金剛石取芯鉆頭不僅地質(zhì)勘探有重要地位，更因為其具有鉆進速度快、石材損耗小、不破壞周邊環(huán)境等獨特優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于大理石、花崗石、鋼筋水泥墻面鉆孔。金剛石鉆頭鋼基體上連接一種由金剛石胎體材料熱壓而成一種復(fù)合燒結(jié)體，常稱之為刀頭。國內(nèi)鉆頭常采用釬焊方法連接。金剛石取芯鉆頭工作時由于轉(zhuǎn)速極快，受強烈沖擊震動，需要高剪切強度高溫強度。釬焊鉆頭刀頭經(jīng)常由于高速鉆進發(fā)熱引起釬料熔化而脫落。所以，國外從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：由于基體與刀頭冶金結(jié)合，強度高，刀頭不易脫落，特別無水情況下;焊縫為細小均勻柱狀晶組織，不易產(chǎn)生裂紋，保證鉆頭高速鉆進時不致于開裂而產(chǎn)生危險;焊縫熱影響區(qū)極窄，對金剛石沒有影響，保證了產(chǎn)品最佳性能;易于實現(xiàn)自動化，效率高，質(zhì)量穩(wěn)定可靠，并且產(chǎn)品平均成本低。

金剛石取芯鉆頭結(jié)構(gòu)。目前國外市場需要激光焊鉆頭幾乎與激光焊鋸片相當(dāng)，市場潛力很大，利潤也相對較高。由于金剛石取芯鉆頭刀頭粉末冶金材料，不可避免地存孔隙，焊接難度大;基體與刀頭異種材料焊接，刀頭比基體厚，難于雙面焊接，所以比起金剛石圓鋸片來焊接難度更大，目前國內(nèi)還未發(fā)現(xiàn)這方面報道。我們經(jīng)過幾百次試驗探索，取得了較好效果，成功地解決了關(guān)鍵技術(shù)，現(xiàn)已應(yīng)用于實際生產(chǎn)，產(chǎn)品全部出口，用戶反映良好。

1．試驗裝置及方法

試驗在美國進口快速縱流激光器上進行，該機美國80年代先進產(chǎn)品，型號為EFA-51，輸出模式為TEM00TEM01，最大輸出功率為1500W。選用f=100mmGaAs聚焦透鏡，通同軸保護氣體Ar氣以保護焊縫及透鏡。鉆頭基體刀頭被裝夾專用夾具上?；剞D(zhuǎn)工作臺能帶動夾具及鉆頭作圓周運動，并且能一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)角度。激光束稍偏于基體一側(cè)，并采用一定負離焦。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油污、氧化皮水分。

基體材料為普通45#鋼，經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，厚2mm;由于金剛石高溫下易石墨化，激光焊接時會焊縫出現(xiàn)空洞，所以，刀頭需設(shè)計1.5mm～2mm過渡層，我們通過大量試驗，選取一種特殊Co混合物作為過渡層，刀頭厚3mm。

鉆頭焊后，目測用10倍放大鏡觀測焊縫外觀，檢驗焊縫有無氣孔、咬邊、裂紋等宏觀缺陷，然后采用DSA標準用專用彎曲強度檢測儀檢驗每個刀頭彎曲強度。

2．試驗結(jié)果及分析

2.1 材質(zhì)分析

基體材料激光焊條件下有較好焊接性。刀頭則不一樣，由于粉末冶金材料，焊接時極易出現(xiàn)氣孔甚至空洞，當(dāng)焊接參數(shù)不當(dāng)時，還會產(chǎn)生裂紋，極大地影響了焊接強度。刀頭性能對焊接性能影響非常大，機械性能好且致密刀頭激光焊條件下，只要焊接參數(shù)選擇得當(dāng)，就能得到符合使用性能焊縫，其抗彎強度可達到或超過1800N/mm2，斷刀頭。材料一定時要使刀頭性能優(yōu)良，首先必須提高刀頭壓制密度，可采用選擇顆粒細、形狀均勻之粉末壓制，另外，不影響金剛石性能前提下，盡量提高燒結(jié)溫度壓制壓力，并選擇合適保溫時間對提高刀頭機械性能很有必要。刀頭內(nèi)不可避免存孔隙，刀頭密度不能達到理論值，但合適壓力、溫度以及保溫時間、粉末混合時間及速度都刀頭致密均勻重要保證，從而保證有良好焊接性能。試驗表明：當(dāng)單位壓力20MPa左右、溫度800℃左右、保溫時間為4min時，即可得到能滿足激光焊需要、又不損壞模具及金剛石性能刀頭。刀頭密度對焊縫強度影響最大，低密度刀頭焊接出來焊縫強度很低，幾乎不可能達到所需強度。

