CN110370467B - 一种降低切割阻力的激光焊接片及其制备工艺 - Google Patents

一种降低切割阻力的激光焊接片及其制备工艺 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种降低切割阻力的激光焊接片及其制备工艺，属于金刚石加工工具和焊接技术领域。该激光焊接片包括锯片基体和金刚石刀头，相邻金刚石刀头之间具有间隔并形成槽口，该槽口延伸至基体平面内形成多个排屑槽，用于切割废料的排出。同时通过优化刀头原料粉末组成及制备工艺，提高胎体材料与金刚石颗粒之间的把持力，通过优化激光焊接工艺提升刀头和基体的结合力，从而提高作业安全系数。本发明激光焊接片还能够降低能耗，节约成本。

Description

一种降低切割阻力的激光焊接片及其制备工艺
技术领域
本发明涉及金刚石加工工具和焊接技术领域，具体涉及一种降低切割阻力的激光焊接片及其制备工艺。
背景技术
在当今高速发展经济的大背景下，低碳环保已经成为大势所趋，在浇筑混凝土路面和工程施工过程中，随着用工成本的提升，高效节能的工具势必受到用户的青睐。
基础建设离不开金刚石锯片，金刚石锯片是一种切割工具，广泛应用于混凝土、耐火材料、石材、陶瓷等硬脆材料的切割加工，装有金刚石锯片的切割机在高速切割混凝土路面等材料时，锯片进行高速旋转切割。金刚石锯片主要由两部分组成：基体与刀头，基体是粘结刀头的主要支撑部分，而刀头则是在使用过程中起切割作用的部分，刀头会在使用中不断地消耗掉，而基体则不会，刀头之所以能起切割的作用是因为其中含有金刚石，金刚石作为目前最硬的物质，它在刀头中摩擦切割被加工对象，而金刚石颗粒则由金属包裹在刀头内部。
金刚石锯片中的金刚石颗粒在切入切出时承受冲击载荷，比较突出的颗粒和晶粒会过早消耗掉；交变的切削力使金刚石颗粒在结合剂中不断的被晃动而产生松动。同时，锯切过程中的结合剂本身的磨损和锯切热使结合剂软化。这就使结合剂的把持力下降，当颗粒上的切削力大于把持力时，金刚石颗粒就会脱落。
另外，金刚石锯片切割时温度升高，磨粒磨削点温度一般在250～700℃之间。温度的升高会造成金刚石与胎体的热应力增大而导致金刚石颗粒过早脱落。
在实际应用中，如，老混凝土路面和楼板混凝土构造复杂，各种硬材料在内部无法发觉，锯片高速旋转切割，进刀速度稍有控制不当还可能造成锯片掉齿伤人，目前研发人员主要从提升刀头与基体结合力的方向出发，以在高速冲击切割时刀头能够牢固的对抗钢筋等高韧性材料的冲击。
同时为适应高效节能的使用要求，希望金刚石锯片能够降低能耗，相对生产厂家使该类产品成本更经济，市场竞争力更强，从而获得更好的经济效益，相对于广大用户来说更加经济实惠，并且能更高效的满足使用，从广义来说，该产品可以降低整个金刚石锯片行业的生产成本，降低电能的浪费和金刚石、金属粉末的过度消耗。
发明内容
本发明的目的在于提供一种低切割阻力的激光焊接片及其制备工艺，通过特设计激光焊接片的宏观结构降低切割时的冲击阻力，同时通过优化刀头原料粉末组成及制备工艺，提高胎体材料与金刚石颗粒之间的把持力，通过优化激光焊接工艺提升刀头和基体的结合力，从而提高作业安全系数。本发明激光焊接片还能够降低能耗，节约成本。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种降低切割阻力的激光焊接片，该激光焊接片包括锯片基体和金刚石刀头，所述锯片基体为圆形片状结构，金刚石刀头为多个，多个金刚石刀头均匀焊接于锯片基体外边缘上；所述锯片基体的中心开设轴孔，用于激光焊接片的安装；相邻金刚石刀头之间具有间隔并形成槽口，该槽口延伸至基体平面内形成多个排屑槽，用于切割废料的排出。
所述槽口沿直线或曲线向基体平面上延伸，所形成的排屑槽的末端设计为圆孔结构，该圆孔结构的直径大于排屑槽的宽度。
