CN107096972B - 一种激光钎焊单层金刚石工具的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光钎焊单层金刚石工具的方法，包括如下步骤：提供金刚石工具的基体；在所述金刚石工具基体的表面涂覆钎料，制得金刚石工具毛坯；提供喷射系统，喷射系统包括料斗和与料斗相连的喷枪；提供金刚石磨粒，将金刚石磨粒置于料斗中；提供激光钎焊系统，激光钎焊系统包括激光发生器与激光钎焊工作头；将激光钎焊工作头与喷枪对准工具毛坯表面；启动激光钎焊系统和喷射系统，并且激光钎焊工作头与喷枪同步移动，使激光钎焊工作头产生的聚焦激光束在前直接辐照到预置的钎料表面从而熔化钎料，在激光光斑后面采用喷枪喷射金刚石磨粒到钎焊熔池中。本发明采用旁轴喷射金刚石磨粒来进行激光钎焊，避免了钎焊时金刚石磨粒烧损氧化和石墨化。

Description

一种激光钎焊单层金刚石工具的方法

技术领域

本发明涉及一种金刚石工具的加工方法，尤其涉及一种激光钎焊单层金刚石工具的方法。

背景技术

在近些年来金刚石工具在工业生产中被广泛应用，新型金刚石工具多为单层钎焊金刚石工具，它利用高温使得钎料在金刚石磨粒、基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，解决了传统单层电镀或多层烧结金刚石工具金刚石磨粒只是被机械包裹的问题，提高了基体对金刚石颗粒的把持力，从根本上改善了磨料、结合剂、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，单层钎焊金刚石工具的制造方法主要有真空炉钎焊、高频感应钎焊和激光钎焊。真空炉中钎焊对于尺寸较大的金刚石工具，基体整体加热时其变形量很难控制，且生产周期长，时间成本及能耗成本较高，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。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，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。

随着近来高亮度、大光斑激光的研制成功，使得激光钎焊技术得到了广泛的应用，激光钎焊金刚石工具成为研究热点。激光钎焊是一种快速加热和快速冷却的焊接方法，可以有效控制基体在钎焊过程中的热变形量，有利于单层钎焊金刚石工具应用于高效精密磨削加工，极大缩短了金刚石工具的制作周期，激光钎焊弥补真空炉中钎焊和高频感应钎焊工艺中存在的问题。

然而激光钎焊金刚石工具时，一般是预置金刚石在钎料中，激光扫描钎料和金刚石混合层，这会导致金刚石的石墨化甚至燃烧，严重影响钎焊层与金刚石之间的结合强度。并且，预置金刚石在钎料中，激光扫描钎料和金刚石混合层，难以实现对金刚石磨粒的有序排布。

在2009年8月5日公开的，公开号为“CN 101130213 A”，发明名称为“一种镍基钎料激光钎焊金刚石磨粒的制造方法”的发明专利公开了一种镍基钎料激光钎焊金刚石磨粒的制造方法，解决了钎焊金刚石工具中金刚石与钎料的结合力小的问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：钎焊时金刚石表面钎料吸收激光，从而使得钎焊后金刚石存在不同形式的烧损氧化和石墨化；另外，金刚石磨粒没有实现有序排布。

在2015年7月29日公开号为“CN 102974910 B”，发明名称为“金刚石砂轮感应钎焊装置及钎焊方法”的发明专利公开了一种金刚石砂轮感应钎焊装置及钎焊方法，解决了金刚石工具钎焊工艺存在的砂轮基体热变形量大和钎焊周期问题，但是该技术方案仍旧存在以下问题：异型面磨料工具感应线圈的设计制作较复杂，金刚石磨粒没有实现有序排布等问题。

发明内容

本发明提供一种激光钎焊单层金刚石工具的方法，其能在激光钎焊金刚石工具过程中避免金刚石热损伤和石墨化，提高钎料与金刚石磨粒界面结合强度。

本发明的技术方案是一种激光钎焊单层金刚石工具的方法，包括如下步骤。

步骤1，提供金刚石工具基体。

步骤2，在所述金刚石工具基体的表面涂覆钎料，制得金刚石工具毛坯。

步骤3，提供喷射系统，喷射系统包括料斗和与料斗相连的喷枪。

步骤4，提供金刚石磨粒，将金刚石磨粒置于料斗中。

步骤5，提供激光钎焊系统，激光钎焊系统包括相互连接的激光发生器与激光钎焊工作头。

步骤6，将激光钎焊工作头与喷枪对准工具毛坯表面。

步骤7，启动激光钎焊系统和喷射系统，并且激光束与喷枪同步移动，使激光钎焊工作头产生的聚焦激光束在前直接辐照到预置的钎料表面从而熔化钎料，在激光光斑后面采用喷枪喷射金刚石磨粒到钎焊熔池中，然后快速冷却，形成钎焊缝。

