硬质合金与钢焊接的研究进展

王声岐

陕西能源电力运营有限公司 陕西西安 712085

摘要：本文简述了硬质合金与钢的常见焊接方法，以及各类焊接方式的优缺点及使用场景。在实际应用中选用哪种焊接技术，还需要视成本、焊接性能的要求而定。因各类焊接方法满足使用要求均存在不足，要得到性能优异的焊接接头，还需从焊接工艺和焊接材料两个方面做进一步的研究。

关键词：硬质合金；钢；焊接

硬质合金是指通过粉末冶金工艺将高熔点的金属化合物和过渡族金属合成的一种合金材料，因其具有高强度、高硬度、耐高温等优点而被广泛应用于油田挖掘、地质勘探、耐磨零件等领域。但因其成本较高、加工复杂、难以兼顾韧性和硬度的特点，很大程度上限制了硬质合金的应用范围。

因此，将成本较高的硬质合金与高强度、高韧性且价格低廉的钢连接形成高硬度、高韧性的工器件，则极大拓展了硬质合金的应用范围^[1]。但是硬质合金与钢的性能差异较大，在焊接过程中易发生裂纹、变形、脆化等缺陷问题，严重影响了焊接件的使用性能。因此，通过改善焊接工艺方法提高焊接质量迫在眉睫。

通常，硬质合金与钢焊接常用的焊接方法包括钎焊、扩散焊、电弧焊、电子束焊、激光焊等方式。本文通过对比国内外硬质合金与钢焊接的不同焊接方法及其工艺对焊接件性能影响。

1. 1. 硬质合金与钢的焊接方法

      1. 钎焊

钎焊是硬质合金与钢焊接的首选方法。但是钎焊要求钎料不仅要有较好的润湿作用，还要缓解焊接接头残余应力的作用。陈洪生^[2]等人用Cu基钎料（HL841和HL105）合成硬质合金与低碳钢，所得接头抗拉强度分别达到291.6和263.9MPa。

虽然，Cu基钎料可以很好的润湿硬质合金和钢，但是与纯Cu相比，在钎料基体中加入适当的Co、Mn、Zn、Ag等元素，可以有效地提高接头处的焊缝性能。陈建^[3]等人采用短流程方式制备的Cu-Zn-Ni-Mn纽扣型钎料的填缝率达到100%，钎焊接头剪切强度260MPa以上。

张誉喾^[4]的等人采用Ni、Fe、Co作为填充金属，与硬质合金通过钎焊的方式合成，钎焊接头的抗弯强度可以达到665MPa。这是因为在焊缝界面处生成高强度的Fe-Co-Ni固溶体，增加的Co、Ni元素的含量不仅有利于生成Fe-Co-Ni固溶体，也会抑制η相。

因此，将两种或两种以上钎料组合使用，可以更好的改善欠料接头的性能。钎焊过程中钎料中的Co能补充硬质合金中粘结相Co的流失，钎料中的Co、Ni有利于形成Fe-Co-Ni单相固溶体，降低接头残余应力^[5]。综上所述，在硬质合金与钢的钎焊时，对于接头性能影响最大的就是η相，这种η相明显降低接头抗剪强度和抗弯强度。

1. 1. 2. 扩散焊

扩散焊是指在一定温度和压力下，将焊件紧密贴合后使接触面之间的原子相互扩散形成联接的焊接方法。由于金属Ni对硬质合金由良好的润湿性，且具有良好的缓冲作用，因此，扩散焊的中间层以含不同合金元素的Ni基中间层为主。H.Klaasen^[6]等人用Ni作为中间层的扩散焊实现合成了WC硬质合金与钢，所得扩散焊接头强度随着中间层强度的增加而提高，中间层塑性增加及钢/硬质合金的厚度比越高，接头内部残余应力越低。

因此，与钎焊方法相比，因接头形式相对单一，扩散焊不适用于接头形式复杂的情况使用；另外，由于受到真空室尺寸的限制，对于大尺寸工件的焊接一般也不适用于扩散焊。与钎焊相比，扩散焊工艺简单、成本低廉的特点而广泛应用。

1. 1. 3. 激光焊

激光焊是指通过高能量、高密度的激光熔化金属后，形成焊接接头的焊接方法。激光焊作为一种新的焊接方式，不仅焊接效率得到提高，可以焊接的重量有所减轻，在日本、美国、德国、加拿大的高速列车和轻轨中均得到了应用^［7］。

随着技术的发展，曹晓莲等在不开坡口、不加填充材料的条件下采用功率密度高、光束质量优良、能量集中的光纤激光对YG20硬质合金与45钢进行焊接，并对接头焊缝成形、组织和元素扩散规律。

1. 1. 4. 电弧焊

电弧焊是指以电弧作为热源，利用空气放电将电能转换为焊接所需的热能和机械能，从而连接金属的焊接方式。电弧焊是应用最广泛、最重要的熔焊方法，占焊接生产总量的60%以上。电弧焊的焊接填充材料以Ni、Fe及Co等元素为主。

陈春焕等^[8]通过电弧焊将硬质合金与45号钢的焊接时发现，Z408焊条焊缝处产生的少量共晶碳化物，缓解了焊接应力。因此相较于Z308和J422焊条，Z408焊条更适合于硬质合金与钢的焊接。

唐舵^[9]等采用2 mm SUS301L-HT不锈钢激光焊和惰性气体保护（MIG）焊分别进行试验，实验发现：惰性气体保护焊相比，激光焊焊缝成形均匀稳定，焊缝拉伸性能更强，接头抗拉强度达到979.1 MPa,延伸率达到48.2%。

1. 1. 5. 惰性气体保护焊接

惰性气体保护焊技术是指在惰性气体的保护下，利用电极与工件间产生的电弧热熔化母材和填充焊丝的一焊接方法。

丁吉坤^[10]利用钨极惰性气体保护焊（TIG）、熔化极惰性气体保护焊（MIG）分别对15 mm厚2219-C10S铝合金试验，结果表明，与MIG相比，TIG焊缝表面光洁，焊缝内部几乎没有缺陷。TIG焊缝晶粒尺寸分布均匀，MIG焊盖面的焊缝组织晶粒分布不均。常温拉伸试验中，TIG焊接头强度和塑性要优于MIG接头。

2. 结论及展望

从上述焊接工艺方面看，硬质合金与钢的焊接仍以钎焊为主，其次是扩散焊接头。电弧焊虽然成本较低，且对接合材料厚度没有限制，但是会对硬质合金母材性能产生不利影响。除了弯曲性能以外，激光焊在拉伸和冲击性能方面，性能均优于TIG焊接。

因此，对于硬质合金与钢的焊接如何哪种工艺，还需要进一步的深入研究，从而拓宽硬质合金和钢的应用领域。

参考文献

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