CN112719497A - 一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法与系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法，包括如下步骤：提供金刚石工具的钢基体；提供激光钎焊系统；提供具有金属镀层的金刚石磨粒；提供Ni‑Cr合金粉末作为钎料；启动激光钎焊系统；打开电磁线圈电源，电磁线圈产生电磁场并作用于具有金属镀层的金刚石磨粒；激光头连同同轴送粉喷嘴、旁轴送料喷嘴、电磁线圈，一起沿钎焊路径运动；激光头运动到钎焊路径末端，关闭激光器，关闭送粉器、送料器和电磁线圈电源，关闭氩气气瓶，完成激光钎焊。本发明还提供一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备系统。本发明解决了激光钎焊制备金刚石工具过程中金刚石磨粒在钎焊熔池表面漂移，以及由此造成的金刚石磨粒热损伤和团聚等问题。

Description

一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法与系统
发明领域
本发明涉及一种激光钎焊领域，尤其涉及一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法与系统。
背景技术
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焊接金刚石工具，它利用高温使得金属结合剂粉末在金刚石磨粒、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，焊接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，单层焊接金刚石工具的制造方法主要有真空炉焊接、高频感应焊接和激光焊接。真空炉中焊接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。高频感应焊接，设备成本低，加热、冷却速度快，可以使焊接周期大为缩短，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。激光焊接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焊接过程中的热变形量。然而激光焊接金刚石工具时，一般是预置金刚石在金属结合剂粉末中，激光扫描金属结合剂粉末和金刚石混合层，这会导致金刚石的石墨化甚至燃烧，严重影响焊接层与金刚石之间的结合强度。
2019年11月26日公布，公开号为CN 107096972 B的发明专利“一种激光钎焊单层金刚石工具的方法”，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，但是该技术方案仍旧存在以下问题：在钎焊过程中金刚石磨粒在钎焊熔池表面产生飘移，包埋深度浅和团聚等问题。
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
本发明的目的是解决激光钎焊金刚石磨粒过程中金刚石磨粒在钎焊熔池表面漂移，以及由此造成的金刚石磨粒热损伤和团聚等问题。
本发明提供一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：提供金刚石工具的钢基体；
步骤2：提供激光钎焊系统，激光钎焊系统具有：激光器、传输光纤、激光头、同轴送粉喷嘴、旁轴送料喷嘴、送粉器、送料器、电磁线圈、第一氩气气瓶、第二氩气气瓶、固定架；激光器通过传输光纤与激光头相连，送粉器与同轴送粉喷嘴相连，送料器与旁轴送料喷嘴相连，第一氩气气瓶与送粉器相连，第二氩气气瓶与送料器相连；同轴送粉喷嘴固定于激光头末端随激光头一起运动，电磁线圈固定于激光头上随激光头一起运动，旁轴送料喷嘴通过固定架固定于激光头上随激光头一起运动；
步骤3：提供具有金属镀层的金刚石磨粒，并置于送料器的料筒中；
步骤4：提供Ni-Cr合金粉末作为钎料，并置于送粉器的料筒中；
步骤5：启动激光钎焊系统，激光器产生的激光经传输光纤，通过激光头输出聚焦激光束；同时开启送粉器，钎料经同轴送粉喷嘴输出，钎料在聚焦激光束的作用下熔化形成钎焊熔池；
步骤6：开启送料器，具有金属镀层的金刚石磨粒经旁轴送料喷嘴喷射到钎焊熔池中；
步骤7：打开电磁线圈电源，电磁线圈产生电磁场并作用于具有金属镀层的金刚石磨粒；
步骤8：激光头连同同轴送粉喷嘴、旁轴送料喷嘴、电磁线圈，一起沿钎焊路径运动；
步骤9：激光头运动到钎焊路径末端，关闭激光器，关闭送粉器、送料器和电磁线圈电源，关闭第一氩气气瓶、第二氩气气瓶，完成激光钎焊。