优选地，步骤1中，还包括对基体的表面进行除锈、抛光、打磨后，再用有机溶剂清洗。

优选地，步骤4中，将金刚石磨粒置于料斗中之前，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。

优选地，步骤6中，激光钎焊工作头倾斜布置，与竖直方向所成夹角α为10°~30°，喷枪与工具毛坯表面所成夹角β为30°~75°。

优选地，步骤6中，喷枪与激光钎焊工作头相连，使得只需控制其中一个即能使两者同步移动。

优选地，步骤3中提供的喷射系统在料斗与喷枪之间设有依次相连的送料器、负压室、输送管，其中，负压室还接有真空发生器，真空发生器还设有输送气体入口，喷枪还设有雾化气体入口，步骤7启动喷射系统的送料器后，料斗中金刚石磨粒输入送料器，输送气体由输送气体入口进入真空发生器，使负压室中产生负压将吸入送料器所输入的金刚石磨粒，同时金刚石磨粒在气流的作用下，通过输送管输送至喷枪，雾化喷射气体通过雾化气体入口进入喷枪，喷枪内产生正压喷射金刚石。

优选地，步骤7中，激光钎焊系统采用矩形光斑扫描钎料，喷射系统配置多个喷射金刚石的喷枪，通过控制各喷枪喷射金刚石磨粒的时序，使得金刚石磨粒排布到金刚石工具表面的特定位置。

优选地，金刚石磨粒喷射时序控制是通过数控装置来实现的。

本发明还提供一种激光钎焊单层金刚石工具的方法，包括如下步骤。

步骤1，利用机械加工的方法制备金刚石工具的基体，对基体的表面进行除锈、抛光、打磨后，再用有机溶剂清洗。

步骤2，在所述金刚石工具基体的表面涂覆钎料，制得金刚石工具毛坯；

步骤3，提供喷射系统，喷射系统包括依次相连的料斗、送料器、负压室、输送管、喷枪，其中，负压室还接有真空发生器，真空发生器还设有输送气体入口及控制输送气体进入输送气体入口的输送气体阀门，喷枪还设有雾化气体入口及控制雾化气体进入雾化气体入口的雾化气体阀门。

步骤4，提供金刚石磨粒，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，将金刚石磨粒置于料斗中。

步骤5，提供激光钎焊系统，激光钎焊系统包括相互连接的激光发生器与激光钎焊工作头。

步骤6，将激光钎焊工作头与喷枪对准工具毛坯表面，激光钎焊工作头倾斜布置，与竖直方向所成夹角α为10°~30°，喷枪与激光钎焊工作头相连，与工具毛坯表面所成夹角β为30°~75°。

步骤7，启动激光钎焊系统，激光束倾斜辐照金刚石工具毛坯表面，启动送料器，打开输送气体阀门，打开雾化气体阀门，金刚石磨粒经喷枪喷射到激光钎焊熔池，激光束与喷枪同步移动，使激光钎焊工作头产生的聚焦激光束在前直接辐照到预置的钎料表面从而熔化钎料，在激光光斑后面采用喷枪喷射金刚石磨粒到钎焊熔池中，完成钎焊过程。

优选地，步骤7中，激光钎焊系统采用矩形光斑扫描钎料，喷射系统配置多个喷射金刚石的喷枪，通过数控装置控制各喷枪喷射金刚石磨粒的时序，使得金刚石磨粒排布到金刚石工具表面的特定位置。

本发明的有益效果在于。

（1）本发明的技术方案中，采用旁轴喷射金刚石磨粒进行激光钎焊（激光束在前直接辐照到预置的钎料表面从而熔化钎料，在激光光斑后面采用喷枪喷射金刚石磨粒到钎焊熔池中），避免了钎焊时预置的金刚石磨粒或其表面钎料对激光束的直接吸收而导致的金刚石磨粒严重烧损氧化和石墨化，提高钎料与金刚石磨粒界面结合强度。

（2）本发明的技术方案中，采用旁轴喷射金刚石磨粒进行激光钎焊，与常规预置金刚石磨粒和钎焊粉相比，在同等钎料和金刚石供给的条件下，激光束熔化的材料层厚大大减小，因此，所需激光束能量大大减小，激光钎焊热输入也大大减小，减小了钎焊过程中金刚石磨粒和工具基体的热损伤。

