硬质合金的焊接方法

出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第672页（2966字）

1．硬质合金的焊接特性

硬质合金的尺寸比较小，一般是固定在一个比较厚大的钢支撑材料上使用。钎焊是把硬质合金和基体金属连接在一起的有效焊接方法。硬质合金的线膨胀系数(6×10^－6／℃)与普通钢(2．44×10^－6／℃)相比差别很大，线膨胀系数的差异使钎焊后产生很大的应力，导致裂纹产生^{［方洪渊］}。这是硬质合金钎焊的主要问题之一，焊接时必须采取措施减小钎焊应力，可采取降低钎焊温度、焊前预热及缓冷、选用塑性好的钎料、加补偿垫片、改进接头结构等措施。

影响硬质合金钎焊性能的因素如下：

(1)硬质合金的强度越高，钎焊时产生裂纹的可能性越大。根据不同牌号的硬质合金的强度大小可以判断硬质合金的焊接性能，其由差到好的排列顺序如下。

YG类：YG3X，YG3，YG4，YG6X，YG6，YG8，YG11，YG15

YT类：YT60，YT30，YW1，YT15(YW2)，YT14，YT5

(2)硬质合金的线膨胀系数与钢相差很大，只有钢的1／3到1／2左右，这种差别对焊缝处的残余应力有很大影响。加热时硬质合金和钢都自由膨胀，但冷却时钢的收缩量比硬质合金大得多。此时焊缝处于受压应力状态，而在硬质合金表面上则承受拉应力。如果残余应力大于硬质合金的抗拉强度，硬质合金的表面就可能产生裂纹。钎焊面积越大，产生的残余应力越大，发生裂纹的可能性也越大。

在焊接硬质合金工具时，必须使焊接残余应力尽量减小。焊缝中的残余应力是一种潜在的危害，尽管在焊接后不一定能马上发现裂纹，但在随后的刃磨、保管或使用过程中却容易发生裂纹，造成工具报废。

(3)硬质合金在空气中加热到800℃以上时，硬质合金的表面开始氧化，生成疏松的氧化物层，同时伴随有脱碳现象。当加热至950～1100℃时，硬质合金会发生急剧的氧化，形成的氧化薄膜使硬质合金变脆，降低硬质合金的力学性能。硬质合金表面氧化层的存在，也降低了焊缝的强度。在焊接时尽量减少焊接部位的氧化现象，是提高焊接质量的重要措施。

2．基体材料的选择和槽形设计

基体材料的选择主要是考虑硬质合金使用时所受载荷的大小。一般载荷的硬质合金刀具的基体材料可用45钢或40Cr钢。需要淬硬的刀体可选用9SiCr钢，因为9SiCr钢焊后淬火用的冷却介质温度比40Cr高，对硬质合金有利。9SiCr钢做小刀体时还可采用空冷或压缩空气气冷的冷却方式，也能使刀杆达到一定硬度。一些受力、受冲击和切削热量大的硬质合金刀具的基体材料，如大龙门刨的刀杆，可用50或55号钢。高精度硬质合金刀具可用W18Cr4V高速钢做基体材料，焊后采用空冷。由于高速钢的线膨胀系数与硬质合金较接近，焊接应力也较小，刀具寿命也比较高。表2－9－3是常用的硬质合金工具刀体材料。

表2－9－3 硬质合金刀体所用钢号

硬质合金模具的基体材料只承受轻微载荷时可用45钢制造，受冲击载荷的可用50或55号钢，冲击较强时可用40Cr或9SiCr。受强烈冲击或反复热振动的模具要用9SiCr，条件特别恶劣或尺寸较大时也可用W18Cr4V，以提高模具的热稳定性和减少钎焊应力。

硬质合金刀具钎焊质量的好坏还决定于刀槽形状的设计是否合理。硬质合金槽形设计的原则是：

(1)尽量减少钎焊面，避免采用封闭和半封闭槽形结构，以减少钎焊应力，防止产生裂纹，尽可能采用自由焊槽形，以使钎焊应力降低到最低限度。

(2)焊接前装配硬质合金时应尽量靠硬质合金的自重或靠钢基体上的凸台、凹槽等部位定位，尽量避免使用夹具固定硬质合金。

(3)设计槽形时应考虑在钎焊过程中便于排渣，避免因焊缝中夹渣而使焊缝强度降低或发生脱焊现象。

(4)钎焊后刀头部分不应粘附过多的焊料，以免刃磨困难，尤其是在设计硬质合金多刃刀具时应特别加以注意。

重型硬质合金刀具切削时所受的切削力大、产生的热量高，大多数重型硬质合金刀具在使用过程中发生刀片沿切深处开裂或崩坍现象，属于正常磨耗报废的很少。采用立焊或双重刀片叠焊的形式可以很好地解决这类问题。将硬质合金刀片立焊可以成倍增加硬质合金刀片切削部分的厚度，而且硬质合金的抗压强度无论在常温或高温下都要比钢高得多，能够承受较大的切削力和切削热，能避免产生裂纹或发生崩坍现象。双重刀片叠焊法还可以将两种不同牌号的硬质合金刀片叠焊在一起，如下层焊YG8刀片，上层焊YT15、YT30、YG3X、YG6X等刀片。由于上下两层硬质合金的线膨胀系数比较接近，上层硬质合金刀片在钎焊后不会发生裂纹，而且钎焊后残余应力很小。

矿山采掘用的硬质合金工具的使用特点是冲击负荷大、震动大，要求硬质合金片既要焊得牢固，又要钎焊应力小，这样在使用过程中才不会发生硬质合金刀头脱焊和崩刃。在设计这类槽形时要有足够的钎焊面积，保证焊缝有足够的强度，又要考虑尽量减小钎焊应力。这类钎焊一般采用一字形和十字形，其槽形呈U形。当硬质合金块的长度不超过20mm时，槽的宽度B=b+(0．1～0．15)mm(b为硬质合金宽度)。当硬质合金块的长度大于20mm时，要考虑采用补偿垫片的钎焊方法，在焊缝中夹有一层塑性比较好的金属片，以减小钎焊应力和防止发生裂纹。这时槽形的宽度B=b+2C+(0．15～0．25)mm(式中C是补偿垫片的厚度)。

在浸铜焊或在一些比较特殊条件下的钎焊，为了固定硬质合金刀片或便于使硬质合金定位，可采用工艺墙的形式。设计带有工艺墙的槽形应避免形成封闭槽的形式，尽量减少工艺墙的厚度和高度，刀片与刀槽之间的配合可参照3级精度中的第二或第三种过渡配合的公差尺寸。装配时用木锤轻轻将硬质合金敲入槽中，钎焊后将工艺墙磨去。

槽形加工的表面粗糙度对焊缝强度有较大的影响，粗糙度越低焊缝的强度越高(见表2－9－4)。但是粗糙度越低加工越困难。一般在Ra6．3左右即可。硬质合金量具的槽形加工精度应高一些，以能得到外观又薄又均匀的焊缝。

表2－9－4 基体槽形表面粗糙度对焊缝强度的影响