第４３卷 第１２期 ２０１３年１２月 激光与红外 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ Ｖｏ１．４３，Ｎｏ．１２ Ｄｅｃｅｍｂｅｒ，２０１３ 文章编号：１００１－５０７８（２０１３）１２—１３４１－０４ ・激光应用技术・ 硬质合金与Ｍ４２高速钢的激光钎焊组织及性能 尚晓峰 ，邓卫东 ，王志坚 ，李 拮 ，罗 帅 （１．沈阳航空航天大学机电工程学院，辽宁沈阳１１０１３６；２．中国科学院金属研究所，辽宁沈阳１１００１６） 摘要：硬质合金与高速钢的物化性能差异较大，利用高能激光束可有效实现硬质合金与高速 钢的焊接。采用负离焦量Ａｆ＝一３ ｆｉｌｍ，激光扫描速度过小（ ＜７ ｍｍ／ｓ）、功率过大（Ｐ＞ １５００ ｗ）时母材中Ｃｏ的大量散失而产生气孔和微裂纹等组织缺陷；速度过大（口＞７ ｒａｍ／ｓ）、功 率过小（Ｐ＜１１００ Ｗ）时钎料Ｃｕ与母材不能互溶，接头组织融合不良。选取 ＝７ ｍｍ／ｓ、Ｐ＝ １１００ Ｗ，钎焊接头形成等轴组织，性能良好，并测定其元素分布及显微维氏硬度。结果显示： 母材中，除含ｃｕ元素外，还有Ｃｏ、Ｍｏ、Ｃｒ、Ｆｅ等元素分布，表明母材与钎料互溶性良好；接头组 织及热影响区显微硬度变化最小，且平均显微硬度最大，分别为９４１．７ ＨＶ，７７８ ＨＶ。 关键词：激光钎焊；激光工艺参数；微观组织；ＥＤＳ分析；显微硬度 中图分类号：ＴＮ２４９ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１－５０７８．２０１３．１２．０４ Ｌａｓｅｒ ｂｒａｚｉｎｇ ｏｒｇａｎｉｚａｔｉｏｎ ａｎｄ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｈａｒｄ ａｌｌｏｙ ａｎｄ Ｗ２Ｍｏ９ Ｃｒ４ＶＣｏ８ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｔｅｅｌ ＳＨＡＮＧ Ｘｉａｏ．ｆｅｎｇ ，ＤＥＮＧ Ｗｅｉ．ｄｏｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｚｈｉ－ｊｉａｎ 一，ＬＩ Ｚｈｅ ，ＬＵＯ Ｓｈｕａｉ’ （１．Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｉｒｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｈｅｎｙａｎｇ Ａｅｒｏｓｐａｃｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１０１３６，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｍｅｔａｌ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｓｈｅｎｙａｎｇ １１００１６，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｒｅ ｅｘｉｓｔｓ ａ ｇｒｅａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ ｂｅｔｗｅｅｎ ｈａｒｄ ａｌｌｏｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｔｅｅｌ ｉｎ ｐｈｙｓｉｃａｌ ａｎｄ ｃｈｅｍｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒ－ ｔｉｅｓ．Ｔｈｅ ｗｅｌｄ ｂｅｔｗｅｅｎ ｈａｒｄ ａｌｌｏｙ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ ｓｔｅｅｌ ｃａｎ ｂｅ ａｃｈｉｅｖｅｄ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｙ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｈｉｇｈ—ｅｎｅｒｇｙ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ．Ｕｓｉｎｇ ｎｅｇａｔｉｖｅ ｄｅｆｏｃｕｓ ａｍｏｕｎｔ Ａｆ＝一３ｍｍ，ｗｈｅｎ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｔｏｏ ｓｍａｌｌ（ ＜７ｍｍ／ｓ），ａｎｄ ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｔ【ｌ（】ｌａｒｇｅ（Ｐ＞１５００Ｗ）．