（3）本发明的技术方案中，采用激光束倾斜辐照金刚石工具毛坯表面，可以增大钎焊熔池在焊接方向的长度，增大了激光束高能量区与金刚石磨粒的作用距离，使得金刚石磨粒的受激光辐照影响更小。

（4）本发明的技术方案中，采用激光钎焊系统与数控装置配合，可以便捷地控制金刚石磨粒喷射时序，使得金刚石磨粒排布到金刚石工具表面的特定位置，从而便捷地实现金刚石磨粒的有序排布。

（5）本发明的技术方案中，激光钎焊利用激光加热使得金属钎料结合剂在金刚石磨粒、基体金属之间发生扩散、冶金化合反应，得到富含碳化物的过渡层，从而相比于非金属结合剂，激光钎焊金属钎料结合剂提高了基体对金刚石颗粒的把持力，从根本上改善了磨料、结合剂、基体三者间的结合强度。

（6）发明的技术方案中，采用氮气作为雾化喷射气体和金刚石颗粒输送气体，对钎焊熔池具有较好的冷却效果，进一步降低金刚石磨粒的热损伤。

（7）本发明的技术方案中，激光钎焊系统极易与现代数控装置匹配，可以实现全方位自动化柔性钎焊加工，大大提高生产效率。金刚石工具钎焊方法无需钎剂，对环境友好。

附图说明

图1 是本发明第一实施例所使用的设备与工具毛坯的示意图。

图2 是图1所示钎焊区域激光束与喷枪位置关系示意图。

图3 是图2中钎焊区域的局部放大图。

图4 是本发明第二实施例中喷枪与矩形光斑位置示意图。

图5 是本发明第二实施例中喷枪喷射时序示意图。

图中：

1—基体， 2—金刚石磨粒，3—预置的钎料。

4—喷射系统

401—料斗，402—送料器，403—负压室，404—真空发生器，405—输送气体入口，406—输送管，407—雾化气体入口，5—喷枪。

5—喷枪

501—1号喷枪，502—2号喷枪，503—3号喷枪。

6—钎焊熔池

601—钎焊熔池1区域，602—钎焊熔池2区域，603—钎焊熔池3区域，604—钎焊熔池4区域，605—钎焊熔池5区域。

7—凝固的钎焊缝，8—激光钎焊工作头，9—激光束，10—矩形光斑，11—同轴保护气，12—激光束与喷枪同步移动方向，13—金刚石磨粒的有序排布。

具体实施方式

以下将结合附图1-5以及具体实施例来对本发明的技术方案进行详细说明。

实施例1。

图1－3是本发明第一实施例的示意图。

本实施例涉及的设备包括激光钎焊系统与喷射系统4。

激光钎焊系统包括相互连接的激光发生器（未图示）与激光钎焊工作头8。

如图1所示，喷射系统4包括料斗401、送料器402、负压室403、真空发生器404、输送气体入口405、输送管406、喷枪5、雾化气体入口407。工作时启动送料器，料斗401中金刚石磨粒2输入送料器402，输送气体由输送气体入口405进入真空发生器404，使负压室403中产生负压将吸入送料器402所输入的金刚石磨粒2，同时金刚石磨粒2在气流的作用下，通过输送管406输送至喷枪5，雾化气体通过雾化气体入口407进入喷枪5，喷枪5内产生正压喷射金刚石磨粒2。

本实施例通过旁轴喷射金刚石磨粒2来进行激光钎焊，激光束9与喷枪5沿图中箭头所示方向12同时移动进行辐照。具体地，如图2-3所示激光束9在前直接辐照到预置的钎料3表面从而熔化钎料，在激光光斑后面采用喷枪5喷射金刚石磨粒2到钎焊熔池6中，然后快速冷却，形成钎焊缝7。为降低金刚石磨粒的热损伤，喷射到钎焊熔池的金刚石磨粒与激光束中心保持一定距离δ。

