CN107775193A - 一种双光束激光钎焊金刚石的方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双光束激光钎焊金刚石的方法，包括如下步骤：提供钎焊金刚石的基体，在基体表面设有V型凹槽；在V型凹槽中涂覆用以钎焊金刚石的钎料层；提供钨丝网，钨丝网设有多个网格，用以放置金刚石；将钨丝网放置于钎料上方；将金刚石放入钨丝网的网格中，使金刚石和钎料层有一定接触高度；将两激光头沿焊接方向对称并排式布置；启动激光焊接系统，利用双激光束从金刚石两侧倾斜入射钎料层，进行激光钎焊。本发明还提供一种双光束激光钎焊金刚石的系统。本发明降低了金刚石表面烧损氧化和石墨化，提高钎料层和金刚石之间的结合强度，并避免了金刚石聚集的现象，能得到理想的金刚石排布顺序。

Description

一种双光束激光钎焊金刚石的方法与系统

技术领域

在本发明涉及激光焊接领域，尤其是一种激光钎焊金刚石的方法与系统。

背景技术

在金刚石具有最高的硬度、刚性以及优良的抗磨损、抗腐蚀性和化学稳定性，使金刚石广泛应用于各式各样的磨削工具。目前生产中使用的超硬磨料工具一般是利用多层烧结或单层电镀工艺来制作，磨粒只是被机械地包埋、镶嵌在结合层中，把持力不大，在负荷较重的加工中容易因把持力不足而导致磨料过早脱落，造成浪费。另一方面，在烧结和电镀工具中磨粒的出露高度不大，容屑空间较小，在磨削加工时容易产生磨屑的粘附堵塞，降低工具的加工性能和使用寿命。

由于烧结和电镀磨料工具存在上述缺陷和弊端，许多学者开始研究钎焊工艺来制作单层超硬磨料工具。与多层烧结超硬磨料工具和单层电镀超硬磨料工具相比，钎焊超硬磨料工具在磨料、钎料和基体三者之间能实现冶金化学结合，从而提高了结合强度，工具使用寿命长。另外磨粒的露出高度增大，容屑空间增大，不易堵塞。

这项新技术的制作工艺主要依靠炉中钎焊完成，钎焊工艺过程耗时长可能会引起金刚石磨粒的损伤以及工具基体的变形。此外，钎焊炉的尺寸也限制了制作金刚石磨粒具的尺寸。采用高频感应钎焊，避免了上述工艺的局限性，但升温速度、加热范围等难以控制。

2013年08月07日公开，公告号为CN 103231064 A的发明专利“一种新型镍基钎料钎焊单层金刚石砂轮的制作方法”公开了一种钎焊单层金刚石砂轮的制作方法，该发明通过向Ni-Cr基钎料中加入微细 Al 粉而降低钎焊温度，解决了金刚石的热损伤和基体的变形的问题，但该方法没有解决大尺寸砂轮不能直接进行钎焊的问题。

2015年09月09日公开，公告号为CN 104889518 A的发明专利“单层高温钎焊金刚石砂轮工艺”公开了单层高温钎焊金刚石砂轮工艺，该发明先使用气焊在金属基体上喷涂1mm～1.5mm厚的 Ni-Cr 合金层，解决了合金层和金属基体之间具有浸润性差的问题，但该方法仍旧存在感应钎焊中升温速度、加热范围难以控制等问题。

近些年，由于激光焊接总热输入低、焊接过程迅速、热影响区小等优势而成为国内外焊接领域的一个研究热点，使激光钎焊技术也越来越受到人们的关注。研究发现激光钎焊可以选区加热，热影响区小，便于控制，钎焊后能保证基体(尤其是薄板基体)基本不变形等优点，从而可以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，在进行激光钎焊金刚石实验过程中，发现金刚石会随着熔池一起移动，最后金刚石聚集成堆的现象，导致金刚石热损伤严重，且无法将金刚石钎焊到预设的位置，得不到理想的金刚石排布顺序。此外，一般传统的激光钎焊金刚石的工艺过程中，激光会直接投射到金刚石表面，从而提高了金刚石表面烧损氧化和石墨化的可能性，导致钎料层和金刚石之间的结合强度降低。