ｓｕｃｈ ｔｉｓｓｕｅ ｄｅｆｅｃｔｓ ｌｉｋｅ ｔｈｅ ｐｏｒｅｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ ｃｒａｃｋｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｒａｉｓｅｄ ｉｎ ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ ｂｅｃａｕｓｅ ｏｆ ｌｏｓｉｎｇ ａ ｌａｒｇｅ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ Ｃｏ．Ｗｈｉｌｅ ｌａｓｅｒ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｓｐｅｅｄ ｉｓ ｔｏｏ ｌａｒｇｅ（ ＜７ｍｍ／ｓ），ｐｏｗｅｒ ｉｓ ｔｏｏ ｓｍａｌｌ（Ｐ＞１５００Ｗ）， Ｃｕ ａｎｄ ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ ｉｓ ｉｍｍｉｓｃｉｂｌｅ。ｉｔ ｗｉｌｌ ｌｅａｄ ｔｏ ｔｈｅ ｐｏｏｒ ｉｏｉｎｔ ｔｉｓｓｕｅ ｆｕｓｉｏｎ．Ｓｏ ＝７ｍｍ／ｓ，Ｐ＝１ １００Ｗ，ｂｒａｚｅｄ ｊｏｉｎｔ ｆｏｒＨｉｓ ｅｑｕｉａｘｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｗｉｔｈ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｔｈｅｎ ｔｅｓｔｓ ａｂｏｕｔ ｔｈｅ ｄｉｓｔｉｂｕｔｉｒｏｎ ｏｆ ｉｔｓ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ａｎｄ ｍｉｃｒｏ—Ｖｉｃｋｅｒｓ ｈａｒｄＢｅＳＳ ａｒｅ ｍａｄｅ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔ ｓｈｏｗｓ ｔｈａｔ：ｅｘｃｅｐｔ Ｃｕ ｔｈｅｒｅ ａｌｓｏ ｅｘｉｓｔｓ ｏｔｈｅｒ ｅｌｅｍｅｎｔｓ ｓｕｃｈ ＵＳ Ｃｏ，Ｍｏ，ａｎｄ Ｃｒ ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ ｉｎ ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ，ｗｈｉｃｈ ｉｎｄｉｃａｔｅｓ ｔｈａｔ ｂａｓｅ ｍｅｔａｌ ａｎｄ ｓｏｌｄｅｒｓ ａｒｅ ｗｅｌｌ ｆｕｓｅｄ．Ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｍｉｃｒｏ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ｊｏｉｎｔ ｏｒｇａｎｉｚａ－ ｔｉｏｎ ａｎｄ ｈｅａｔ ａｆｆｅｃｔｅｄ ｚｏｎｅ ｃｈａｎｇｅｓ ｓｍａｌｌｅｓｔ，ｔｈｅ ｍａｘｉｍｕｍ ａｖｅｒａｇｅ ｍｉｃｒｏ ｈａｒｄｎｅｓｓ ｏｆ ９４１．７ＨＶ ａｎｄ ７７８ＨＶ ａｒｅ ｏｂ。 ｔａｉｎｅｄ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒ ｂｒａｚｉｎｇ；ｌａｓｅｒ ｐｒｏｃｅｓｓ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ；ｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅ；ＥＤＳ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｍｉｃｒｏ ｈａｒｄｎｅｓｓ １ 引 言 硬质合金以其高硬度、高强度、耐高温、热膨胀 系数小和化学性质稳定等优点，广泛应用于高性能 复杂刀具中 卜 。由于硬质合金刀具成本高、制造 加工困难，利用焊接方法将硬质合金与报废、破损的 基金项目：沈阳市科技计划项目“基于激光快速成形的复杂切削 刀具绿色再制造技术研究”（Ｎｏ．Ｆ１１—２６４—１—５６）资助。 作者简介：尚晓峰（１９７２一），男，副教授，主要从事激光快速成形 技术设备、控制和工艺及熔池凝固研究等工作。Ｅ—ｍａｉｌ：ｘ￣ｈａｎｇ ＠１３９．ｃｏｒｎ 收稿日期：２０１３４３４－２６ １３４４ 激光与红外 第４３卷 图４（ａ）中显示，激光功率Ｐ＝１１００ Ｗ时接头组 织的平均显微硬度最大（平均值为９５１．