所述金刚石刀头为梯形板状结构，其沿基体径向的截面为梯形；该金刚石刀头与基体焊接的一面(内侧面)呈弧形，弧度与基体外边缘处的弧度相适应；该金刚石刀头的板厚度大于基体厚度。
所述金刚石刀头的内侧面与基体外边缘相焊接，金刚石刀头的外侧面的面积小于内侧面的面积。
所述金刚石刀头上具有一个切角，切角所在平面与该切角所连接的内侧平面之间的夹角为30～70°。
所述锯片基体上还设有弧形散热槽，散热槽环绕轴孔设计，且排屑槽末端的圆孔结构位于散热槽与金刚石刀头之间。
所述锯片基体的材质为30CrMo钢，硬度34～38HRC；所述金刚石刀头是将原材料粉末混合均匀后，经热压烧结成型制成；按重量份数计，金刚石刀头所用原材料的组成为：
铁31-41份，镍18-24份，钴10-18份，钨10-14份，铬5-8份，钼15-20份，锡12-15份，磷合金1.3-2.4份，液体石蜡0.9-1.5份，金刚石1.1-2.3份；
所述金刚石刀头按重量份数计的原材料组成优选为：
铁35-40份，镍20-22份，钴15-18份，钨12-13.5份，铬6-8份，钼16-18份，锡14-15份，磷合金1.6-2.2份，液体石蜡1.0-1.3份，金刚石1.3-2.0份；
所述磷合金中，磷含量为4-10wt.％，其余为铁；所述金刚石刀头原材料中，金刚石的粒度为40/50目或50/60目，金刚石的抗压强度25-40kg。
所述低切割阻力的激光焊接片的制备工艺，包括如下步骤：
(1)基体加工：
根据图纸要求，通过机械加工制备所需结构的磨轮基体；
(2)金刚石刀头的烧结成型：
采用热压烧结技术制备金刚石刀头：将刀头原材料按照所需比例混合，混合均匀后先进行冷压成型，然后热压烧结，最后经砂轮砂带打磨获得所述金刚石刀头；其中，所述热压烧结过程中，烧结温度为780～800℃，烧结压力为300～350kg/cm2，保温时间3～4分钟。
(3)激光焊接：
将金刚石刀头放在基体上相应位置上，将激光焊接机的光点调整到刀头与基体合适的位置，启动激光焊接机焊接，使刀头和基体在激光穿透的瞬间焊接在一起；采用CO2激光器，激光光斑直径0.3-0.5mm，激光功率1200W，焊接速度1.1m/min，离焦量-1mm，偏移量0.15mm；保护气体为氩气，保护气流量3L/min；
(4)打磨、喷漆、检验
将焊接后低切割阻力的新型激光焊接片先将刀头内侧面喷砂，然后用专用砂轮打磨金刚石刀头的工作面，并使金刚石暴露出来，将焊接后低切割阻力的新型激光焊接片用磨光机打磨基体表面光亮，然后以600N/mm2强度标准对每个金刚石刀头进行安全焊接强度检测，不合格返工，合格则进行表面喷漆，烘干，以防止表面生锈，最后丝印，激光打标，包装，入库。
本发明有以下优点：
1、通过金刚石刀头制作改良设计，将锯片切割方向的两个直角部分中的一个设计成特定角度的切角，可以降低和缓冲切割过程中带来的冲击阻力。
2、由于该锯片刀头和排屑孔的优化设计，使得切割过程中既降低了切割阻力，同时排屑孔又把切割缝中的泥沙等材料快速排除，通过切割测试发现，该低阻力锯片切割电流比同等级锯片更小，消耗电能更少。
3、本发明特别采用激光焊接，使刀头与基体之间形成冶金结合，结合强度更高，安全性能更好，保证刀头在高速冲击切割时刀头能够牢固的对抗钢筋等高韧性材料的安全切割。
4、本发明刀头胎体材料中加入W、Mo、Cr，同时不使用Cu元素，能够大幅降低热膨胀系数并提高熔点，本申请中W、Mo、Cr都具有较低的热膨胀系数，从而使烧结后的胎体材料的热膨胀系数降低，在锯割温度升高时尽可能的减小由于金钢石颗粒与胎体材料在升温后热膨胀程度不同而产生的热应力，从而提高刀头中金刚石颗粒与胎体材料的握持力，即提高金刚石颗粒与胎体材料之间的结合力。
5、虽然铜基粘结剂具有烧结温度低、韧性较高的优势，但其自身强度、硬度较低，与金刚石结合强度低，且其热膨胀系数远高于W、MO等。因此本申请胎体材料中未使用铜，而是通过加入适量的热膨胀系数低的W、Ni作为骨架金属，配以适量的钴以提高强度、硬度及结合特性，并加入少量熔点低、硬度低的Sn及适量磷合金等作粘结相。
