在本發(fā)明涉及一種金剛石工具的加工方法，尤其涉及一種攪拌摩擦焊接單層金剛石工具的方法。

背景技術(shù)：

近些年來(lái)金剛石工具在工業(yè)生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用，新型金剛石工具多為單層焊接金剛石工具，它利用高溫使得金屬結(jié)合劑粉末在金剛石磨粒、基體金屬之間發(fā)生擴(kuò)散、冶金化合反應(yīng)，從而得到富含碳化物的過(guò)度層，解決了傳統(tǒng)單層電鍍或多層燒結(jié)金剛石工具金剛石磨粒只是被機(jī)械包裹的問(wèn)題，提高了基體對(duì)金剛石顆粒的把持力，從根本上改善了磨料、結(jié)合劑、基體三者間的結(jié)合強(qiáng)度。與傳統(tǒng)的單層電鍍工具相比，焊接工具在磨粒出露高度、磨削力、工具壽命等方面具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

目前，單層焊接金剛石工具的制造方法主要有真空爐焊接、高頻感應(yīng)焊接和激光焊接。真空爐中焊接對(duì)于尺寸較大的金剛石工具，基體整體加熱時(shí)其變形量很難控制，且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，時(shí)間成本及能耗成本較高，金剛石磨粒長(zhǎng)時(shí)間處于較高溫度環(huán)境中，其熱損傷的危險(xiǎn)性加大。高頻感應(yīng)焊接，設(shè)備成本低，加熱、冷卻速度快，可以使焊接周期大為縮短，但其升溫速度、加熱范圍受線圈形狀影響，特別是對(duì)于大型、異型面磨料工具，其感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)、制作也較復(fù)雜。激光焊接是一種快速加熱和快速冷卻的焊接方法，可以有效控制基體在焊接過(guò)程中的熱變形量。然而激光焊接金剛石工具時(shí)，一般是預(yù)置金剛石在金屬結(jié)合劑粉末中，激光掃描金屬結(jié)合劑粉末和金剛石混合層，這會(huì)導(dǎo)致金剛石的石墨化甚至燃燒，嚴(yán)重影響焊接層與金剛石之間的結(jié)合強(qiáng)度。

攪拌摩擦焊（frictionstirwelding，fsw）是英國(guó)焊接研究所于1991年發(fā)明的新型固相焊接技術(shù)，具有節(jié)能環(huán)保、優(yōu)質(zhì)高效等優(yōu)點(diǎn)，自發(fā)明起便受到了廣泛的關(guān)注，也是世界焊接技術(shù)發(fā)展史上自發(fā)明到工業(yè)應(yīng)用時(shí)間跨度最短的連接技術(shù),被譽(yù)為繼激光焊后“焊接史上的第二次革命”。fsw的工藝原理非常簡(jiǎn)單，一個(gè)帶有軸肩和攪拌針的焊接工具高速旋轉(zhuǎn)并將攪拌針擠入對(duì)接板材的接縫處，直至軸肩與工件緊密接觸，在摩擦熱的作用下，材料發(fā)生軟化，隨著攪拌針的攪動(dòng)作用使接縫兩側(cè)的材料產(chǎn)生塑性流變和混合，通過(guò)焊接工具的前移形成密實(shí)無(wú)缺陷的焊縫。fsw已在航空、航天、船舶、軌道交通、汽車等工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是解決焊接金剛石工具過(guò)程中金剛石熱損傷和石墨化的問(wèn)題，提高金屬結(jié)合劑與金剛石磨粒界面結(jié)合強(qiáng)度。

