一種超聲輔助激光釬焊金剛石工具的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種金剛石工具的加工方法，尤其涉及一種超聲輔助激光釬焊金剛石工具的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]金剛石工具在工業(yè)生產(chǎn)中的廣泛應(yīng)用，極大提升了加工制造業(yè)的總體水平和能力，但同時(shí)也使得它們的一些原本未被重視的弊端開始逐步暴露出來，不論是單層電鍍的還是多層燒結(jié)的金剛石工具，磨料只是被機(jī)械包埋鑲嵌在鍍層或胎體金屬中，其界面缺乏結(jié)合力，在負(fù)荷較重的高效磨削作業(yè)中，砂輪磨?；蝈儗右酌撀?為增加把持力就必須增加結(jié)合劑層厚度，又會(huì)帶來磨粒裸露高度和容肩空間減小，砂輪容易堵塞，切削效率不高等問題。
[0003]新一代的金剛石工具多為利用釬焊工藝的單層金剛石工具，它利用高溫釬焊料使得釬焊料在金剛石顆粒、胎體金屬之間發(fā)生擴(kuò)散、冶金化合反應(yīng)，從而得到富含碳化物的過度層，提高了胎體對(duì)金剛石顆粒的把持力，從根本上改善了磨料、結(jié)合劑(釬焊料合金)、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，釬焊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)。
[0004]目前，單層釬焊金剛石砂輪的制造方法主要依靠真空爐中釬焊和高頻感應(yīng)釬焊來完成的，然而在金剛石工具的研制過程中發(fā)現(xiàn)這兩種制造工藝都存在不同的局限性。真空爐中釬焊對(duì)于大尺寸砂輪，基體承受整體加熱時(shí)其變形量的控制十分困難，設(shè)備成本較高且生產(chǎn)周期長(zhǎng)，費(fèi)時(shí)耗能，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。
[0005]2013年8月21日公告號(hào)CN 102059660 B發(fā)明專利“一種適用于超高速磨削的組合式釬焊超硬磨料砂輪基體”公開了一種適用于超高速磨削的組合式釬焊超硬磨料砂輪制作方法，將鑲塊單獨(dú)釬焊完成了之后再組裝成為最終的金剛石砂輪。解決了大尺寸砂輪的不能直接釬焊的問題，但由于鑲塊裝配過程中存在誤差，導(dǎo)致金剛石砂輪的整體精度不高。此夕卜，采用高頻感應(yīng)釬焊，設(shè)備成本低，加熱、冷卻速度快，可以使釬焊周期大為縮短，避免了真空爐中釬焊工藝的一些局限性，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。
[0006]2015年7月29日公告號(hào)CN 102974910 B發(fā)明專利“金剛石砂輪感應(yīng)釬焊裝置及釬焊方法”公開了一種金剛石砂輪感應(yīng)釬焊裝置及釬焊方法，解決了當(dāng)前真空爐中釬焊工藝存在的釬焊周期長(zhǎng)、砂輪基體熱變形量大等問題，仍存在異型面磨料工具感應(yīng)線圈的設(shè)計(jì)制作較復(fù)雜的問題。
[0007]近些年來，國(guó)內(nèi)外的研究者提出了激光釬焊金剛石工具的制造工藝，其出發(fā)點(diǎn)是利用激光熱源能量密度高，升、降溫速度快，可以局部加熱，熱影響區(qū)小，便于控制等優(yōu)點(diǎn)彌補(bǔ)真空爐中釬焊和高頻感應(yīng)釬焊工藝中存在的上述問題。然而，目前國(guó)內(nèi)外研究者在金剛石激光釬焊工藝中采用的激光主要是波長(zhǎng)為10.6μπι的⑶2激光，金剛石對(duì)這個(gè)波長(zhǎng)的激光有一定吸收，當(dāng)激光能量過高時(shí)，釬焊后金剛石存在不同形式的燒損氧化和石墨化。金剛石表面石墨化層的存在嚴(yán)重影響釬焊層與金剛石之間的結(jié)合強(qiáng)度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是針對(duì)上述存在問題，提供了一種超聲輔助激光釬焊單層金剛石砂輪的方法，該方法采用短波長(zhǎng)激光進(jìn)行釬焊，釬焊過程中同時(shí)施加超聲波，消除了金剛石熱損傷和石墨化，加速了釬焊熔池傳熱傳質(zhì)，減少了界面反應(yīng)時(shí)間，提高了釬焊料與金剛石磨粒界面結(jié)合強(qiáng)度。
[0009]本發(fā)明的技術(shù)方案是一種超聲輔助激光釬焊金剛石工具的方法，其步驟包括:
[0010]步驟1、利用機(jī)械加工的方法制備金剛石砂輪的基體，對(duì)砂輪基體的表面進(jìn)行除銹、拋光后，再進(jìn)行酒精沖洗；
