技術(shù)

摘要：研究了ø82，ø68兩種金剛石取芯鉆頭的激光焊接方法及工藝，并分析了激光焊工藝參數(shù)對(duì)焊接質(zhì)量的影響。此技術(shù)已成功地應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，并對(duì)同類產(chǎn)品有指導(dǎo)意義。
　　關(guān)鍵詞：金剛石取芯鉆頭　激光焊接　工藝參數(shù)

Laser welding of diamond core drills

Zhu Haihong,Tang Xiahui,Zhu Guofu

(National Engineering Research Center for Laser Processing,HUST，Wuhan ,430074)

　　Abstract：This paper deals with the laser welding of diamond core drills and the effect of technical parameters such as the focus position,beam power density and welding speed on the welding strength.The experiment results provide the better technical parameters to correct the practical welding procedure.
　　Key　words：diamond core drills　laser welding　process parameter

引　　言

　　金剛石取芯鉆頭不僅在地質(zhì)勘探中有重要地位，更因?yàn)槠渚哂秀@進(jìn)速度快、石材損耗小、不破壞周邊環(huán)境等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于大理石、花崗石、鋼筋水泥墻面的鉆孔。金剛石鉆頭是在鋼的基體上連接一種由金剛石和胎體材料熱壓而成的一種復(fù)合燒結(jié)體，常稱之為刀頭。國(guó)內(nèi)的鉆頭常采用釬焊的方法連接。金剛石取芯鉆頭工作時(shí)由于轉(zhuǎn)速極快，受強(qiáng)烈的沖擊和震動(dòng)，需要高的剪切強(qiáng)度和高溫強(qiáng)度。釬焊的鉆頭刀頭經(jīng)常由于高速鉆進(jìn)發(fā)熱引起釬料熔化而脫落^［1］。所以，國(guó)外從80年代后期就發(fā)展用激光焊代替釬焊，激光焊與釬焊比較有如下優(yōu)點(diǎn)：由于基體與刀頭是冶金結(jié)合，強(qiáng)度高，刀頭不易脫落，特別是在無(wú)水的情況下；焊縫為細(xì)小均勻的柱狀晶組織，不易產(chǎn)生裂紋，保證鉆頭在高速鉆進(jìn)時(shí)不致于開裂而產(chǎn)生危險(xiǎn)；焊縫和熱影響區(qū)極窄，對(duì)金剛石沒(méi)有影響，保證了產(chǎn)品的最佳性能；易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，效率高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，并且產(chǎn)品的平均成本低。
　　金剛石取芯鉆頭的結(jié)構(gòu)如圖1所示。目前國(guó)外市場(chǎng)需要的激光焊鉆頭幾乎與激光焊鋸片相當(dāng)，市場(chǎng)潛力很大，利潤(rùn)也相對(duì)較高。由于金剛石取芯鉆頭的刀頭是粉末冶金材料，不可避免地存在孔隙，焊接難度大；基體與刀頭是異種材料的焊接，刀頭比基體厚，難于雙面焊接，所以比起金剛石圓鋸片來(lái)焊接難度更大，目前國(guó)內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)這方面的報(bào)道。我們經(jīng)過(guò)幾百次的試驗(yàn)和探索，取得了較好的效果，成功地解決了關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)已應(yīng)用于實(shí)際生產(chǎn)中，產(chǎn)品全部出口，用戶反映良好。

Fig.1　The structure of the diamond core drills

1　試驗(yàn)裝置及方法

　　試驗(yàn)是在美國(guó)進(jìn)口的快速縱流激光器上進(jìn)行，該機(jī)是美國(guó)80年代先進(jìn)產(chǎn)品，型號(hào)為EFA-51，輸出模式為TEM₀₀和TEM₀₁，最大輸出功率為1500W。選用f=100mm的GaAs聚焦透鏡，通同軸保護(hù)氣體Ar氣以保護(hù)焊縫及透鏡。鉆頭基體和刀頭被裝夾在專用的夾具上。回轉(zhuǎn)工作臺(tái)能帶動(dòng)夾具及鉆頭作圓周運(yùn)動(dòng)，并且能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)角度，試驗(yàn)裝置如圖2所示。激光束稍偏于基體一側(cè)，并采用一定的負(fù)離焦。為使刀頭基體吻合良好，刀頭焊前須磨弧、去毛刺，以免漏光損失能量；為減少焊接缺陷，焊前必須去除焊接部位及其附近的油污、氧化皮和水分。
　　基體材料為普通的45^#鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，厚2mm；由于金剛石在高溫下易石墨化，激光焊接時(shí)會(huì)在焊縫中出現(xiàn)空洞，所以，刀頭需設(shè)計(jì)1.5mm～2mm的過(guò)渡層，作者通過(guò)大量的試驗(yàn)，選取一種特殊的Co混合物作為過(guò)渡層，刀頭厚3mm。
　　鉆頭焊后，目測(cè)和用10倍放大鏡觀測(cè)焊縫外觀，檢驗(yàn)<