量比10：1混合后，经高能球磨处理10小时得到的混合粉末加入钎焊料(9)中。
6.根据权利要求1所述的超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其特征在于：
步骤4中，短脉冲光纤激光波长1.07μm，脉冲频率3500Hz，平均输出功率500W。
7.根据权利要求1所述的超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其特征在于：
步骤8中，砂轮回转装置的转速范围在0.05rpm～0.5rpm；激光器为光纤激光器或碟片激光器，工作方式为脉冲波形；激光器平均输出功率为500W～800W，脉冲重复频率为50Hz～300Hz，激光束扫描速度为0.5m/min～2m/min、光斑直径为0.4mm～2mm，激光束聚焦镜焦距为200mm～400mm；超声波工作频率为20kHz～100kHz，振幅为5μm～30μm。
8.根据权利要求1所述的超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其特征在于：
步骤8中，同轴保护气体为惰性气体：Ar气或He气。
9.根据权利要求1所述的超声辅助激光钎焊金刚石工具的方法，其特征在于：
步骤8中，同轴保护气体为Ar气和He气两者混合气体，按Ar：He体积比为80:20时，同轴保护气体流量10l/min～30l/min。
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