2.2 焊接工藝研究

焦點位置光路系統(tǒng)一定條件下，焦點相對于材料表面位置對熔深、熔寬、熔化效率影響很大。本試驗，采用負離焦可以增加熔深，離焦量約為0.3mm，為減少焊接時飛濺，保護透鏡，降低刀頭材料合金元素?zé)龘p，焦點應(yīng)偏向基體一邊0.1mm左右;為獲得最佳角焊縫效果，入射激光應(yīng)傾斜6°～11°左右;反面焊接時，我們光路系統(tǒng)增加一個反射鏡，置于鉆頭基體筒內(nèi)，將激光束反射到所須位置，，成功地解決了鉆頭因單面焊接易出現(xiàn)強度不穩(wěn)定問題。

激光功率密度

激光功率密度決定焊縫穿透深度主要參數(shù)。光斑直徑一定情況下，功率密度正比于激光功率。功率越高，允許焊接板厚越大，焊接速度越快，生產(chǎn)效率越高，但過大激光功率會使焊縫外觀變壞，由于溶池翻滾，易產(chǎn)生一波一波突起空洞，嚴重降低了焊縫有效承載面積，抗彎強度降低;即使焊后檢驗?zāi)苓_到所需強度，切削過程因為應(yīng)力其，裂紋由孔洞處擴展，出現(xiàn)明顯疲勞斷裂特性;此外，高焊接功率還會使熔池化學(xué)物理反應(yīng)劇烈，飛濺增多，污染透鏡;由于過渡層材料與金剛石胎體材料熱脹系數(shù)不一樣，過高焊接功率條件下，易兩層相接處由于過熱而產(chǎn)生裂紋。雙面焊接?82鉆頭，光斑直徑為0.4mm時，用功率900W能取得較好焊接效果。試驗我們發(fā)現(xiàn)，采用小規(guī)范焊接方法焊接鉆頭能取得好焊接效果。比起金剛石圓鋸片而言，焊接鉆頭激光功率要相對高些，這因為激光入射圓鉆頭基體上被部分反射掉緣故。

焊接速度

焊接速度同激光焊接功率一起影響著焊接區(qū)域熱輸入，因而對焊縫形狀尺寸有較大影響，隨著焊接速度增加，焊縫寬度降低，熔深減少，生產(chǎn)率提高。過大焊接速度會使焊縫無法穿透，強度降低，而且焊縫有害氣體如N2，H2，O2及CO來不及逸出，使焊縫氣孔增多，影響抗彎強度焊縫外觀;當(dāng)焊接速度太低時，焊縫太寬，熱影響區(qū)過熱，晶粒粗大，有時還會產(chǎn)生裂紋，特別兩層相接部位產(chǎn)生裂紋，嚴重地影響了焊接質(zhì)量，并且刀頭合金元素?zé)龘p嚴重，影響了刀頭綜合性能，焊縫部位因為熔池翻滾而出現(xiàn)一個一個空洞。我們試驗，對于?82，?68兩種鉆頭各50個，激光功率選定為900W，轉(zhuǎn)速分別為8r/min，9r/min時，其焊縫彎曲強度都達到超過4000N/mm2，隨后切削過程，也未發(fā)現(xiàn)掉刀頭現(xiàn)象。

保護氣體流量

保護氣體激光焊接過程作用有三：保護焊接區(qū)不被氧化;保護聚焦透鏡;吹散部分等離子云。若氣流量太小，起不到作用，焊縫區(qū)被氧化而引起機械性能惡化，透鏡也易污染損壞，成本增加;過大氣流量會吹翻熔池，影響焊縫成形，增加焊接缺陷，同時減少熔深。我們焊接試驗選用氣流量為0.5L/min。

結(jié)語

(1) 要使激光焊接金剛石取芯鉆頭成功，刀頭配方一定情況下，必須使刀頭致密而且機械性能良好;

(2) 激光焊接金剛石取芯鉆頭過程，必須合理地選擇有關(guān)工藝參數(shù)，如激光功率密度、焊接速度、焦點位置及保護氣體流量，才能保證焊接質(zhì)量;

(3) 采用小規(guī)范焊接工藝焊好鉆頭有效途徑;

(4) 采用光路系統(tǒng)增加一個反射鏡方法可以進行鉆頭反面焊接，解決了鉆頭因單面焊接結(jié)合強度不穩(wěn)定問題，但這種方法不能焊接直徑太小鉆頭;

(5) 激光焊接金剛石取芯鉆頭方法還不適應(yīng)大批量生產(chǎn)，生產(chǎn)率不高，有待進一步改進。