CN112719498B - 一种单层钎焊金刚石工具的制备方法与系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，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；提供含活性剂的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、送粉器、送料器和电磁线圈电源，关闭氩气气瓶阀门，完成激光钎焊过程。本发明还提供一种单层钎焊金刚石工具的制备系统。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、包埋深度浅和团聚等问题。

Description

一种单层钎焊金刚石工具的制备方法与系统

发明领域

本发明涉及一种金刚石工具的加工领域，尤其涉及一种单层钎焊金刚石工具的制备方法与系统。

背景技术

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。

目前，单层高温钎焊金刚石砂轮制作工艺主要依靠真空钎焊完成的，但真空钎焊在实际应用中却存在如下局限性钎焊过程加热、冷却时间长致使生产的周期变长，费时耗能，金刚石磨料长时间处于高温环境下会使磨粒表面出现不利产物，同时受炉腔尺寸限制，无法钎焊大型的工具，同时也难以实现在基体承受整体加热时其变形不易控制的工具制造。

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。

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、包埋深度浅和团聚等问题。

本发明提供一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，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：提供含有活性剂的Ni-Cr合金粉末作为钎料，并置于送粉器料筒中；

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、第二氩气气瓶阀门，完成激光钎焊。

优选的，步骤3中，具有金属镀层的金刚石磨粒的大小为35～40目。

优选的，步骤3中，金刚石磨粒表面金属镀层的成分为Ti或Ni。

优选的，步骤4中，活性剂为氧化铬或二氧化钛。

优选的，步骤4中，钎料中活性剂所占质量分数为2～8wt.％。

优选的，步骤5中，钎焊熔池高度h为220～250μm。

优选的，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0.5～2m/min。

本发明还提供一种单层钎焊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，其中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。

本发明的有益效果在于：

本发明的技术方案中，在Ni-Cr合金钎料中加入活性剂，改变了钎焊熔池内部由表面张力驱动的马兰戈尼对流方向，即钎焊熔池中熔融金属由常规的中间流向边缘的流动，转变为由边缘向中间的流动；如此，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，有效抑制了金刚石磨粒在钎焊熔池中漂移，金刚石磨粒在钎焊缝中包埋深度较深，大大提升了钎料对金刚石磨粒的把持强度。

附图说明

图1是本发明实施例单层钎焊金刚石工具的制备方法与系统示意图；

图2是常规激光钎焊熔池内部熔融金属流动示意图；

图3是本发明方案中激光钎焊熔池内部熔融金属流动示意图；

图4是常规激光钎焊金刚石磨粒埋深示意图；

图5是本发明方案中激光钎焊后金刚石磨粒埋深示意图；

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、含活性剂的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、22、向上的马兰戈尼对流、23、向下的马兰戈尼对流

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所示，本发明实施例提供一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，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，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35～40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：提供含有活性剂的Ni-Cr合金粉末16作为钎料，并置于送粉器5的料筒中。

优选的，该步骤中：活性剂为氧化铬或二氧化钛。

优选的，该步骤中：钎料中活性剂所占的质量分数为2～8wt.％。

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17输出聚焦激光束21；同时开启送粉器5阀门，钎料经同轴送粉喷嘴3输出，钎料在聚焦激光束21的作用下熔化形成钎焊熔池20。

优选的，该步骤中：钎焊熔池高度h为220～250μm。

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。

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：激光头运动速度为0.5～2m/min。

步骤9：激光头18运动到钎焊路径末端，关闭激光器1，关闭送粉器5、送料器6和电磁线圈电源19，关闭第一、第二氩气气瓶阀门，完成激光钎焊。

如图1所示，本发明实施例还提供一种单层钎焊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，其中激光器1通过传输光纤2与激光头18相连，送粉器5与激光头18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与送料器相连，同轴送粉喷嘴3固定于激光头末端随激光头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，有效抑制了金刚石磨粒在钎焊熔池中漂移，且金刚石磨粒在钎焊缝中包埋深度较深，大大提升了钎料对金刚石磨粒的把持强度。

落入钎焊熔池中心的金刚石磨粒，受到向上的马兰戈尼对流(22)，如图2所示，在常规激光钎焊熔池中熔融金属由中间向边缘的流动，导致金刚石磨粒在钎料中的埋深不高，如图4所示，钎料对金刚石磨粒的把持强度不够，金刚石磨粒在磨削加工时易从基体上脱落。

本发明的技术方案中，如图3所示，在Ni-Cr合金钎料中加入活性剂后，改变了钎焊熔池内部由表面张力驱动的马兰戈尼对流方向，即钎焊熔池中熔融金属由中间向边缘的流动转变为边缘向中间的流动，落入钎焊熔池中心的金刚石磨粒，受到向下的马兰戈尼对流(23)，增大了金刚石磨粒在钎料中的埋深，如图5所示，大大提升了钎料对金刚石磨粒的把持强度。

Claims (6)

1.一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，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，其中金刚石磨粒表面金属镀层的成分为Ti或Ni；

步骤4：提供含活性剂的Ni-Cr合金粉末作为钎料，并置于送粉器的料筒中，其中活性剂为氧化铬或二氧化钛；

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、第二氩气气瓶阀门，完成激光钎焊过程。

2.根据权利要求1所述的一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，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35~40目。

3.根据权利要求1所述的一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，其特征在于：步骤4中钎料中活性剂所占的质量分数为2~8wt. %。

4.根据权利要求1所述的一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，其特征在于：步骤5中钎焊熔池高度h为220~250 μm。

5.根据权利要求1所述的一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，其特征在于：步骤7中电磁线圈产生的电磁场强度为50~300 mT。

6.根据权利要求1所述的一种单层钎焊金刚石工具的制备方法，其特征在于：步骤8中激光头运动速度为0.5~2 m/min。

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