3.4 釺焊硬質合金的缺陷及防止
（1）硬質合金釺焊裂紋產生的原因
導致硬質合金釺焊工件的裂紋因素是多方面的，如槽形設計、釺焊工藝、加熱過程及刃磨等。
① 一些硬度高、強度低的硬質合金，如YT60、YT30、YG2和YG3X等，容易產生釺焊裂紋。尤其是這些牌號的硬質合金的釺焊面積比較大時更應當引起重視。
② 封閉式或半封閉式的槽形，是增加釺焊應力促使造成裂紋的重要原因。應在滿足焊縫強度使用要求的情況下，儘可能減少釺焊面積，以減小釺焊應力。
③ 焊接加熱速度太快或焊后冷卻速度過快會造成熱量分佈不均，產生瞬時應力引起裂紋。快速加熱時，硬質合金外層受壓應力，中間受拉應力，超過允許的加熱速度時，可能產生可見的裂紋和內部不可見的裂紋。釺焊后快速冷卻時，外層上會出現拉應力，而引起合金中出現裂紋。應避免將工件放在潮濕的地面上，或放在潮濕的石灰槽中，這會使硬質合金因驟冷而產生裂紋。
④ 硬質合金本身有缺陷，在焊前檢查時未能發現而導致釺焊后發生裂紋。對於大面積或特殊形狀的硬質合金，釺焊前必須逐塊的進行嚴格檢查。硬質合金在燒結過程中的缺陷，如小裂紋、崩角、疏鬆等情況，加熱釺焊后可能擴大形成大裂紋。
⑤ 釺焊后刃磨不當也會產生裂紋，如砂輪的材料、硬度和粒度等選用不合適，磨削時用水冷卻，磨削余量留的過大、磨削工藝不當等也易造成裂紋。
（2）減少硬質合金釺焊裂紋的措施
① 在焊縫中加補償墊片是減小焊縫應力的有效措施之一。在焊縫中加補償墊片的方法很多，如用鐵絲網、沖孔填片、鎳鐵合金墊片和在硬質合金上電鍍純鐵等。由於這些補償物的熔點高於釺料熔點200℃以上，釺焊時墊片不熔化而夾在焊縫中間。焊縫冷卻時，硬質合金和基體金屬之間的焊縫各層有充分塑性變形，使焊縫各部分能比較自由地收縮，減小了釺焊應力。但是加補償墊片會導致焊縫強度的大幅度下降（見表9）。其中採用鐵絲網或沖孔墊片的焊縫強度降低60%。由50%鎳和50%鐵所組成的鎳鐵合金補償墊片雖能較好地消除應力和不降低焊縫強度，但因含鎳量過多不宜在生產中大量使用。生產中用厚度為0.4～0.5mm的低碳鋼片或鍍鎳鐵片做補償墊片，可取得很好的效果。
表9 焊縫中墊放附加材料對縫強度的影響
附加材料
硬質合金
基體材料
焊 料
熔 劑
焊縫平均剪切強度
/MPa
鐵絲網
YT15
45鋼
62黃銅
脫水硼砂
121
鍍鎳鐵
YT15
45鋼
62黃銅
脫水硼砂
186
硬質合金鍍鐵
YT15
45鋼
62黃銅
脫水硼砂
77
② 採用雙層硬質合金釺焊法是一種防止裂紋的有效措施。這種方法不需要特殊材料，便於推廣使用。能消除YT30、YT60、YG2、YG3X等高硬度硬質合金的釺焊裂紋。是將高強度的YG8硬質合金作墊片與基體焊在一起，然後將強度低硬度高的硬質合金再焊在上面。其優點在於使釺焊應力集中在作為墊片的高強度硬質合金上，而上面容易發生裂紋的硬質合金因與YG8焊在一起，線膨脹係數比較接近，釺焊后應力小，不會產生裂紋。由於有兩層硬質合金疊焊在一起，硬質合金整體的抗壓強度提高，延長了刀具的使用壽命。
③ 用紫銅片做補償墊片時雖然可以有效地減小釺焊應力和防止產生裂紋，但需使用熔點低於850℃的焊料，如L-Ag-49銀焊料，否則在釺焊時容易使紫銅片熔化而失去作用。紫銅本身比較軟，不適於在衝擊或重載荷和高溫情況下使用。
④ 當釺焊狹長條形狀的硬質合金工件時，為了減小釺焊應力和防止發生裂紋，可採用雙層硬質合金釺焊，下面的一層由小塊硬質合金拼成，成為預製「裂紋」形式。這種方法對消除裂紋特別有效，可在大型硬質合金刀具和特殊硬質合金的模具上使用。