优选地，步骤3中具有金属镀层的金刚石磨粒的大小为8～10目。
优选地，步骤3中金刚石磨粒表面金属镀层的成分为Ti或Ni。
优选地，步骤5中聚焦激光束光斑大小为1.5～3mm。
优选地，步骤5中激光功率为1～3kW。
优选地，步骤5中送粉器的送粉速率为2～3r/min。
优选地，步骤5中钎焊熔池宽度B为1.5～3.5mm。
优选地，步骤5中钎焊熔池深度h为280～500μm。
优选地，步骤6中送料器的送料速率为2～3r/min。
优选地，步骤7中电磁线圈产生的电磁场强度为50～300mT。
优选地，步骤8中激光头运动速度为2.5～8m/min。
本发明还提供一种大颗粒金刚石工具的制备系统，包括激光器、传输光纤、激光头、同轴送粉喷嘴、旁轴送料喷嘴、送粉器、送料器、电磁线圈、第一氩气气瓶、第二氩气气瓶、固定架；激光器通过传输光纤与激光头相连，送粉器与激光头相连，送料器与旁轴送料喷嘴相连，第一氩气气瓶与送粉器相连，第二氩气气瓶送料器相连，同轴送粉喷嘴固定于激光头末端随激光头一起运动，电磁线圈固定于激光头上随激光头一起运动，旁轴送料喷嘴通过固定架固定于激光头上随激光头一起运动。
本发明的有益效果在于：
本发明的技术方案中，通过在激光钎焊过程中加入电磁场，可以对钎焊熔池中具有金属镀层的金刚石磨粒提供向下的外力——洛伦兹力，因此，具有金属镀层的金刚石磨粒向钎焊熔池深处移动，克服向上的浮力影响，而不断深入熔池。与此同时，采用高速激光扫描的方法，获得宽而极浅的钎焊熔池，使得钎焊过程中具有金属镀层的金刚石磨粒不会在熔池表面漂浮翻滚，由此，具有金属镀层的金刚石磨粒出露部分几乎无热损伤且出露高度大，且不存在金刚石磨粒团聚问题。
附图说明
图1是本发明实施例激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法与系统示意图；
图2是本发明钎焊过程的横截面示意图；
图中：1、激光器 2、传输光纤 3、同轴送粉喷嘴 4、旁轴送料喷嘴 5、送粉器 6、送料器 7、电磁线圈 8、固定架 9、第一氩气气瓶 10、第二氩气气瓶 11、钢基体 12、凝固的钎焊缝 13、具有金属镀层的金刚石磨粒 14、洛伦兹力 15、同轴保护气 16、Ni-Cr合金粉末17、激光头运动方向 18、激光头 19、电磁线圈电源 20、钎焊熔池 21、聚焦激光束
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。
如图1、图2所示，本发明实施例提供一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法，包括如下步骤。
步骤1、提供金刚石工具的钢基体11，对钢基体11的表面进行除锈、抛光、打磨后，再用酒精或者丙酮清洗。
步骤2、提供激光钎焊系统，激光钎焊系统具有：激光器1、传输光纤2、激光头18、同轴送粉喷嘴3、旁轴送料喷嘴4、送粉器5、送料器6、电磁线圈7、第一氩气气瓶9、第二氩气气瓶10、固定架8；激光器1通过传输光纤2与激光头18相连，送粉器5与同轴送粉喷嘴3相连，送料器6与旁轴送料喷嘴4相连，第一氩气气瓶9与送粉器5相连，第二氩气气瓶10与送料器6相连；同轴送粉喷嘴3固定于激光头18末端随激光头18一起运动，电磁线圈7固定于激光头18上随激光头18一起运动，旁轴送料喷嘴4通过固定架8固定于激光头上随激光头18一起运动。
步骤3、提供具有金属镀层的金刚石磨粒13，并置于送料器6的料筒中。
优选的，该步骤中：具有金属镀层的金刚石磨粒的大小为8～10目。
优选的，该步骤中：金刚石磨粒表面金属镀层的成分为Ti或Ni。
步骤4、提供Ni-Cr合金粉末16作为钎料，并置于送粉器5的料筒中。
步骤5、启动激光钎焊系统，激光器1产生的激光经传输光纤2，通过激光头18输出聚焦激光束21；同时开启送粉器5，钎料经同轴送粉喷嘴3输出，钎料在聚焦激光束的作用下熔化形成钎焊熔池20。
优选的，该步骤中：聚焦激光束21光斑大小为1.5～3mm。
优选的，该步骤中：送粉器5的送粉速率为2～3r/min。
优选的，该步骤中：激光功率为1～3kW。
优选的，该步骤中：钎焊熔池宽度B为1.5～3.5mm。
步骤6、开启送料器，具有金属镀层的金刚石磨粒13经旁轴送料喷嘴4喷射到钎焊熔池20中。
优选的，该步骤中：送料器6的送料速率为2～3r/min。
步骤7、打开电磁线圈电源19，电磁线圈7产生电磁场并作用于具有金属镀层的金刚石磨粒13。
优选的，该步骤中：电磁线圈7产生的电磁场强度为50～300mT。
步骤8、激光头18连同同轴送粉喷嘴3、旁轴送料喷嘴4、电磁线圈7，一起沿钎焊路径运动。