6、本发明锯片基体采用铬钼合金钢，而在刀头胎体材料中也加入较高含量的铬、钼元素，并采用高含量的高熔点元素(W、Ni等)，这使得胎体材料与基体能够直接进行激光焊接，避免了焊接过程中焊缝部分材料的瞬间熔化和汽化同时能增张焊缝强度，而不需要再额外使用过渡层；配合优化的激光焊接工艺参数后，焊接后刀头和基体之间的热应力降低，提高刀头与基体间的结合力。
7、本发明刀头材料中加入高熔点W、又未使用低熔点Cu，将会导致烧结温度提高，为适当降低烧结温度，加入磷合金，磷能促进烧结，使胎体合金的烧结温度降低；同时由于本发明中铁含量较高，磷能有效地阻止了铁对金刚石的热侵蚀作用；加入磷元素还能明显提高材料硬度以及抗粘着擦伤的性能，改善胎体材料的耐磨特性和承载能力，改善冲击韧性等。
8、传统的锯片基体采用40Cr或45钢，但这两种钢基体强度不够，在激光焊接过程中容易变形，传统的65Mn高碳钢基体在激光焊接热影响区部分容易产生大量的脆性马氏体；而本发明锯片基体采用30CrMo合金钢，硬度34～38HRC，在保证焊接不变形的前提下进一步避免焊接接头变脆。
附图说明
图1为本发明低切割阻力的激光焊接片结构示意图。
图2为激光焊接片的剖视图。
图中：1-锯片基体；2-金刚石刀头；3-弧形散热槽；4-槽口；5-排屑槽；6-切角。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合实例对本发明进行描述，但实例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供一种低切割阻力的激光焊接片及其制备工艺，如图1-2所示，激光焊接片包括锯片基体1和金刚石刀头2，锯片基体为圆形片状结构，多个金刚石刀头2均匀焊接于锯片基体外边缘上；锯片基体的中心开设轴孔，用于将激光焊接片安装在切割机上；相邻金刚石刀头之间具有间隔并形成槽口4，该槽口延伸至基体平面内形成多个排屑槽5，用于切割废料的排出。
所述槽口4沿直线或曲线向基体平面上延伸，所形成的排屑槽的末端设计为圆孔结构，该圆孔结构的直径大于排屑槽的宽度。特殊的基体槽口设计如图1所示，可以提高在切割过程中排屑。
所述金刚石刀头为梯形板状结构(或矩形板状)，其沿基体径向的截面为梯形(或矩形)；该金刚石刀头与基体焊接的一面(内侧面)呈弧形，弧度与基体外边缘处的弧度相适应；该金刚石刀头的板厚度大于基体厚度，且焊接后金刚石刀头的两个梯形面均凸出于基体平面。所述锯片基体上还设有弧形散热槽3，弧形散热槽环绕轴孔设计，且排屑槽末端的圆孔结构位于散热槽与金刚石刀头之间。
所述金刚石刀头的内侧面与基体外边缘相焊接，金刚石刀头的外侧面的面积小于内侧面的面积。所述金刚石刀头外侧的两个角中有一个设计为切角6，切角所在平面与该切角所连接的内侧平面之间的夹角为30～70°(如图1中A所示)。通过对刀头形状的特殊设计，使得锯片在高速切割硬材料时可以降低切割接触角度，从而降低冲击阻力，对锯片切割安全系数可以有一定程度的提升。
实施例1：
本实施例激光焊接片的制备过程如下：
1、基体加工：基体为30CrMo钢，硬度34～38HRC。
根据图纸要求，通过机械加工制备所需结构的锯片基体；
2、金刚石刀头的制备：
金刚石刀头所用原材料的组成为(重量份)：
铁38份，镍21份，钴15份，钨12.5份，铬6.5份，钼16.5份，锡15份，磷合金2份，液体石蜡2份，金刚石1.8份；
所述磷合金中，磷含量为8wt.％，其余为铁；金刚石的粒度为50/60目，金刚石的抗压强度25-40kg。
采用热压烧结技术制备金刚石刀头：将刀头原材料按照上述比例混合，混料4小时后将粉料灌入模具中冷压成型，然后热压烧结，最后经砂轮砂带打磨获得所述金刚石刀头；热压烧结过程中，烧结温度为785℃，烧结压力为320kg/cm2，保温时间3～4分钟。