（3）硬質合金釺燭發生脫焊的原因
① 硬質合金的釺焊面在焊前未經過砂或磨光處理，釺焊面上的氧化層降低了釺料的潤濕作用，削弱了焊縫的結合強度。
② 釺劑選擇和使用不當也會發生脫焊，例如採用硼砂作為釺劑時，因生硼砂含水分較多而不能有效地起到脫氧作用，結果釺料不能很好地潤濕被釺焊面，而發生脫焊現象。
③ 正確的釺焊溫度應在釺料熔點以上30～50℃時最為合適，溫度過高或過低都會發生脫焊。加溫過高會使焊縫中產生氧化現象。用含鋅的釺料會使焊縫呈藍色或白色。當釺焊溫度過低時，會形成比較厚的焊縫，焊縫內部布滿了氣孔和夾渣。以上兩種情況會使焊縫的強度下降，當刃磨或使用時容易發生脫焊。
④ 釺焊過程中沒有及時地排渣或排渣不充分，使大量的釺劑熔渣殘留在焊縫中，降低了焊縫的強度，造成脫焊。
4. 硬質合金與鋼的焊接實例
4.1 YT15合金與40鋼的火焰釺焊
（1）材料特點及焊接缺陷
刀片材料為鈦鎢鈷硬質合金YT15，成分為：WC78％～80％，TiC15%～16%，Co5%～6%；刀體材料為40鋼。這兩種材料焊接時常見的焊接缺陷有以下幾種。
① 出現淬硬組織 由於母材金屬含碳、碳化物及合金元素較多，焊后在40鋼母材一側產生馬氏體淬硬組織；
② 產生熱裂紋 這是因為母材金屬含硫量較高，合金偏析等造成的；
③ 形成冷裂紋 由於兩種母材金屬的線膨脹係數不同，焊接時產生應力變形，在低溫時冷裂紋傾向較大。
（2）釺焊前的準備及釺劑、釺料
① 採用機械方法加工鑲嵌槽 在刀體前部加工刀片的鑲嵌槽，十槽的形狀和角度與刀片一致，確保裝配嚴密。對鑲嵌槽內部及周圍進行清更小，徹底清除油污及雜質，最後再放置YT15合金刀片。
② 選用填充材料 選用釺劑為QJ301，主要成分：硼砂30%，硼酸70%；釺焊溫度850～1150℃；選用釺料牌號為HL105（型號為BCu58ZnMn）。釺焊設備與用具注意配套使用，選用H01-12型焊炬，配用5號焊嘴。氧氣壓力為0.7MPa，乙炔壓力為0.001～0.1MPa。
（3）操作技術要點
① 為了防止YT15硬質合金刀片脫碳或過燒，釺焊時要選用碳化焰。
② 釺焊溫度1000℃為宜，從實際生產經驗看，刀片加熱呈亮紅色。如果刀片呈暗紅色或白亮色時不能釺焊，因為前者溫度過低，後者溫度過高，已出現過燒現象。
③ 釺焊時焊炬由左向右、由右向左、由上向下反覆對刀體進行加熱，使刀體和刀片受熱均勻一致。
④ 釺焊時焊嘴與刀桿的間距為50mm，焊嘴也刀桿端傾斜角度為110º，這樣可保證有效地利用火焰熱量和加熱平衡；釺焊過程中，要使火焰始終覆蓋在整個釺焊部位，使之與空氣隔離，以防止氧化或產生氣孔。
⑤ 釺焊速度按大小來確定，一般應在1min之內焊完，這樣能有效地防止YT15硬質合金刀片過燒或脫碳。
⑥ 釺焊之後，要用火焰對刀片部位進行加熱，然後慢慢地將焊嘴離開，使其緩慢冷卻，防止裂紋。
4.2 YT05硬質合金與40Cr鋼的真空釺焊
硬質合金滾齒刀在生產中應用較多，既可加工各種齒輪，又能在加工硬齒面齒輪時，用刮削加工代替磨齒工藝。這種滾齒刀是由YT50硬質合金與40Cr中碳鋼採用真空釺焊工藝焊接而成的。
① 滾齒刀材質 刀體材質為40Cr鋼，刀片材質為YT50硬質合金。
② 填充材料
a. 釺料 選用厚度為0.2mm的片狀純銅釺料BCu(Cu99.95%)，熔化溫度1083℃，釺焊溫度1100～1150℃；