[0011 ]步驟2、在所述砂輪基體的表面涂覆釬焊料；
[0012]步驟3、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；
[0013]步驟4、采用短脈沖光纖激光對(duì)待嵌入釬焊料中的金剛石磨粒表面進(jìn)行激光毛化處理；
[0014]步驟5、將毛化處理后的金剛石磨粒排布在釬料層的表面，通過環(huán)狀彈性壓緊塊將金剛石磨粒壓入釬料層，制得砂輪成型毛坯；
[0015]步驟6、用工業(yè)酒精或丙酮對(duì)砂輪成型毛坯表面出露的金剛石磨粒的表面進(jìn)行除油和清灰處理；
[0016]步驟7、將砂輪成型毛坯放到加熱爐中至300°C?500°C，并保溫30min;
[0017]步驟8、利用激光加工設(shè)備對(duì)加熱的砂輪成型毛坯進(jìn)行超聲輔助激光釬焊，制成單層釬焊金剛石砂輪。
[0018]本發(fā)明的有益效果在于:
[0019]該發(fā)明的技術(shù)方案中，由于采用短波長(zhǎng)激光進(jìn)行釬焊，金剛石的熱損傷和石墨化很小。萬一在焊接過程中金剛石發(fā)生了熱損傷形成石墨化層，可以通過同步施加的超聲波進(jìn)行破除。同時(shí)在超聲波的輔助下釬焊熔池傳熱傳質(zhì)加快，減少金剛石與熔融釬焊料界面反應(yīng)時(shí)間，提高熔融釬焊料與金剛石磨粒界面結(jié)合強(qiáng)度。
[0020]除此之外，激光釬焊是一種快速加熱和快速冷卻的焊接方法，可以有效控制砂輪基體在釬焊過程中的熱變形量，有利于單層釬焊金剛石砂輪應(yīng)用于高效精密磨削加工，極大縮短了金剛石砂輪的制作周期。
[0021]對(duì)純激光釬焊金剛石砂輪工具，通常選擇大光斑激光束來獲得較大的鋪展面積，但是光斑越大，同等條件相愛所需激光功率越高，大大增加了制造成本;二采用該發(fā)明方法，由于超聲波振動(dòng)可以提高釬焊料的潤(rùn)濕鋪展性，從而，可以采用小光斑小功率激光束施焊，一方面節(jié)省了成本，另一方面，也減小了金剛石磨粒的熱損傷。
[0022]該發(fā)明中超聲變幅桿沒有與工件直接接觸，使這一方法的使用范圍更加廣泛，便于實(shí)現(xiàn)全方位自動(dòng)化柔性釬焊加工，提高生產(chǎn)效率。
[0023]該發(fā)明提出的加熱保溫有助于釋放金剛石磨粒與釬焊料之間的應(yīng)力，同時(shí)，能夠在高溫保溫過程后，結(jié)合不緊密的金剛石磨粒會(huì)自行脫落，從而防止焊接后形成潛在的缺陷。金剛石砂輪釬焊方法無需釬劑，對(duì)環(huán)境友好。
【附圖說明】
[0024]圖1是超聲波輔助激光釬焊金剛石砂輪示意圖；
[0025]圖2是附圖1中釬焊區(qū)域的局部放大圖；
[0026]其中:1、砂輪，2、超聲變幅桿，3、激光束，4、激光頭與超聲變幅桿掃描方向，5、同軸保護(hù)氣體，6、金剛石磨粒，7、凝固的釬焊縫，8、釬焊熔池，9、釬焊料。
【具體實(shí)施方式】
[0027]以下將結(jié)合附圖1-2對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0028]如圖1所示，超聲變幅桿2與激光束3固定在一起，且兩者之間成一夾角α，焊接過程中兩者同時(shí)移動(dòng)。
[0029]砂輪1按圖示方向步進(jìn)間歇轉(zhuǎn)動(dòng)，激光束3與超聲變幅桿2沿砂輪1軸向往返掃描進(jìn)行釬焊。具體地，激光束3直接照射到預(yù)制的釬焊料9和金剛石磨粒6表面，同時(shí)經(jīng)超聲變幅桿2對(duì)釬焊熔池8施加超聲波。
[0030]該實(shí)施例提供了一種超聲輔助激光釬焊單層金剛石砂輪的方法，該方法采用短波長(zhǎng)激光進(jìn)行釬焊，金剛石磨粒6對(duì)這類波長(zhǎng)激光束3吸收率極低，使得激光釬焊過程中金剛石磨粒6的熱損傷和石墨化很小。
[0031]激光釬焊過程中同時(shí)施加超聲波，激光束與超聲變幅桿之間的角度α為15°-60°。利用超聲波的空化作用和破碎作用可以破除實(shí)際操作過程中金剛石磨粒6石墨化層。
[0032]除此之外，超聲波的振動(dòng)效果還可以加速釬焊熔池8傳熱傳質(zhì)，減少金剛石磨粒6與熔融釬焊料界面反應(yīng)時(shí)間，最終實(shí)現(xiàn)釬焊料9與金剛石磨粒6磨粒界面高強(qiáng)度結(jié)合。
[0033]該實(shí)施例提供了一種超聲輔助激光釬焊金剛石工具的方法，其步驟包括:
[0034]步驟1、利用機(jī)械加工的方法制備金剛石砂輪的基體，對(duì)砂輪基體的表面進(jìn)行除銹、拋光，再進(jìn)行酒精沖洗；