所制备的金刚石刀头硬度(HRB)约为108。Ni等元素的添加提高了胎体材料与金刚石的浸润性，提高粘结剂对金刚石颗粒的粘结程度，刀头的高硬度保证了胎体材料能够承受金刚石颗粒传给它的阻力而不产生变形或松动，使刀头在使用中金刚石颗粒不易脱落，降低损耗。
3、激光焊接：
将金刚石刀头放在基体上相应位置上，刀头与基体的间隙配合小于0.1mm；将激光焊接机的光点调整到刀头与基体合适的位置，启动激光焊接机焊接，使刀头和基体在激光穿透的瞬间焊接在一起；采用CO2激光器，激光光斑直径0.3mm，激光功率1200W，焊接速度1.1m/min，离焦量-1mm，偏移量0.15mm；保护气体为氩气，保护气流量3L/min；
4、打磨、喷漆、检验：
将焊接后低切割阻力的新型激光焊接片先将刀头内侧面喷砂，然后用专用砂轮打磨金刚石刀头的工作面，并使金刚石暴露出来，将焊接后低切割阻力的新型激光焊接片用磨光机打磨基体表面光亮，然后以600N/mm2强度标准对每个金刚石刀头进行安全焊接强度检测，不合格返工，合格则进行表面喷漆，烘干，以防止表面生锈，最后丝印，激光打标，包装，入库。
5、性能：
本实施例制备的激光焊接片，经检测，焊缝无孔洞裂纹、未焊透等宏观缺陷。刀头抗弯强度采用三点弯曲法测试，冲击韧性采用摆锤式冲击试验机测量。
本实施例制备的激光焊接片，抗弯强度为610MPa，硬度96HRB，冲击韧性为5.08J/cm2。表明本实施例制备的刀头中金刚石与胎体材料结合力高，耐冲击性能强。
测试焊接后激光焊接焊接片的基体变形情况，其最大变形为0.05mm，最小应力变形为0mm。表明本实施例制备的焊接片刀头与基体间残余应力较小，且基体强度高、抗变形能力强。
对比例1：
与实施例不同之处在于：激光焊接中的工艺参数为：激光光斑直径0.3mm，激光功率800W，焊接速度1.1m/min，离焦量0mm，偏移量0.05mm；保护气体为氩气，保护气流量3L/min。
测试结果表明：焊缝有气孔，基体未焊透，且焊缝金属抗变强度较差(约为1540N/mm2)。
对比例2：
与实施例1不同之处在于：
金刚石刀头所用原材料的组成为(重量份)：
铁38份，镍20份，钴15份，钨5份，铬2份，钼16.5份，锡15份，磷合金1份，液体石蜡2份，金刚石2份；
本例制备的激光焊接片，抗弯强度为480MPa，硬度80HRB，冲击韧性为4.20J/cm2。表明所制备的刀头中金刚石与胎体材料结合力高，硬度差，耐冲击性能差。
激光焊接焊接片的基体最大变形为0.28mm，最小应力变形为0.8mm。表明焊接片刀头与基体间残余应力偏大。
实施例2：
与实施例1不同之处在于：
金刚石刀头所用原材料的组成为(重量份)：
铁35.5份，镍20.5份，钴15.8份，钨13.25份，铬8份，钼17.2份，锡14.4份，磷合金2.05份，液体石蜡2份，金刚石1.8份；
所制备的金刚石刀头硬度(HRB)约为108。
本实施例制备的激光焊接片焊缝无孔洞裂纹、未焊透等宏观缺陷。抗弯强度为605MPa，硬度98HRB，冲击韧性为5.02J/cm2。
焊后激光焊接片的基体最大变形为0.06mm，最小应力变形为0mm。表明本实施例制备的焊接片刀头与基体间残余应力较小，且基体强度高、抗变形能力强。
实施例3：
与实施例1不同之处在于：
金刚石刀头所用原材料的组成为(重量份)：
铁40份，镍22份，钴18份，钨12份，铬6.8份，钼16.4份，锡14.5份，磷合金2份，液体石蜡2份，金刚石22.0份；
所制备的金刚石刀头硬度(HRB)约为108。
本实施例制备的激光焊接片焊缝无孔洞裂纹、未焊透等宏观缺陷。抗弯强度为609MPa，硬度100.2HRB，冲击韧性为5.15J/cm2。