b. 釺劑 選用釺劑牌號為YJ1，主要成分為硼砂，釺焊溫度為800～1150℃。也可以選用硬釺劑QJ201，傾瀉成分為：硼酸80%，硼砂14.5%，氟化鈣5.5％；釺焊溫度為850～1150℃。
③ 釺焊操作要點
a. 將釺料按齒形剪好，夾置於刀體與刀片之間。用夾具將刀片固定在刀體上，夾具與焊件的接觸部位要塗釺劑，然後裝入真空爐中。
b. 在冷態將爐內抽真空到5×10-2Pa，然後以450℃/h的速度將爐溫加熱到1000℃，並約爐中填充高純氬氣，保證爐內壓力為2～3Pa，穩定30～40min，使刀體內外溫度均勻。
c. 以250℃/h的速度將爐溫加熱到1120℃，保溫15min，然後使爐溫隨爐內壓力冷卻到900℃以下，再次對爐內填充高純氬氣，使爐內壓力升高到4×104Pa。
d. 當爐溫冷卻到400℃以下時，加大氬氣填充量，使爐內壓力上升到8×104Pa，然後啟動風扇攪拌氬氣，爐溫冷卻到65℃以下出爐。
e. 滾齒刀出爐后嚴禁碰撞，在空氣中自然冷卻，這時車間的環境溫度不應低於零度。f. 刀體與刀片完全冷卻收縮后，慢慢拆卸夾具，使夾具和滾齒刀不受損壞，清理釺焊
好的滾齒刀。
4.3 CW50鋼結硬質合金與45鋼的焊接
（1）摩擦焊
生產中採用摩擦焊焊接CW50鋼結硬質合金（WC50CrMo）與45鋼時，主要困難是在兩種母材金屬的熱影響區出現淬硬組織。從摩擦焊接頭熱處理后的金相組織看，在45鋼母材一側有馬氏體淬硬組織，在CW50鋼結硬質合金一側為馬氏體加碳化物，硬度達HV720。採用摩擦焊工藝對CW50鋼結硬質合金與45鋼進行焊接時，如果工藝參數選擇不合理會使焊接接頭產生裂紋。可採用C20型摩擦焊機，主軸電動機功率為17kW，主軸轉速為2000r/min，最大軸向壓力為1200MPa，加壓方式為液壓，移動夾具進行加壓。CW50鋼結硬質合金與45鋼摩擦焊的工藝參數見表10。
表10 CW50鋼結硬質合金與45鋼摩擦焊的工藝參數
被焊材料
工 藝 參 數
摩擦壓力
/MPa
摩擦時間
/s
摩擦轉速
/r.min-1
頂鍛壓力
/MPa
停車時間
/s
45鋼+CW50CrMo
100～150
6
2000
300～500
0.8
註：表中焊接參數是在C20型摩擦焊機上測定的。
（2）閃光對
採用連續閃光對焊焊接CW50鋼結硬質合金與45鋼時，主要經歷以下兩個過程。
① 燒化過程 兩種母材金屬在燒化過程中，接觸面上的平均電阻值遠大於焊件本身電阻，接觸面上的析熱在加熱中起主導作用。由於燒化期間焊件之間的壓強極低，焊件間僅通過稱為「過染」的液體金屬熔滴相連。在燒化過程中，整個端面上形成了一薄層液體金屬以保護內部金屬不受氧化，而液體金屬本身在頂鍛力的作用下被擠出接頭，液面的氧化物也隨之被擠出，避免了產生夾雜。
② 頂鍛過程 兩種母材金屬接頭燒化之後要迅速靠攏，把液體金屬及氧化物在凝固前擠出接頭。這時，在頂鍛力作用下，接頭局部產生較大的塑性變形，使兩種母材金屬結合面上形成共同晶粒，從而可獲得牢固的焊接接頭。
③ 焊接工藝參數 採用UN1-75型通用閃光對焊機，額定功率為75kW，二次空載電壓為3.5～7V，頂鍛壓力為300MPa，焊機送進機構為槓桿，閃光對焊截面積達600mm2，焊機夾緊方式為螺旋夾緊。採用閃光對焊工藝對CW50鋼結硬質合金與45鋼進行焊接時，推薦的工藝參數見表11。
表11 CW50鋼結硬質合金與45鋼閃光對焊的工藝參數