本發(fā)明的技術(shù)方案是提供一種激光-攪拌摩擦焊接金剛石工具的方法，包括如下步驟。

步驟1，利用機(jī)械加工的方法制備金剛石工具的基體，對(duì)基體的表面進(jìn)行除銹、拋光、打磨后，再用有機(jī)溶劑清洗。

步驟2，在所述金剛石工具基體的表面涂覆金屬結(jié)合劑粉末，制得金剛石工具毛坯。

步驟3，提供噴射系統(tǒng)，噴射系統(tǒng)包括依次相連的料斗、送料器、負(fù)壓室、輸送管、噴槍，其中，負(fù)壓室還接有真空發(fā)生器，真空發(fā)生器還設(shè)有輸送氣體入口及控制輸送氣體進(jìn)入輸送氣體入口的輸送氣體閥門。

步驟4，提供金剛石磨粒，采用濃度為8%的稀硫酸對(duì)金剛石磨粒進(jìn)行清洗并用去離子水漂洗后烘干，將金剛石磨粒置于料斗中。

步驟5，提供激光焊接系統(tǒng)，激光焊接系統(tǒng)包括相互連接的激光發(fā)生器與激光焊接頭。

步驟6，提供攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，攪拌摩擦焊接系統(tǒng)包括攪拌頭和攪拌針。

步驟7，啟動(dòng)激光焊接系統(tǒng)，激光束垂直輻照金剛石工具毛坯表面，熔化金屬結(jié)合劑粉末，然而凝固得到釬焊縫。

步驟8，啟動(dòng)攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，沿著激光焊接的焊道，攪拌針壓入上述步驟7中的凝固釬焊縫，對(duì)凝固的釬焊縫進(jìn)行攪拌，啟動(dòng)送料器，打開輸送氣體閥門，打開霧化氣體閥門，金剛石磨粒被噴射到攪拌摩擦焊池。

步驟9，激光焊接頭與攪拌頭間隔一定距離，且同步移動(dòng)，完成焊接過(guò)程。

進(jìn)一步地，步驟8中，攪拌摩擦焊接系統(tǒng)中攪拌針沿著激光焊接的焊道，壓入步驟7中的凝固釬焊縫，對(duì)凝固的釬焊縫進(jìn)行攪拌，啟動(dòng)送料器，打開輸送氣體閥門，打開霧化氣體閥門，金剛石磨粒被噴射到攪拌摩擦焊池，實(shí)現(xiàn)金剛石磨粒與金屬結(jié)合劑的固相連接。

進(jìn)一步地，步驟9中，激光焊接頭與攪拌頭間隔一定距離d。

進(jìn)一步地，距離d為20~100mm。

本發(fā)明的有益效果在于。

（1）本發(fā)明的技術(shù)方案中，采用激光焊接和攪拌摩擦焊接復(fù)合的方式，首先對(duì)單一的金屬結(jié)合劑粉末進(jìn)行激光焊接，實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)合劑粉末與基體的良好連接，在此基礎(chǔ)上，攪拌摩擦焊接系統(tǒng)對(duì)凝固的釬焊縫進(jìn)行攪拌，同時(shí)向攪拌摩擦焊池噴射金剛石磨粒，金剛石磨粒與釬焊縫一同攪拌，實(shí)現(xiàn)金剛石磨粒與金屬結(jié)合劑的固相連接，不存在傳統(tǒng)釬焊焊接時(shí)預(yù)置的金剛石磨粒的熱燒損和石墨化，提高了金屬結(jié)合劑與金剛石磨粒界面結(jié)合強(qiáng)度。

（2）本發(fā)明的技術(shù)方案中，金剛石工具焊接方法無(wú)需釬劑，對(duì)環(huán)境友好。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例中激光-攪拌摩擦焊接金剛石工具宏觀示意圖。

圖2是圖1所示焊接區(qū)域局部示意圖。

圖3是本發(fā)明實(shí)施例攪拌頭局部截面示意圖。

其中：1、基體，2、激光束，3、激光焊接頭，4、焊接方向，5、攪拌頭旋轉(zhuǎn)方向，6、攪拌頭，7、攪拌針，8、輸送管，9、輸送氣體入口，10、送料器，11、控制器，12、金剛石，13、料斗，14、負(fù)壓室，15、真空發(fā)生器，16、霧化氣體入口，17、送料入口，18、金屬結(jié)合劑粉末，19、焊接熔池，20、凝固的焊接縫，21、攪拌摩擦焊池，22、凝固的磨料層。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖1-3以及具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