焊后激光焊接片的基体最大变形为0.05mm，最小应力变形为0mm。表明本实施例制备的焊接片刀头与基体间残余应力较小，且基体强度高、抗变形能力强。
采用实施例1-3制备的激光焊接片进行混凝土切割，切割速度均为2.2m/min，切割深度均为60mm；经测试实施例1切割电流为13.5A，实施例2切割电流为12.8A，实施例3切割电流为13.2A。
在其他条件都不改变的情况下，制备不具有切角的激光焊接片，并进行混凝土切割，切割速度为2.2m/min，切割深度为60mm；经测试该不具有切角的激光焊接片切割电流为18.7A。对比实验表明本发明制备的激光焊接片具有更低的能耗。

Claims (8)

1.一种降低切割阻力的激光焊接片，其特征在于：该激光焊接片包括锯片基体和金刚石刀头，所述锯片基体为圆形片状结构，金刚石刀头为多个，多个金刚石刀头均匀焊接于锯片基体外边缘上；所述锯片基体的中心开设轴孔，用于激光焊接片的安装；相邻金刚石刀头之间具有间隔并形成槽口，该槽口延伸至基体平面内形成多个排屑槽，用于切割废料的排出；
所述锯片基体的材质为30CrMo钢，硬度34～38HRC；所述金刚石刀头是将原材料粉末混合均匀后，经热压烧结成型制成；所述金刚石刀头按重量份数计的原材料组成为：
铁35-40份，镍20-22份，钴15-18份，钨12-13.5份，铬6-8份，钼16-18份，锡14-15份，磷合金1.6-2.2份，液体石蜡1.0-1.3份，金刚石1.3-2.0份。
2.根据权利要求1所述的降低切割阻力的激光焊接片，其特征在于：所述槽口沿直线或曲线向基体平面上延伸，所形成的排屑槽的末端设计为圆孔结构，该圆孔结构的直径大于排屑槽的宽度。
3.根据权利要求1所述的降低切割阻力的激光焊接片，其特征在于：所述金刚石刀头为梯形板状结构，其沿基体径向的截面为梯形；该金刚石刀头与基体焊接的一面呈弧形，弧度与基体外边缘处的弧度相适应；该金刚石刀头的板厚度大于基体厚度。
4.根据权利要求3所述的降低切割阻力的激光焊接片，其特征在于：所述金刚石刀头的内侧面与基体外边缘相焊接，金刚石刀头的外侧面的面积小于内侧面的面积。
5.根据权利要求3或4所述的降低切割阻力的激光焊接片，其特征在于：所述金刚石刀头上具有一个切角，切角所在平面与该切角所连接的内侧平面之间的夹角为30～70°。
6.根据权利要求1所述的降低切割阻力的激光焊接片，其特征在于：所述锯片基体上还设有弧形散热槽，散热槽环绕轴孔设计，且排屑槽末端的圆孔结构位于散热槽与金刚石刀头之间。
7.根据权利要求1所述的降低切割阻力的激光焊接片，其特征在于：所述磷合金中，磷含量为4-10wt.％，其余为铁；所述金刚石刀头原材料中，金刚石的粒度为40/50目或50/60目，金刚石的抗压强度25-40kg。
8.根据权利要求1所述的降低切割阻力的激光焊接片的制备工艺，其特征在于：该工艺包括如下步骤：
(1)基体加工：
根据图纸要求，通过机械加工制备所需结构的磨轮基体；
(2)金刚石刀头的烧结成型：
采用热压烧结技术制备金刚石刀头：将刀头原材料按照所需比例混合，混合均匀后先进行冷压成型，然后热压烧结，最后经砂轮砂带打磨获得所述金刚石刀头；其中，所述热压烧结过程中，烧结温度为780～800℃，烧结压力为300～350kg/cm2，保温时间3～4分钟；
(3)激光焊接：
将金刚石刀头放在基体上相应位置上，将激光焊接机的光点调整到刀头与基体合适的位置，启动激光焊接机焊接，使刀头和基体在激光穿透的瞬间焊接在一起；采用CO2激光器，激光光斑直径0.3-0.5mm，激光功率1200W，焊接速度1.1m/min，离焦量-1mm，偏移量0.15mm；保护气体为氩气，保护气流量3L/min；
(4)将焊接后激光焊接片的刀头内侧面喷砂，然后用砂轮打磨金刚石刀头的工作面，并使金刚石暴露出来。
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