７ ＨＶ），且热 影响区的显微硬度变化趋缓，组织性能良好。激光功 率为８００ Ｗ时，由于能量密度小，母材与Ｃｕ没有互 溶，接头组织（４～６测试点）的显微硬度较小，平均显 微硬度为７１９ ＨＶ；激光功率为１１００ Ｗ、１５００ Ｗ和 １８００ Ｗ时，接头组织的显微硬度变化趋同，平均显微 硬度为９５１．７ ＨＶ、８６６．３ ＨＶ和８５０．７ ＨＶ，在高速钢 一侧硬度略高，原因是激光钎焊熔池的快速凝固相当 于激光淬火，使硬度值增大，但热影响区（７～９测试 点）的显微硬度随激光功率增大而减小，显微硬度平 均值分别为７７９ ＨＶ、６８９ ＨＶ和６３７．３ ＨＶ。 图４（ｂ）为不同扫描速度下截面的显微硬度曲 线，扫描速度 ：７ ｍｍ／ｓ时，接头组织及热影响区的 平均显微硬度均最大，显微硬度平均值分别为 ９４１．７ ＨＶ、７７８ ＨＶ，且ｃｕ与母材互溶性较好，显微 硬度变化最小。扫描速度 ＝５ ｍｍ／ｓ时，能量密度 较大，母材组织中Ｃｏ大量散失而使显微硬度偏高， 但在高速钢一侧Ｃｕ较多渗入母材组织中而使显微 硬度降低；扫描速度为９ ｍｍ／ｓ时熔池的凝固速度 过快，导致硬质合金和高速钢与ｃｕ互溶较差，造成 接头组织的显微硬度偏低。 ４结论 （１）扫描速度为７ ＨＩＩＩＬ／Ｓ时，输入的能量密度合 适，使ｃｕ与ＷＣ等能够充分互溶，且ｃｏ未大量散 失，接头组织的焊接质量较好。扫描速度过大、过小 均出现组织缺陷。 （２）激光功率为１１００ Ｗ时，钎焊接头组织无明 显缺陷。硬质合金组织ＷＣ相有长大趋势，深暗色 Ｃｏ相的含量增加，韧性提高；高速钢组织奥氏体沿 晶界析出结成网状碳化物，韧性和塑性提高。 （３）激光工艺参数：Ａｆ＝一３ ＩＩＩＩＴＩ、Ｐ＝１１００ Ｗ、 ＝７ ｍｍ／ｓ，接头组织为等轴组织，无裂纹、气孔及融 合不良等缺陷，钎焊接头性能较好。 （４）在结论（３）的激光参数下，对接头组织进行 ＥＤＳ分析，硬质合金和高速钢组织中含有ｃｕ、ｃｏ、 Ｍｏ、Ｃｒ、Ｆｅ等元素，钎料与母材渗透良好，形成良好 的冶金结合；显微硬度变化最小，且与其他工艺参数 相比，接头组织及热影响区的平均显微硬度最大，分 别为９４１．７ ＨＶ、７７８ ＨＶ。 参考文献： ［１］ Ｚｈａｎｇ Ｗｅｎｙｕ．Ｌａｔｅｓｔ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｃｏａｔｅｄ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ ｔｏｏｌｓ『Ｊ］．Ｒａｒｅ Ｍｅｔａｌｓ ａｎｄ Ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｃａｒｂｉｄｅｓ ２００８，３６（１）：５９—６３．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 张文毓．硬质合金涂层刀具研究进展［Ｊ］．稀有金属 与硬质合金，２００８，３６（１）：５９—６３． ［２］Ｌｉｕ Ｙｏｎｇ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｐｒｏｓｐｅｃｔ ｏｆ ｈａｒｄ ａｌｌｏｙ［Ｊ］．Ｃｈｉｎａ Ｍｅｔａｌ Ｂｕｌｌｅｔｉｎ，２０１０，３１：３６—３７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 刘咏．硬质合金应用与发展前景［Ｊ］．中国金属通报， ２０１０，３１：３６—３７． ［３］ Ｃｈｅｎ Ｇｕｏｑｉｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｂｉｎｇｇａｎｇ，Ｗｕ Ｚｈｅｎｚｈｏｎｇ，ｅｔ ａ１．Ｒｅ— ｓｅａｒｃｈ ｓｔａｔｕｓ ｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ ｔｏ ｓｔｅｅｌ『Ｊ］． Ｃｅｍｅｎｔｅｄ Ｃａｒｂｉｄｅ，２０１２，２９（６）：３８７—３９２．（ｉｎ Ｃｈｉ— ｎｅｓｅ） 陈国庆，张秉刚，吴振中，等．硬质合金与钢焊接技术 的研究现状［Ｊ］．硬质合金，２０１２，２９（６）：３８７—３９２． ［４］ Ｚｈｕ Ｊｉｎｇｌｅｉ，Ｈｕａｎｇ Ｊｉｈｕａ，Ｚｈａｎｇ Ｈｕａ，ｅｔ ａ１．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ ｏｆ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒｂｉｄｅ ｗｉｔｈ ｓｔｅｅｌ『Ｊ＿． Ｗｅｌｄｉｎｇ＆Ｊｏｉｎｉｎｇ，２００８，２：１５—１９．