发明内容

在本发明的目的是针对上述存在的问题，提供了一种双光束激光钎焊金刚石的方法与系统，以降低金刚石表面烧损氧化和石墨化，提高钎料层和金刚石之间的结合强度。

为实现上述目的，本发明提供一种双光束激光钎焊金刚石的方法，包括如下步骤。

提供钎焊金刚石的基体，在基体表面设有V型凹槽。

在V型凹槽中涂覆钎料层。

提供钨丝网，钨丝网设有多个网格，用以放置金刚石。

将钨丝网放置于钎料上方。

将金刚石放入钨丝网的网格中，使金刚石和钎料层有一定接触高度。

将两激光头沿焊接方向对称并排式布置。

启动激光焊接系统，利用双激光束从金刚石两侧倾斜入射钎料层，进行激光钎焊。

在其中一实施例中，还包括如下步骤：提供用以支撑钨丝网的钨丝网支架，通过钨丝网支架将钨丝网放置于钎料上方。

在其中一实施例中，还包括如下步骤：提供焊接治具，焊接治具包括固定板，固定板连接有滚轮支架，滚轮支架安装有滚轮；滚轮支架上还固定有压紧装置，压紧装置用以通过滚轮支架和滚轮向下施加压力；将金刚石放入钨丝网的网格中后，在金刚石上方设置一压板，并将焊接治具放置到位，压紧装置通过滚轮支架和滚轮对金刚石进行预压。

在其中一实施例中，进行激光钎焊时，滚轮滚动施压于压板。

在其中一实施例中，在V型凹槽中涂覆用以钎焊金刚石的钎料层包括：在所述基体的V型凹槽底部涂覆一层钎料，采用单光束激光预先焊出一打底层，然后在打底层上面涂覆用以钎焊金刚石的钎料层。

本发明还提供一种双光束激光钎焊金刚石的系统，包括固定装置、焊接治具与激光焊接系统，固定装置包括用以放置基体的工作台以及钨丝网，钨丝网设有多个用以放置金刚石的网格；焊接治具包括固定板、连接于固定板的滚轮支架与压紧装置，以及安装于滚轮支架上的滚轮，压紧装置用以通过滚轮支架和滚轮向下施加压力，滚轮用于滚动施压于金刚石；激光焊接系统包括第一激光头与第二激光头，第一激光头与第二激光头聚焦形成的双激光束用以从金刚石两侧倾斜入射钎料层，第一激光头与第二激光头与焊接治具固定连接。

在其中一实施例中，还包括一压板，用以设置于金刚石上方，滚轮通过滚动施压于压板来对金刚石施压。

在其中一实施例中，固定板上还固定有用以输送保护气体的第一喷嘴与第二喷嘴，第一喷嘴与第二喷嘴分别对准第一激光头与第二激光头聚焦发射的激光焊接的位置。

在其中一实施例中，还包括用以支撑钨丝网的钨丝网支架，通过钨丝网支架将钨丝网设置于钎料上方，且使得金刚石和钎料层有一定接触高度。

在其中一实施例中，第一激光头与第二激光头沿焊接方向对称并排式布置，第一激光头与第二激光头聚焦形成的激光束中心线与基体法线的夹角β在10°-45°之间可调，使双激光束从金刚石两侧倾斜入射钎料层。

本发明的有益效果在于：本发明采用双激光束从金刚石两侧进行钎焊，且激光束不直接接触金刚石，从而降低了金刚石表面烧损氧化和石墨化，提高钎料层和金刚石之间的结合强度。另外，钎焊之前采用钨丝网将金刚石固定，避免金刚石聚集的现象，得到理想的金刚石排布顺序。

附图说明

图1为本发明实施例双光束激光钎焊金刚石的系统示意图。

图2为图1所示系统中焊接区域横截面示意图。

图3为使用本发明实施例双光束激光钎焊金刚石方法制得的第一种焊后成型产品示意图。

图4为使用本发明实施例双光束激光钎焊金刚石方法制得的第二种焊后成型产品示意图。

图中：1.工作台 2.基体 3.钨丝网支架 4.压板 5.固定板 6.第一喷嘴 7.第一激光头 8.第一激光束 9.滚轮支架 10.压紧装置 11.第二激光头 12.第二喷嘴 13.第二激光束 14.滚轮 15.V型凹槽 16.打底层 17.钎料层 18.金刚石 19.钨丝网 20.焊接方向21.焊缝。

