黄杰榕，王颖达，黄国钦

（华侨大学 制造工程研究院，福建 厦门 361021）

目前，钎焊金刚石的钎料多使用Ni－Cr、Ag－Cu和Cu－Sn三类合金。其中，应用最广泛的是Ni－Cr钎料。Ni基钎料具有较高的强度及硬度，但钎焊时温度极高，容易对金刚石造成热损伤而导致金刚石性能下降，影响钎焊金刚石的强度和工具寿命。Ag－Cu或Cu－Sn以低熔点合金作为钎料，对金刚石浸润性良好，金刚石热损伤小。但低熔点合金钎料硬度不高，耐磨削、耐高温性能差，应用范围受到限制［1－3］。

铁基钎料［4－5］的主要优点是：较适宜的力学性能，如抗弯强度、硬度等；对金刚石有较好的润湿性和更高的附着力；对骨架材料的润湿性好；同时，铁基钎料具有价格低廉的经济优势，深受广大研究者和厂商的重视，是近年来国内外重要的应用及发展方向［6］。因此本文尝试使用铁基钎料钎焊金刚石，通过评价钎焊后的表面质量、金刚石剪切力及磨削性能来对该钎料进行探索，以期为铁基钎料的使用和推广提供基础实验数据。

1 实验条件及方法

所用磨粒为韩国日进ISD1600品级35／40目（约420～500μm）金刚石。基体材料为45钢，钎焊前用酒精对其进行浸泡清洗。钎料为Fe基合金粉末，其主要元素成分如表1所示，钎料涂覆厚度为150μm。钎焊试验在图1所示的UWLPYPO1连续激光焊接机上进行，激光器为IPG500W光纤激光器。激光采用连续出光模式，圆形光斑，并采用Ar气保护，激光加热可调整参数为激光功率、扫描速度和离焦量。采用日本浩视公司KH-8700三维视频显微镜观测焊后金刚石的形貌。

表1 Fe基钎料成分Table 1 Fe－based filler alloy composition

图1 激光钎焊设备Fig.1 Laser brazing equipment

1.1 钎焊金刚石把持力测试

为测试钎焊金刚石磨粒与钢基体的结合强度，搭建如图2所示剪切试验装置。该装置主要由刚性机架、三轴精密进给装置、硬质合金车刀、微型摄像头和测力仪及数据采集系统组成。垂直方向上对刀装置由非旋转芯轴微分头（精度10μm）控制，以此保证剪切深度的精确性。

图2 钎焊金刚石磨粒剪切装置Fig.2 Shearing device of brazed diamond grits

图3 剪切示意图Fig.3 Schematic diagram of shearing

剪切力试验方案如图3所示，将钎焊金刚石工件由夹具固定在测力仪上，通过微型摄像头及测力仪信号，将硬质合金刀具刀刃部分移动到金刚石磨粒的最高表面，再结合前期测量出的金刚石出刃高度H，通过微分头移至金刚石出刃1／2H处为剪切点。控制步进电机速度0.5mm／s进行单颗金刚石剪切试验。对钎焊金刚石磨粒进行剪切测试，对剪切过程中X、Y、Z三个方向的力信号进行采集，由此可计算合力，表征钎焊金刚石磨粒与钢基体的结合强度。

1.2 钎焊金刚石磨损试验

制备激光钎焊金刚石铣磨头，并通过铣磨603花岗岩（尺寸为100mm×100mm×20mm）进行磨损性能评价。铣磨试验在沈阳第一机床厂生产的VMC850E立式加工中心上进行，如图4所示。实验方案如表2所示，观察不同加工量下铣磨头表面金刚石的磨损形态情况。

图4 铣磨试验Fig.4 Abrasion grinding test

表2 铣磨试验方案Table 2 Program of abrasion and grinding tests

2 试验结果与讨论

2.1 不同激光加工参数下钎焊金刚石表面形貌

保持离焦量－12mm、扫描速度0.35mm／s（以下实验都采用此离焦量和扫描速度），调整激光功率在100～140W范围变化，得到钎焊后金刚石试样的表面形貌如图5所示。

如图5a和b所示，激光功率为100W和110W时，钎焊层表面致密化有限，出现气穴和孔洞。这是因为激光功率偏低，合金粉处于不完全熔化的状态，润湿性差［7］，因此形成断续的表面；提高激光功率到120W时，如图5c所示，钎焊层表面光滑，合金粉末熔化充分，金刚石颗粒保存完整，晶型完整，棱角分明，表面无明显的损伤；如图5d和e所示，进一步将激光功率提高到130W和140W时，钎焊金刚石表面出现严重的热损伤，功率越大热损伤越严重。

综上所述，从钎焊后的试样形貌，焊道完整性，金刚石是否受损来分析，在离焦量－12mm、扫描速度0.35mm／s的工艺参数下，选择激光功率120W可获得良好的焊接质量。

2.2 钎焊金刚石把持力测试

图5 不同激光功率下的钎焊金刚石的表面形貌Fig.5 The brazing morphologies of diamonds with different laser powers

金刚石颗粒在磨削过程中的破坏形式主要以剪切破坏为主，而剪切力正是导致金刚石破坏甚至脱落的主要原因，因此，用剪切力的大小来表征金刚石工具的钎焊强度，更符合磨粒的实际切削状态［8］。

