PCD工具的研制现状与发展

1.引言

聚晶金刚石复合片由PCD(PolycrystallineDiamond)层和硬质合金基底组成。PCD层具有高硬度,硬质合金基底则具有良好的韧性,二者结合使PCD复合片在切削加工、木材加工和钻探等行业获得了广泛应用。PCD工具的制作方法有多种,大体依据加热方式、焊料的使用与否来划分。制作过程中,加热方式起着决定性的作用,焊料的选择对焊接质量会产生重大的影响,焊接接头的结构设计也是提高质量的重要手段。因此在PCD工具制造过程中,焊接成为其关键技术。

PCD复合片的焊接实质上是硬质合金基底与刀杆等支撑体的焊接。对硬质合金的焊接多用Mn基钎料,钎焊温度为1000℃左右。然而PCD层的耐热温度一般不超过700℃,否则会造成PCD层的热损伤,降低刀具焊接后的使用性能。因此必须寻找一种既能降低钎焊温度,又能同时保证足够焊接强度的焊接方法。目前PCD复合片的焊接方法有激光焊接、真空扩散焊、真空钎焊、高频感应钎焊、水冷钎焊、惰性气体保护钎焊等。虽然焊接强度足够,但有些方法所用设备的成本高、维护费用大,且其工艺过程复杂,不便于生产操作,大大增加了PCD复合片刀具的制作成本,不利于PCD刀具的推广应用。本文就各种PCD复合片焊接方法的优缺点进行了比较分析。

2.PCD的焊接方法

2.1激光焊接

激光焊(LaserBeamWelding)是利用高能量密度的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。激光焊接具有高能量密度、可聚焦、深穿透、高效率、适应性强等优点。激光焊接过程属于传导焊接,即激光辐照工件表面,产生的热量通过热传导向内部传递。通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰值功率和重复频率等参数,使工件达到一定的熔池深度而表面又无明显的汽化,即可进行焊接。由于功率密度大(可达10的9次方瓦/平方厘米),因此激光焊接过程中在金属材料上生成小孔,激光能量通过小孔往工件的深部传输,减少横向扩散,材料的融合深度大,焊接速度快,单位时间焊合的面积大。

此外,激光焊接形成的焊缝深而窄,深宽比大(可达2～10),焊合单位面积所需能量小,热影响区小,焊接变形小。一般不加填充金属,依赖焊件自身融合。激光焊接系统有高度的柔性,易于实现自动化。但用激光焊接时,要求被焊件有较高的装配精度,原始装配精度不能因焊接过程热变形而改变,且光斑应严格沿待焊缝扫描而不能有显著的偏移,否则将造成严重的焊接缺陷。此外,由于激光器及其焊接系统的一次投资较大,焊接成本高,对母材的要求较高,参数多,对操作技能的要求高等等,都制约了激光焊接的广泛应用。使用激光进行PCD复合片的焊接,获得的焊接接头强度可高达1800MPa,且对金刚石层不会产生热损伤,是一种理想的PCD焊接方法,目前多用于金刚石圆锯片的焊接。

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