具体实施方式

下面结合附图及实例，对本发明做进一步说明。

本实施例中，如图1、图2所示，本发明实施例提供一种双光束激光钎焊金刚石的方法，其包括如下步骤。

步骤1、提供钎焊金刚石18的基体2，该基体2可利用机械加工的方法制得，在基体2表面铣出一V型凹槽15，V型凹槽15夹角α为45°-90°。提供钨丝网19以及用以支撑钨丝网19的钨丝网支架3，钨丝网19设有多个网格，用以放置金刚石18。

步骤2、对基体2的表面进行除锈、抛光后再进行酒精冲洗，用酒精对钨丝网19以及钨丝网支架3进行冲洗。

步骤3、提供焊接治具，焊接治具包括T型固定板5，T型固定板5竖边连接有滚轮支架9，滚轮支架9安装有滚轮14。滚轮支架9上固定有压紧装置10，压紧装置10可通过滚轮支架9和滚轮14向下施加压力。

步骤4、通过T型固定板5横边与第一激光头7、第二激光头11配合来将焊接治具固定在激光头上，且将输送保护气体的第一喷嘴6、第二喷嘴12固定在T型固定板5上，且各喷嘴分别对准对应激光头聚焦发射的激光焊接的位置。

步骤5、将基体2放置在工作台上，在所述基体2的V型凹槽15底部涂覆一层钎料，采用单光束激光预先焊出一打底层16，然后在打底层16上面涂覆用以钎焊金刚石的钎料层。

步骤6、将钨丝网支架3通过螺纹孔固定在工作台上，然后将钨丝网19固定在钨丝网支架3上。

步骤7、采用浓度为8％的稀硫酸对金刚石18进行清洗并用去离子水漂洗后烘干。

步骤8、将金刚石18放入钨丝网19的网格中，金刚石18上方设置一压板4，并将焊接治具放置到位，通过压紧装置10对金刚石18进行预压，使金刚石18和钎料层17有一定接触高度。

步骤9、将两激光头沿焊接方向20对称并排式布置，第一激光头7、第二激光头11分别聚焦形成的第一激光束8、第二激光束13的中心线与基体2法线的夹角β可调节，β为10°-45°。

步骤10、启动激光焊接系统，利用双激光束从金刚石18两侧倾斜入射钎料层17，进行激光钎焊，同步地，滚轮14滚动施压于压板4，完成激光钎焊过程。

如图1、图2所示，本发明实施例还提供一种双光束激光钎焊金刚石18的系统，包括固定装置、焊接治具与激光焊接系统，固定装置包括用以放置基体2的工作台以及钨丝网19，钨丝网19设有多个用以放置金刚石18的网格；焊接治具包括固定板5、连接于固定板5的滚轮支架9与压紧装置10，以及安装于滚轮支架9上的滚轮14，压紧装置10用以通过滚轮支架9和滚轮14向下施加压力，滚轮14用于滚动施压于金刚石18；激光焊接系统包括第一激光头与第二激光头，第一激光头与第二激光头聚焦形成的双激光束用以从金刚石18两侧倾斜入射钎料层17，第一激光头与第二激光头与焊接治具固定连接。

在本实施例中，还可包括一压板4，用以设置于金刚石18上方，滚轮通过滚动施压于压板4来对金刚石18施压。

在本实施例中，固定板5上还固定有用以输送保护气体的喷嘴，喷嘴对准激光焊接的位置。

在本实施例中，还包括用以支撑钨丝网19的钨丝网支架3，通过钨丝网支架3将钨丝网19设置于钎料上方，且使得金刚石18和钎料层17有一定接触高度。

在本实施例中，第一激光头与第二激光头沿焊接方向20对称并排式布置，第一激光头与第二激光头聚焦形成的激光束中心线与基体2法线的夹角β在10°-45°之间可调，使双激光束从金刚石18两侧倾斜入射钎料层17。

使用本发明实施例双光束激光钎焊金刚石方法制得的焊后成型产品可以是单排金刚石结构（如图3），也可以是多排金刚石结构（如图4），均包括具有V形凹槽15的基体2，V形凹槽15内形成有焊缝21，焊缝21中嵌设有多个成排排列的金刚石18。