本实施例提供了一种激光钎焊单层金刚石工具的方法，其步骤包括。

步骤1、利用机械加工的方法制备金刚石工具的基体1，对基体1的表面进行除锈、抛光、打磨后，再用酒精或者丙酮清洗。

该步骤中：基体材质45钢。

步骤2、在所述基体1的表面涂覆钎料3，制得金刚石工具毛坯。

该步骤中：钎料为镍基钎料，钎料层厚度为0.25-0.3mm。

步骤3、提供上述喷射系统。

步骤4、采用浓度为8%的稀硫酸对金刚石磨粒2进行清洗并用去离子水漂洗后烘干，并将所述金刚石磨粒2置于料斗401中。

该步骤中：金刚石磨粒规格为25 ~ 55 目。

步骤5、提供上述激光钎焊系统。

步骤6、激光钎焊工作头8倾斜布置，与竖直方向所成夹角α为10°~30°；喷枪5与激光钎焊工作头8相连，与工具毛坯表面所成夹角β为30°~75°。

步骤7、启动激光钎焊系统，激光束倾斜辐照金刚石工具毛坯表面，启动送料器，打开控制输送气体进入输送气体入口的输送气体阀门，打开控制雾化气体进入雾化气体入口的雾化气体阀门，金刚石磨粒2经喷枪5喷射到激光钎焊熔池6，激光束9与喷枪5同步移动，完成焊接过程。图2与图3示出了这种旁轴喷射金刚石磨粒激光钎焊的过程，图中，激光束9与喷枪5沿图中箭头所示方向12同时移动并进行辐照与喷射，使激光束9在前直接辐照到预置的钎料3表面从而熔化钎料，在激光光斑后面采用喷枪5喷射金刚石磨粒2到钎焊熔池6中，然后快速冷却，形成钎焊缝7。沿激光束9四周喷射有同轴保护气11。

该步骤中。

所述激光束为光纤激光，碟片激光，Nd: YAG 激光或半导体激光器。

激光器平均输出功率为500 ~800 W，脉冲重复频率fl为50~300 Hz，激光束扫描速度v为0.1 ～ 5 m/min、光斑为5 ~ 10mm的大矩形光斑，激光束聚焦镜焦距为200 ~ 400mm，离焦量为[-10 mm，0）和（0，+ 10 mm]。

喷射到钎焊熔池的金刚石与激光束中心保持一定距离δ，距离δ为0.2 ~ 5 mm，金刚石磨粒以速度为0.1～10 m/min经喷枪喷射到钎焊熔池。

同轴保护气11为惰性气体Ar气或He 气，同轴保护气11流量为10 ~ 30 L/min。

金刚石磨粒输送气体为氮气，氮气气压为0.1 ~ 1 Mpa。雾化气体为氮气，氮气气压为0.5 ~ 1.5 Mpa。

该技术方案可用于制作的单层金刚石工具有单层金刚石砂轮、磨盘等。

实施例2。

以下将结合附图4-5对本发明的另一种技术方案进行详细说明。

与上述第一实施例不同之处在于，本实施例中，采用矩形光斑10扫描钎料，配置三个喷射金刚石磨粒2的喷枪形成喷枪组，激光钎焊系统与数控装置配合，控制喷射的时序，可以实现金刚石磨粒2的有序排布，制成金刚石磨粒2有序排布的单层钎焊金刚石工具。

其具体方式如下：如图4所示，采用矩形光斑10扫描钎料，配置三个喷射金刚石磨粒2的喷枪形成喷枪组，所述喷枪组包括1号喷枪501、2号喷枪502、3号喷枪503。各喷枪口径0.2 ~ 0.5 mm，安装在激光钎焊工作头8上，与工具毛坯表面成夹角β，夹角β为30°~75°。如图5所示，激光钎焊工作头8与喷枪组同步沿焊接方向12移动，喷枪组按照预定时序喷射金刚石磨粒。具体地，若金刚石磨粒需按平行四边形排布，则当激光束照射钎焊熔池1区域601时，仅3号喷枪503喷射金刚石磨粒；当激光束照射钎焊熔池2区域602时，3号喷枪503和2号喷枪502同时喷射金刚石磨粒；当激光束照射钎焊熔池3区域603时，3号喷枪503、2号喷枪502和1号喷枪501同时喷射金刚石磨粒；当激光束照射钎焊熔池4区域604时，1号喷枪501和2号喷枪502同时喷射金刚石磨粒；当激光束照射钎焊熔池5区域605时，仅1号喷枪501喷射金刚石磨粒。如此，得到金刚石磨粒的有序排布13。

Claims (8)

1.一种激光钎焊单层金刚石工具的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，提供金刚石工具的基体；

步骤2，在所述金刚石工具基体的表面涂覆钎料，制得金刚石工具毛坯；

步骤3，提供喷射系统，喷射系统包括料斗和与料斗相连的喷枪；

步骤4，提供金刚石磨粒，将金刚石磨粒置于料斗中；

步骤5，提供激光钎焊系统，激光钎焊系统包括相互连接的激光发生器与激光钎焊工作头；

步骤6，将激光钎焊工作头与喷枪对准工具毛坯表面；

步骤7，启动激光钎焊系统和喷射系统，并且激光束与喷枪同步移动，使激光钎焊工作头产生的聚焦激光束在前直接辐照到预置的钎料表面从而熔化钎料，在激光光斑后面采用喷枪通过氮气作为金刚石磨粒输送气体喷射金刚石磨粒到钎焊熔池中，喷射到钎焊熔池的金刚石磨粒部分露出钎焊熔池，且与激光束中心保持一定距离，避免钎焊时预置的金刚石磨粒或其表面钎料对激光束的直接吸收而导致的金刚石磨粒严重烧损氧化，然后快速冷却，形成钎焊缝，将金刚石磨粒固定于基体表面形成金刚石工具，其中，激光钎焊系统采用矩形光斑扫描钎料，喷射系统配置多个喷射金刚石磨粒的喷枪，通过控制各喷枪喷射金刚石磨粒的时序，使得金刚石磨粒排布到金刚石工具表面的特定位置。