被焊材料
伸出長度/mm
燒化量/mm
頂鍛壓力
/MPa
頂鍛速度
/mm.s-1
CW50
45鋼
CW50
45鋼
45鋼+CW50CrMo
12
20
4
20
120～160
20
註：表中焊接參數是UN1-75型閃光對焊機上測定的。
採用閃光對焊焊接CW50鋼結硬質合金與45鋼的焊接接頭，熱處理后金相組織的特點如下。
a. 在CW50鋼結硬質合金母材金屬側，發生碳化物堆聚現象，因此淬硬傾向較大。
b. 在45鋼母材金屬一則，有CW50合金呈帶狀或網狀分佈，組織為馬氏體加碳化物，硬度高達HV730。
c. CW50鋼結硬質合金與45鋼閃光對焊焊接接頭的強度較高，但由於碳化物的存在，接頭的塑性較低。
4.4 印製電路板硬質合金切刀頭的真空釺焊
印製電路板硬質合金切刀頭的功能是在高速旋轉（5000～8000r/min）過程中，將印製電路板多餘引線切除，要求刀片與刀體的連接強度高，切應力大於200MPa。刀體材料為9SiCr，硬質合金為YG8。每塊硬質合金的面積約1200mm2，厚度為2mm。要求釺焊后刀體的變形量不大於0.5mm。
印製電路板硬質合金切刀頭的釺焊接頭容易產生裂紋，為了保證接頭質量，釺料選用厚度20～30μm的非晶態高強度鎳基釺料BNi82.5Cr7Si4.5B3Fe。印製電路板硬質合金切刀頭真空釺焊的工藝步驟如下。
① 裝配前 在兩片非晶態箔狀釺料之間夾置厚度0.5mm的紫銅（T2）補償片。紫銅片的作用不僅是吸收釺焊應力，更重要的是紫銅片與釺基釺料能形成Ni-Cu固溶體的釺縫金屬。
② 彩和專用夾具，用螺紋旋具上緊夾具，保證夾緊力均勻。
③ 冷態抽真空到5×10-1Pa，以500℃/h的速率加熱到900℃，穩定20～30min；以450℃/h速率加熱到1050℃，保持10～12min，斷電。
④ 真空冷卻到450℃，充氬氣冷卻到300℃，氣體風扇冷卻到65℃以下出爐。
4.5 硬質合金與鋼的真空釺焊實例
（1）刮刀式硬質合金鑽頭的真空釺焊
刮刀式硬質合金鑽頭是地質勘探或石油鑽井使用的硬質合鑽頭。過去採用火焰或高頻釺焊，在大氣介質中進行焊接，導致硬質合金氧化，使鑽頭壽命降低。另外，如果使用銀基釺料火焰釺焊，雖然釺焊溫度低，但接頭強度仍不很高，很維滿足大口徑（直徑φ215mm以上）油井深孔（大於2000m）鑽進的要求。
改用真空釺焊時，對鑽頭體材料為35CrMo鋼，切削齒材料為YG11C的硬質合金鑽頭。選用BCu81Ni釺料，真空度為5×10-2Pa，釺焊溫度1150℃，釺焊保溫時間為15min，獲得的鑽頭接頭強度σb>450MPa，用於大口徑深孔鑽進，鑽頭壽命可提高約2～3倍。
（2）硬質合金閥座的真空釺焊
工作在腐蝕性介質中的硬質合金與馬氏體不鏽鋼真空釺焊而成的閥座，既要求耐磨，又要求抗腐蝕。閥座材料分別為YG3硬質合金和4Cr13馬氏體不鏽鋼，二者線膨脹係數相差3倍，釺縫受力小於100MPa。工藝步驟如下。
① 真空釺焊時，選用BCu97NiB釺料，用夾具定位，以保證閥座上下兩段的同心度。
② 冷態抽真空到2×10-2Pa，以650℃/h的速率加熱到1000℃，穩定30min，充高純氬氣使爐內壓力上升到2～3Pa。
③ 以450℃/h的速率加熱到1100℃，保溫10min，斷電。
④ 隨爐內壓力緩冷到600℃以下，充氬氣冷卻到300℃以下，啟動風扇加速冷卻到65℃以下出爐。
釺縫外觀光潔緻密。