优选的，该步骤中：激光头18运动速度为2.5～8m/min。
如图1所示，本发明实施例还提供一种大颗粒金刚石工具的制备系统，包括激光器1、传输光纤2、激光头18、同轴送粉喷嘴3、旁轴送料喷嘴4、送粉器5、送料器6、电磁线圈7、第一氩气气瓶9、第二氩气气瓶10、固定架8；激光器1通过传输光纤2与激光头18相连，送粉器5与同轴送粉喷嘴3相连，送料器6与旁轴送料喷嘴4相连，第一氩气气瓶9与送粉器5相连，同轴送粉喷嘴3固定于激光头18末端随激光头18一起运动，电磁线圈7固定于激光头18上，随激光头18一起运动，旁轴送料喷嘴4通过固定架8固定于激光头18上，随激光头18一起运动。
本发明的技术方案中，如图1所示，喷入钎焊熔池中的具有金属镀层的金刚石磨粒均分布于钎焊熔池中间；与此同时，通过在激光钎焊过程中加入电磁场，对钎焊熔池中具有金属镀层的金刚石磨粒提供向下的外力——洛伦兹力，因此，具有金属镀层的金刚石磨粒向钎焊熔池深处移动，克服向上的浮力影响，而不断深入熔池，大大提升了钎料对金刚石磨粒的把持强度。
本发明的技术方案中，如图2所示，具有金属镀层的金刚石磨粒不会在熔池表面漂浮翻滚，具有金属镀层的金刚石磨粒出露部分几乎无热损伤且出露高度大。

Claims (8)

1.一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤1：提供金刚石工具的钢基体；
步骤2：提供激光钎焊系统，激光钎焊系统具有：激光器、传输光纤、激光头、同轴送粉喷嘴、旁轴送料喷嘴、送粉器、送料器、电磁线圈、第一氩气气瓶、第二氩气气瓶、固定架；激光器通过传输光纤与激光头相连，送粉器与同轴送粉喷嘴相连，送料器与旁轴送料喷嘴相连，第一氩气气瓶与送粉器相连，第二氩气气瓶与送料器相连；同轴送粉喷嘴固定于激光头末端随激光头一起运动，电磁线圈固定于激光头上随激光头一起运动，旁轴送料喷嘴通过固定架固定于激光头上随激光头一起运动；
步骤3：提供具有金属镀层的金刚石磨粒，并置于送料器的料筒中；
步骤4：提供Ni-Cr合金粉末作为钎料，并置于送粉器的料筒中；
步骤5：启动激光钎焊系统，激光器产生的激光经传输光纤，通过激光头输出聚焦激光束；同时开启送粉器，钎料经同轴送粉喷嘴输出，钎料在聚焦激光束的作用下熔化形成钎焊熔池；
步骤6：开启送料器，具有金属镀层的金刚石磨粒经旁轴送料喷嘴喷射到钎焊熔池中；
步骤7：打开电磁线圈电源，电磁线圈产生电磁场并作用于具有金属镀层的金刚石磨粒；
步骤8：激光头连同同轴送粉喷嘴、旁轴送料喷嘴、电磁线圈，一起沿钎焊路径运动；
步骤9：激光头运动到钎焊路径末端，关闭激光器，关闭送粉器、送料器和电磁线圈电源，关闭第一氩气气瓶、第二氩气气瓶，完成激光钎焊。
2.根据权利要求1所述的一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法，其特征在于：步骤3中具有金属镀层的金刚石磨粒的大小为8～10目。
3.根据权利要求1所述的一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法，其特征在于：步骤5中聚焦激光束光斑大小为1.5～3mm。
4.根据权利要求1所述的一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法，其特征在于：步骤5中钎焊熔池宽度B为1.5～3.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法，其特征在于：步骤5中钎焊熔池深度h为280～500μm。
6.根据权利要求1所述的一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法，其特征在于：步骤7中电磁线圈产生的电磁场强度为50～300mT。
7.根据权利要求1所述的一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备方法，其特征在于：步骤8中激光头运动速度为2.5～8m/min。
8.一种激光钎焊大颗粒金刚石磨粒的制备系统，其特征在于，激光钎焊系统具有：激光器、传输光纤、激光头、同轴送粉喷嘴、旁轴送料喷嘴、送粉器、送料器、电磁线圈、第一氩气气瓶、第二氩气气瓶、固定架；激光器通过传输光纤与激光头相连，送粉器与同轴送粉喷嘴相连，送料器与旁轴送料喷嘴相连，第一氩气气瓶与送粉器相连，第二氩气气瓶与送料器相连；同轴送粉喷嘴固定于激光头末端随激光头一起运动，电磁线圈固定于激光头上，随激光头一起运动，旁轴送料喷嘴通过固定架固定于激光头上，随激光头一起运动。
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