硬质合金精密刀具高频感应钎焊工艺中几个问题的分析

作者:肖真健 刊名:硬质合金 上传者:慕殿峰

【摘要】本文对硬质合金精密刀具的高频感应钎焊技术进行了综述,介绍了高频感应原理,其基础是集肤效应和邻近效应;分析了硬质合金焊接的特点,由于钢和硬质合金之间线膨胀系数、热传导率等物理性能的差异,两者之间的钎焊在工艺上存在较多问题,如残余应力、裂纹、虚焊、夹渣、氧化、钎缝脆化等。本文重点探讨了硬质合金精密刀具高频感应钎焊的主要影响因素,包括焊接温度、加热速度、焊缝宽度、感应圈间隙及形状、工件表面质量、钎料钎剂性能等,得出结论:焊接温度应比钎料的液相线高20~50℃;过快或过慢的加热速度都会对钎焊质量造成不良影响;钎缝的最佳间隙大小应保持在0.01~0.1 mm之间;感应圈应有与焊件相适应的外形,尽量减少感应圈本身和焊件之间的无用间隙;增大工件表面的粗糙度,清除母材表面的氧化膜,去污除油,能够增大钎料在表面的附着力;宜选用润湿效果最好的银基钎料;氟硼酸钾是银基钎料的适宜钎剂。

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精密刀具主要包括加工印制电路板的钻头和铣刀,以及汽车、“3C产品”用的微型刀具。所谓“3C产品”,就是计算机(Computer)、通信(Communication)和消费类电子产品(Consumer Electronics)三者结合,亦称“信息家电”。随着IT行业的迅猛发展,汽车和信息家电日益普及,精密刀具需求量与日俱增,产量和产值成倍增长。精密刀具一般选用硬质合金材料来制作,因为硬质合金具有高的强度和硬度,耐磨性好,能保证加工的板光滑美观。以前的精密刀具整支都采用硬质合金材料,成本较高,随着竞争越来越激烈,为降低成本,许多厂家研发了焊接式刀具,即把刀具分为柄部和头部两部分,柄部一般采用成本较低的不锈钢,头部使用硬质合金,通过高频感应钎焊的方式将两者连接起来。但由于钢和硬质合金之间物理性能的差异,如线膨胀系数、热传导率等的不同,两者之间的钎焊在工艺上存在较多问题[1]。为了提高焊接质量,保证焊接强度,本文仅根据现在研究成果和实践经验,对影响焊接品质的主要因素进行较全面分析论述。1高频感应钎焊原理高频感应焊接是用频率50~400 k Hz、功率10~100 k W的高频感应加热电源产生高频电流,高频电流通过金属导体时,会产生两种奇特的效应:集肤效应和邻近效应。集肤效应是指以一定频率的交流电流通过同一个导体时,电流的密度不是均匀地分布于导体的所有截面的,它会主要向导体的表面集中,即电流在导体表面的密度大,在导体内部的密度小。邻近效应是指高频电流在两个相邻的导体中反向流动时,电流会向两个导体相近的边缘集中流动,即使两个导体另外有一条较短的边,电流也并不沿着较短的路线流动。高频焊接就是利用了集肤效应使高频电流的能量集中在工件的表面,而利用了邻近效应来控制高频电流流动路线的位置和范围。高频感应钎焊适应性强,可在各种气氛(空气、保护气体、真空)下钎焊,加热速度快,钎料液化过程短,还能防止母材晶粒长大,减轻硬质合金过热和氧化,能量传输集中,接头平整、均匀、一致性强,合金损耗少,有利于提高焊接质量,能直接观察和人工调节钎焊过程,产出效率高,成本低,适于大批量生产[2]。高频感应钎焊的工艺参数一般包括焊接温度、加热速度、焊缝宽度、表面质量、感应圈形状位置、钎料钎剂等因素,这些因素的波动会对焊缝质量造成不良影响,尤其是在硬质合金中产生较大的焊接应力,因此有必要对这些影响硬质合金精密刀具焊接强度的因素进行研究。2硬质合金钎焊2.1硬质合金与钢的钎焊硬质合金是以高硬度的难熔金属碳化物(WC、Ti C、Ta C等)为基,加入粘结金属(Co、Ni、Mo、Fe等),通过粉末冶金方法制成的合金材料,它具有高强度、高硬度、高弹性模量、耐磨损、耐腐蚀、热膨胀系数小以及化学性质较为稳定等优点,广泛应用于硬质合金精密刀具领域。由于硬质合金中的W、Co等材料均为贵重金属,通常将其与具有良好塑性韧性、易加工且价格便宜的不锈钢相连接使用。随着焊接技术的发展,新的焊接方法不断出现(如扩散焊、TIG焊、激光焊、电子束焊等),但对于硬质合金与钢基体的焊接而言,这些新型焊接方法普适性较差。高频感应钎焊因其加热快,热量集中,热影响区小,能够局部加热且节能环保、工作环境清洁、设备便宜等特点,应用广泛,成为硬质合金精密刀具最主要的焊接方法。硬质合金的钎焊性能对刀具的焊接质量影响很大,不同牌号的硬质合金钻头,其合金性能不同,焊接性能也不同,对焊接质量的影响也不同[3]。经过多年研究发展,硬质合金与钢基体的高频感应钎焊工艺已得到重大改进,但随着实际生产对硬质合金精密刀具的要求不断提高,在如何提高硬质合金的钎焊

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