金剛石取芯鑽頭的激光焊接

Abstract：This paper deals with the laser welding of diamond core drills and the effect of technical parameters such as the focus position,beam power density and welding speed on the welding strength.The experiment results provide the better technical parameters to correct the practical welding procedure.
Key　words：diamond core drills　laser welding　process parameter

引
言

金剛石取芯鑽頭不僅在地質勘探中有重要地位，更因為其具有鑽進速度快、石材損耗小、不破壞周邊環境等獨特優點而被廣泛應用於大理石、花崗石、鋼筋水泥牆面的鑽孔。金剛石鑽頭是在鋼的基體上連接一種由金剛石和胎體材料熱壓而成的一種複合燒結體，常稱之為刀頭。國內的鑽頭常採用釺焊的方法連接。金剛石取芯鑽頭工作時由於轉速極快，受強烈的衝擊和震動，需要高的剪切強度和高溫強度。釺焊的鑽頭刀頭經常由於高速鑽進發熱引起釺料熔化而脫落［1］。所以，國外從80年代後期就發展用激光焊代替釺焊，激光焊與釺焊比較有如下優點：由於基體與刀頭是冶金結合，強度高，刀頭不易脫落，特別是在無水的情況下；焊縫為細小均勻的柱狀晶組織，不易產生裂紋，保證鑽頭在高速鑽進時不致於開裂而產生危險；焊縫和熱影響區極窄，對金剛石沒有影響，保證了產品的最佳性能；易於實現自動化，效率高，質量穩定可靠，並且產品的平均成本低。
金剛石取芯鑽頭的結構如圖1所示。目前國外市場需要的激光焊鑽頭幾乎與激光焊鋸片相當，市場潛力很大，利潤也相對較高。由於金剛石取芯鑽頭的刀頭是粉末冶金材料，不可避免地存在孔隙，焊接難度大；基體與刀頭是異種材料的焊接，刀頭比基體厚，難於雙面焊接，所以比起金剛石圓鋸片來焊接難度更大，目前國內還未發現這方面的報道。我們經過幾百次的試驗和探索，取得了較好的效果，成功地解決了關鍵技術，現已應用於實際生產中，產品全部出口，用戶反映良好。

Fig.1　The structure of the diamond core drills

1　試驗裝置及方法

試驗是在美國進口的快速縱流激光器上進行，該機是美國80年代先進產品，型號為EFA-51，輸出模式為TEM00和TEM01，最大輸出功率為1500W。選用f=100mm的GaAs聚焦透鏡，通同軸保護氣體Ar氣以保護焊縫及透鏡。鑽頭基體和刀頭被裝夾在專用的夾具上。迴轉工作台能帶動夾具及鑽頭作圓周運動，並且能在一定範圍內調節角度，試驗裝置如圖2所示。激光束稍偏於基體一側，並採用一定的負離焦。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的油污、氧化皮和水分。
基體材料為普通的45#鋼，經調質處理，厚2mm；由於金剛石在高溫下易石墨化，激光焊接時會在焊縫中出現空洞，所以，刀頭需設計1.5mm～2mm的過渡層，作者通過大量的試驗，選取一種特殊的Co混合物作為過渡層，刀頭厚3mm。