如圖1所示，金剛石工件基體為45鋼，金屬結(jié)合劑為鎳基釬料，激光束垂直入射在金屬結(jié)合劑粉末上表面實(shí)現(xiàn)金屬結(jié)合劑粉末與基體的連接，同時(shí)在激光束后方攪拌摩擦焊接系統(tǒng)的攪拌針對(duì)凝固的釬焊縫進(jìn)行攪拌，同步噴射金剛石磨粒到攪拌摩擦焊池，實(shí)現(xiàn)金剛石磨粒與金屬結(jié)合劑的固相連接。

該實(shí)施例中，激光-攪拌摩擦焊接金剛石工具的方法包括以下幾個(gè)步驟。

步驟1：利用機(jī)械加工的方法制備金剛石工具的基體1，對(duì)基體1的表面進(jìn)行除銹、拋光、打磨后，再用有機(jī)溶劑清洗。

步驟2：在所述金剛石工具基體1的表面涂覆金屬結(jié)合劑粉末18，制得金剛石工具毛坯，其中，金屬結(jié)合劑粉末層厚度為0.25~0.3mm。

步驟3：提供噴射系統(tǒng)，噴射系統(tǒng)包括依次相連的料斗13、送料器10、負(fù)壓室14、輸送管8、送料入口17和霧化氣體入口16，其中，負(fù)壓室14還接有真空發(fā)生器15，真空發(fā)生器15還設(shè)有輸送氣體入口9及控制輸送氣體進(jìn)入輸送氣體入口的輸送氣體閥門。

步驟4：提供金剛石磨粒12，采用濃度為8%的稀硫酸對(duì)金剛石磨粒12進(jìn)行清洗并用去離子水漂洗后烘干，將金剛石磨粒12置于料斗13中。

該步驟中，金剛石磨粒規(guī)格為25~55目。

步驟5：提供激光焊接系統(tǒng)，激光焊接系統(tǒng)包括相互連接的激光發(fā)生器（未圖示）與激光焊接頭3。

步驟6：提供攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，攪拌摩擦焊接系統(tǒng)包括攪拌頭6、攪拌針7。

步驟7：?jiǎn)?dòng)激光焊接系統(tǒng)，激光束2垂直輻照金剛石工具毛坯表面，熔化金屬結(jié)合劑粉末18，然而凝固得到釬焊縫20。

該步驟中，所述激光束為co2激光器，光纖激光，碟片激光，nd:yag激光或半導(dǎo)體激光器。

激光器平均輸出功率為300~600w，脈沖重復(fù)頻率為20~200hz，激光束掃描速度為0.1～10m/min、光斑直徑為5~10mm，激光束聚焦鏡焦距為200~400mm，離焦量為[-10mm，0）和（0，+10mm]。

步驟8：?jiǎn)?dòng)攪拌摩擦焊接系統(tǒng)，沿著激光焊接的焊道，攪拌針7壓入上述步驟7中的凝固釬焊縫20，對(duì)凝固的釬焊縫29進(jìn)行攪拌，啟動(dòng)送料器10，打開輸送氣體閥門，打開霧化氣體閥門，金剛石磨粒12被噴射到攪拌摩擦焊池21。

該步驟中，金剛石磨粒輸送氣體為氮?dú)?，氮?dú)鈿鈮簽?.1~1mpa。霧化氣體為氮?dú)?，氮?dú)鈿鈮簽?~5mpa。

金剛石磨粒以速度為0.1～10m/min經(jīng)噴槍噴射到焊接熔池。

攪拌摩擦焊接速度0.1～10m/min，轉(zhuǎn)速200~600r/min。

步驟9：激光焊接頭3與攪拌頭6間隔一定距離d為20~100mm，且同步移動(dòng)，完成焊接過(guò)程。