2.根据权利要求1所述的激光钎焊单层金刚石工具的方法，其特征在于：步骤1中，还包括对基体的表面进行除锈、抛光、打磨后，再用有机溶剂清洗。

3.根据权利要求1所述的激光钎焊单层金刚石工具的方法，其特征在于：步骤4中，将金刚石磨粒置于料斗中之前，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。

4.根据权利要求1所述的激光钎焊单层金刚石工具的方法，其特征在于：步骤6中，激光钎焊工作头倾斜布置，与竖直方向所成夹角α为10°~30°，喷枪与工具毛坯表面所成夹角β为30°~75°。

5.根据权利要求1所述的激光钎焊单层金刚石工具的方法，其特征在于：步骤6中，喷枪与激光钎焊工作头相连，使得只需控制其中一个即能使两者同步移动。

6.根据权利要求1所述的激光钎焊单层金刚石工具的方法，其特征在于：步骤3中提供的喷射系统在料斗与喷枪之间设有依次相连的送料器、负压室、输送管，其中，负压室还接有真空发生器，真空发生器还设有输送气体入口，喷枪还设有雾化气体入口，步骤7启动喷射系统的送料器后，料斗中金刚石磨粒输入送料器，输送气体由输送气体入口进入真空发生器，使负压室中产生负压将吸入送料器所输入的金刚石磨粒，同时金刚石磨粒在气流的作用下，通过输送管输送至喷枪，雾化喷射气体通过雾化气体入口进入喷枪，喷枪内产生正压喷射金刚石磨粒。

7.根据权利要求1所述的激光钎焊单层金刚石工具的方法，其特征在于：金刚石磨粒喷射时序控制是通过数控装置来实现的。

8.一种激光钎焊单层金刚石工具的方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1，利用机械加工的方法制备金刚石工具的基体，对基体的表面进行除锈、抛光、打磨后，再用有机溶剂清洗；

步骤2，在所述金刚石工具基体的表面涂覆钎料，制得金刚石工具毛坯；

步骤3，提供喷射系统，喷射系统包括依次相连的料斗、送料器、负压室、输送管、喷枪，其中，负压室还接有真空发生器，真空发生器还设有输送气体入口及控制输送气体进入输送气体入口的输送气体阀门，喷枪还设有雾化气体入口及控制雾化气体进入雾化气体入口的雾化气体阀门，输送气体与雾化气体均为氮气；

步骤4，提供金刚石磨粒，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，将金刚石磨粒置于料斗中；

步骤5，提供激光钎焊系统，激光钎焊系统包括相互连接的激光发生器与激光钎焊工作头；

步骤6，将激光钎焊工作头与喷枪对准工具毛坯表面，激光钎焊工作头倾斜布置，与竖直方向所成夹角α为10°~30°，喷枪与激光钎焊工作头相连，与工具毛坯表面所成夹角β为30°~75°；

步骤7，启动激光钎焊系统，激光束倾斜辐照金刚石工具毛坯表面，启动送料器，打开输送气体阀门，打开雾化气体阀门，金刚石磨粒经喷枪喷射到激光钎焊熔池，喷射到钎焊熔池的金刚石磨粒部分露出钎焊熔池，激光束与喷枪同步移动，使激光钎焊工作头产生的聚焦激光束在前直接辐照到预置的钎料表面从而熔化钎料，在激光光斑后面采用喷枪喷射金刚石磨粒到钎焊熔池中，喷射到钎焊熔池的金刚石磨粒与激光束中心保持一定距离，避免钎焊时预置的金刚石磨粒或其表面钎料对激光束的直接吸收而导致的金刚石磨粒严重烧损氧化，然后快速冷却，完成钎焊过程，其中，激光钎焊系统采用矩形光斑扫描钎料，喷射系统配置多个喷射金刚石磨粒的喷枪，通过数控装置控制各喷枪喷射金刚石磨粒的时序，使得金刚石磨粒排布到金刚石工具表面的特定位置。