相对于现有技术，本发明实施例方案具有如下特点。

1、本方案采用双激光是从金刚石两侧同时进行钎焊，两束激光形成的熔池合二为一，同时冷却收缩，有利于应力和变形的控制。另外，双激光束几乎没有直接接触金刚石，从而降低了金刚石表面烧损氧化和石墨化的程度，增强了钎料层和金刚石之间的结合强度。

2、本方案利用钨丝网固定金刚石，从而可以防止金刚石在钎焊的过程中伴随熔池一同移动，预防金刚石聚集成堆的现象，从而得到理想的金刚石排布顺序。

3、本方案中金刚石是放置于基体表面的凹槽中，避免了熔融钎料向外围铺展，使得熔融钎料合金主动向金刚石表面流动铺展，从而提高了钎料对金刚石的润湿能力，得到的金刚石和钎料层结合强度更高。

4、本方案中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。

Claims (10)

1.在一种双光束激光钎焊金刚石的方法，其特征在于，包括如下步骤：

提供钎焊金刚石的基体，在基体表面设有V型凹槽；

在V型凹槽中涂覆用以钎焊金刚石的钎料层；

提供钨丝网，钨丝网设有多个网格，用以放置金刚石；

将钨丝网放置于钎料上方；

将金刚石放入钨丝网的网格中，使金刚石和钎料层有一定接触高度；

将两激光头沿焊接方向对称并排式布置；

启动激光焊接系统，利用双激光束从金刚石两侧倾斜入射钎料层，进行激光钎焊。

2.根据权利要求1所述的双光束激光钎焊金刚石的方法，其特征在于，还包括如下步骤：提供用以支撑钨丝网的钨丝网支架，通过钨丝网支架将钨丝网放置于钎料上方。

3.根据权利要求1所述的双光束激光钎焊金刚石的方法，其特征在于，还包括如下步骤：提供焊接治具，焊接治具包括固定板，固定板连接有滚轮支架，滚轮支架安装有滚轮；滚轮支架上还固定有压紧装置，压紧装置用以通过滚轮支架和滚轮向下施加压力；将金刚石放入钨丝网的网格中后，在金刚石上方设置一压板，并将焊接治具放置到位，压紧装置通过滚轮支架和滚轮对金刚石进行预压。

4.根据权利要求3所述的双光束激光钎焊金刚石的方法，其特征在于，进行激光钎焊时，

滚轮滚动施压于压板。

5.根据权利要求1所述的双光束激光钎焊金刚石的方法，其特征在于，在V型凹槽中涂覆钎料层包括：在所述基体的V型凹槽底部涂覆一层钎料，采用单光束激光预先焊出一打底层，然后在打底层上面涂覆用以钎焊金刚石的钎料层。

6.一种双光束激光钎焊金刚石的系统，其特征在于，包括固定装置、焊接治具与激光焊接系统，固定装置包括用以放置基体的工作台以及钨丝网，钨丝网设有多个用以放置金刚石的网格；焊接治具包括固定板、连接于固定板的滚轮支架与压紧装置，以及安装于滚轮支架上的滚轮，压紧装置用以通过滚轮支架和滚轮向下施加压力，滚轮用于滚动施压于金刚石；激光焊接系统包括第一激光头与第二激光头，第一激光头与第二激光头聚焦形成的双激光束用以从金刚石两侧倾斜入射钎料层，第一激光头、第二激光头与焊接治具固定连接。

7.根据权利要求6所述的双光束激光钎焊金刚石的系统，其特征在于，还包括一压板，用以设置于金刚石上方，滚轮通过滚动施压于压板来对金刚石施压。

8.根据权利要求6所述的双光束激光钎焊金刚石的系统，其特征在于，固定板上还固定有用以输送保护气体的第一喷嘴与第二喷嘴，第一喷嘴与第二喷嘴分别对准第一激光头与第二激光头聚焦发射的激光焊接的位置。

9.根据权利要求6所述的双光束激光钎焊金刚石的系统，其特征在于，还包括用以支撑钨丝网的钨丝网支架，通过钨丝网支架将钨丝网设置于钎料上方，且使得金刚石和钎料层有一定接触高度。

10.根据权利要求6所述的双光束激光钎焊金刚石的系统，其特征在于，第一激光头与第二激光头沿焊接方向对称并排式布置，第一激光头与第二激光头聚焦形成的激光束中心线与基体法线的夹角β在10°-45°之间可调，使双激光束从金刚石两侧倾斜入射钎料层。