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 朱警雷，黄继华，张华，等．硬质合金与钢异种金属焊 接的研究进展［Ｊ］．焊接，２００８，２：１５—１９． ［５］Ｘｉａｏ Ｒｏｎｇｓｈｉ，Ｄｏｎｇ Ｐｅｎｇ，Ｚｈａｏ Ｘｕｄｏｎｇ．Ｐｒｏｇｒｅｓｓ ｉｎ ｌａｓｅｒ ｆｕ— ｓｉｏｎ ｗｅｌｄｉｎｇ—ｂｒａｚｉｎｇ ｏｆ ｄｉｓｓｉｍｉｌａｒ Ａｌｌｏｙｓ［Ｊ］．Ｃｈｉｎｅｓｅ Ｊｏｕｒ— ｎａｌ ｏｆ Ｌａｓｅｒｓ，２０１１，３８（６）：０６０１００４．１—７．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 肖荣诗，董鹏，赵旭东．异种合金激光熔钎焊研究进展 ［Ｊ］．中国激光，２０１１，３８（６）：０６０１００４．１—７． ［６］ Ｗｏｎ－Ｂａｅ Ｌｅｅ，Ｂｙｏｕｎｇ—Ｄａｅ Ｋｗｏｎ，Ｓｅｕｎｇ—Ｂｏｏ Ｊｕｎｇ，ｅｔ ａ１． Ｅｆｆｅｃｔｓ ｏｆ Ｃｒ３ Ｃ２ ｏｎ ｔｈｅ ｍｉｅｒｏｓｔｒｕｅｔｕｒｅ ａｎｄ ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｚｅｄ ｊｏｉｎｔｓ ｂｅｔｗｅｅｎ ＷＣ—Ｃｏ ａｎｄ ｃａｒｂｏｎ ｓｔｅｅｌ『Ｊ］．Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｒｅｆｒａｅｔｏ￣Ｍｅｔａｌｓ＆ Ｈａｒｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，２００６，２４（３）：２１５—２２１． ［７］Ｌｅｅ ＷＢ，Ｋｗｏｎ ＢＤ，Ｊｕｎｇ Ｓ Ｂ．Ｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ｂｏｎｄｉｎｇ ｔｉｍｅ ｏｎ ｊｏｉｎｔ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｖａｃｕｕｍ ｂｒａｚｅｄ ＷＣ—Ｃｏ ｈａｒｄ ｍｅｔａｌ／ｅａｒ— ｂｏｎ ｓｔｅｅｌ ｕｓｉｎｇ ｓｔａｃｋｅｄ Ｃｕ ａｎｄ Ｎｉ ａｌｌｏｙ ａｓ ｉｎｓｅｒｔ ｍｅｔａｌ Ｊ Ｉ．Ｍａｔｅｒ Ｓｃｉ Ｔｅｃｈｎｏｌ，２００４，Ｖｏ１．２０（２）：１４７４—１４７８． ［８］ Ｇｅ Ｙａｎｇａｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｘｕｄｏｎｇ，Ｌｉｕ Ｗｅｎ—ｊｉｎ，ｅｔ ａ１．Ｍｉｃｒｏ— ｓｔｍｃｔｕｒｅ ｏｆ ｌａｓｅｒ ｂｅａｍ ｂｒａｚｉｎｇ ｊｏｉｎｔ ｏｆ ＹＧ８ ｃｅｍｅｎｔｅｄ ｃａｒ— ｂｉｄｅ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｌａｓｅｒ，１９９９，１９（５）：２８２—２８４．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 葛廷刚，张旭东，刘文今，等．ＹＧ８硬质合金激光钎焊接头 显微组织的研究［Ｊ］．应用激光，１９９９，１９（５）：２８２—２８４． ［９］ Ｗａｎｇ Ｄｉ，Ｙａｎｇ Ｙｏｎｇｑｉａｎｇ，Ｓｈｉ Ｗｅｎｑｉｎｇ．Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｎ ｌａｓｅｒ ｗｅｌｄｉｎｇ ｐｒｏｃｅｓｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ ｏｆ Ｈ６２ ｃｏｐｐｅｒ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｌａｓｅｒ，２００９，６：２０３—２０６．（ｉｎ Ｃｈｉ— ｎｅｓｅ） 王迪，杨永强，师文庆．Ｈ６２黄铜激光焊接工艺与组织 特征研究［Ｊ］．应用激光，２００９，６：２０３—２０６． ［１ ０］Ｓｈｉ Ｇａｏｌｉａｎ，Ｓｈｉ Ｓｈｉｈｏｎｇ，Ｚｈａｎｇ Ｊｉａ．Ｔｈｅ ｉｎｆｌｕｅｎｃｅ ｏｆ ｄｅ— ｆｏｃｕｓｉｎｇ ａｍｏｕｎｔ ｏｆ ｈｏｌｌｏｗ ｂｅａｍ ｏｎ ｔｈｅ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｓｉｎｇｌｅ ｃｌａｄｄｉｎｇ ｃｈａｎｎｅｌ［Ｊ］．Ａｐｐｌｉｅｄ Ｌａｓｅｒ，３２（６）：５０５—５０９． （ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 石皋莲，石世宏，张甲．中空光离焦量对单熔道质量的 影响［Ｊ］．应用激光，２０１２，３２（６）：５０５—５０９．