在激光功率120W，扫描速度0.35mm／s、离焦量－12mm的试验条件下，选取40颗钎焊金刚石进行剪切。实验中，固定每次剪切金刚石磨粒的力臂为1／2金刚石出刃高度。在具体操作时，先将硬质合金刀降到钎料层高度，然后利用非旋转芯轴微分头将刀具升起至金刚石高度1／2出刃处，移动工作台金刚石磨粒施加剪切力，直到金刚石磨粒发生剪切破坏。金刚石磨粒受剪切载荷时的信号波形如图6所示，通过读取最大峰值与初始值的差值来确定每个方向上所受载荷，并计算三个方向上的合力，即为剪切力大小。

图6 剪切信号波形Fig.6 Signal waveform of shearing

钎焊金刚石剪切力统计如图7所示。从图中可知，钎焊金刚石剪切力的范围主要分布在50～100N和100～150N之间，其比例各占30.5%；剪切力在150～200N之间占比18%；其中剪切力在0～50N和200～250N及250～300N范围之间分别占比6%、6%和9%。

图7 钎焊金刚石剪切力统计图Fig.7 Statistical diagram of diamond shear force

进行剪切试验时，钎焊金刚石颗粒出现折断现象，根据实验结果统计，大多数金刚石磨粒受剪切力时，其破坏形式均为折断，仅少数出现金刚石脱落现象，从图8可见，金刚石受剪切载荷时自身发生脆性断裂，说明钎料与金刚石界面已经形成了牢固结合。因为一般强度测试断面应该是接头复合体最薄弱的环节，在测试中金刚石发生断裂，说明此时钎料对金刚石的把持力大于金刚石自身强度，从而当施加剪切载荷时，金刚石从钎料层被断裂下来，这是理想的钎焊效果，因此可以肯定合金钎料与金刚石界面已形成了牢固结合。

图8 钎焊金刚石磨粒折断图Fig.8 Fracture of brazed diamond

2.3 钎焊金刚石磨损试验

钎焊金刚石工件在整个磨削试验过程中出现5种典型表面晶型形态：完整、磨平、微破碎、宏观破碎、脱落。如图9所示。其中，完整晶形：金刚石磨粒外形和表面无明显损伤，保持锋利的切削刃；磨平：一般是由于机械式摩擦及磨蚀造成的，磨平进一步扩大，金刚石将失去切削能力；微破碎：在磨削过程中金刚石受到机械冲击和热冲击作用产生局部破碎，局部破碎使金刚石产生新的切削刃，可维持磨粒的切削能力，属于正常工作状态；大破碎：是磨粒经受重载荷或小块破碎进一步受损而产生，导致金刚石破碎面积相应增大，严重影响其切削能力，甚至失去切削能力；脱落：是由于结合剂对金刚石的把持力不足而使其脱落或拔出。从工具使用效率和寿命考虑，磨削过程中磨粒完整和微破碎所占百分比越高越好，而发生脱落和大破碎的比例越小越好［9］。

图10为金刚石正常磨削过程形貌追踪统计图，在钎焊金刚石铣磨603花岗岩过程中：随着花岗岩磨量的增加，完整的金刚石磨粒数量逐渐减少；微破碎的金刚石磨粒数逐渐增减，在磨削过程中仅1颗脱落的金刚石破损形态。在磨损试验初始阶段（花岗岩去除量12cm3），微破碎金刚石颗粒快速增加；在花岗岩去除量达到140cm3期间，微破碎金刚石数目速度相对平缓，并出现金刚石宏观破碎和脱落的磨损形貌；花岗岩去除量达到220cm3时，微破碎金刚石数目继续增加，但仍未发现金刚石磨粒被大面积磨平。在磨削过程中，主要出现磨平、微破碎、大破碎的正常磨损形式，极少发现金刚石颗粒整颗脱落的情况，这一方面说明铁基钎料很好地实现了对金刚石的高度把持，金刚石很好地发挥了其切削性能。

图9 激光钎焊金刚石几种典型磨损形貌Fig.9 Typical wear morphologies of laser brazed diamond

图10 激光钎焊金刚石磨损形貌与花岗岩去除量Fig.10 Wear morphologies of laser brazed diamond against the removal of granite

3 结论

本文主要进行了激光加热下采用铁基钎料连接金刚石／45钢基体的可行性探讨，主要结论如下：

（1）激光加热下，采用铁基钎料可以实现金刚石的钎焊。从钎焊后的试样形貌，焊道完整性来分析，在离焦量－12mm、扫描速度0.35mm／s的工艺参数下，选择激光功率120W可获得良好的焊接质量。

（2）钎焊金刚石剪切力的范围主要分布在50～100N和100～150N，金刚石磨粒受剪切力后的破坏形式为折断，说明钎焊层对磨粒有着很强的把持力。

（3）磨损时，金刚石磨粒出现有完整、磨平、微破碎、大破碎和脱落的表面晶型形态，主要破坏形式为微破碎，极少出现磨粒脱落的情况。金刚石的磨损状态在一定时间内保持了相对稳定的状态，表现出良好的磨削性能。