摘要：摘 要：近年来,随着木工机械行业的快速发展,对超细颗粒硬质合金木工刀具的焊接质量提出了更高要求。综述了超细颗粒硬质合金木工刀具焊接技术的研究进展,旨在探讨其焊接工艺优化、焊接缺陷分析及改进措施。首先介绍了超细颗粒硬质合金的特性及其在木工刀具中的应用,然后详细分

文志民， 袁华锋， 傅晓航， 陈超， 郑景梅

【作者机构】浙江浪潮精密机械有限公司

摘 要：近年来,随着木工机械行业的快速发展,对超细颗粒硬质合金木工刀具的焊接质量提出了更高要求。综述了超细颗粒硬质合金木工刀具焊接技术的研究进展,旨在探讨其焊接工艺优化、焊接缺陷分析及改进措施。首先介绍了超细颗粒硬质合金的特性及其在木工刀具中的应用,然后详细分析了焊接裂纹、刀片脱落和焊缝气孔等常见焊接缺陷的产生原因,并提出了相应的控制措施。最后,探讨了焊接工艺的创新方向,如梯度预热-脉冲焊接复合工艺的应用前景。未来,随着焊接技术的不断优化和智能化控制的发展,超细颗粒硬质合金木工刀具的焊接质量有望进一步提升,为木工加工行业提供更高效的支持。

关键词：超细颗粒;木工刀具;硬质合金;焊接工艺;综述

近年来,超细颗粒硬质合金因其优异的硬度和抗弯强度,在木工刀具制造领域得到了广泛应用。然而,其焊接工艺一直是制约刀具质量的关键因素。国内外学者针对超细颗粒硬质合金木工刀具的焊接技术进行了大量研究,主要集中在焊接工艺参数优化、焊接缺陷分析及改进措施等方面。为探讨未来发展发向,对这些研究进行综述。

近几年来随着板式定制家具与木工机械的高速发展,对刀具的加工要求也越来越高。定制家具板材主要通过木料、化工胶水、三聚氰胺面板人工合成,内层板胶含量高且存在石英砂等硬质杂质(含量约 3%～5%)。切削过程中要求切削断面粗糙度 Ra≤1.6 μm,崩边宽度≤0.1 mm,因此需选用洛氏硬度 93.5～95 HRA的超细颗粒硬质合金。研究表明,当 WC 颗粒尺寸从 1.2 μm 细化至 0.6 μm 时,材料硬度提升 1.8 HRA,抗弯强度增加 550 MPa。

但目前国内很多木工刀具企业由于焊接工艺参数不成熟或操作不当引起大量的裂片造成浪费。主要是通过正交试验优化了高频感应焊接工艺参数,将超细颗粒硬质合金与刀具基体(40Cr或45#钢)以银基焊片的方式牢固地焊接在一起, 采用焊接前对木工刀具基体的充分预热、焊接过程中的温度控制和焊接后的缓慢冷却保温回火等措施保证木工刀具的焊接质量和焊接后刀具的合格率从 92% 提升至 97%,并结合有限元模拟揭示了裂纹形成机理。

超细颗粒硬质合金是为同时提高硬度和抗弯强度而开发的合金材料,微观结构对其宏观性能有着重要影响。当WC颗粒尺寸减小到亚微米以下时,材料的硬度、韧性、强度、耐磨性等均可提高,到达完全致密化所需温度也可降低。研究表明,超细颗粒硬质合金的颗粒尺寸越小,晶界数量越多,晶界处的应力集中现象越明显,这对其硬度和强度的提高起到了关键作用。此外,超细颗粒硬质合金在航空航天、汽车制造等领域的应用前景也备受关注,其优异的性能使其在这些高精度加工领域具有潜在的应用价值。

普通硬质合金颗粒度为3～5 μm,细颗粒硬质合金颗粒度为0.8～1.2 μm(微米级),超细颗粒硬质合金颗粒度可达0.8 μm以下(亚微米、纳米级)。超细颗粒硬质合金与成分相同的普通硬质合金相比,硬度可提高2HRA以上,抗弯强度可提高600～800 MPa。但是关于超细及纳米硬质合金的颗粒度问题,目前世界上还没有一个统一的标准, 对其颗粒度范围说法不一。常见硬质合金颗粒度对比如表1所示。

表1 常见硬质合金颗粒度图谱

超细颗粒硬质合金中的碳化物和合金元素含量较高,虽然可以进行焊接加工,但焊接时容易出现淬硬组织和裂纹,必须采取有效的工艺措施,才能获得满意的焊接效果。因此由于焊接工艺与硬质合金的使用性能密切相关,焊接性能的好坏直接影响到硬质合金的使用效果。超细硬质合金的线膨胀系数(4.1×10-6～6.5×10-6 ℃)与普通钢的线膨胀系数(1.1×10-5～1.4×10-5 ℃)相比差别很大,超细硬质合金只有钢的1/3～1/2左右。加热时硬质合金和钢都自由膨胀,但冷却时钢的收缩量比硬质合金大得多,此时焊缝处于受压力状态,而在硬质合金表面上则承受拉应力。如果残余应力大于硬质合金的抗拉强度时,硬质合金的表面就可能产生裂纹,也正由此,焊接过程中极易造成这类超细颗粒硬质合金的裂纹。

焊接过程中,超细颗粒硬质合金与基体材料之间的热膨胀系数差异导致了热应力的产生。通过有限元模拟分析,发现在焊接接头处存在明显的应力集中区域,当残余应力大于硬质合金的抗拉强度时,硬质合金的表面就可能产生裂纹。因此,优化焊接工艺参数,降低热应力的产生,是减少焊接裂纹的关键。同时,选择与基体材料热膨胀系数更匹配的硬质合金材料,也是提高焊接性能的有效途径。表2列出了超细颗粒硬质合金与普通硬质合金特性对比。

表2 超细颗粒硬质合金特性对比

超细颗粒硬质合金的焊接流程主要包括焊片的前处理、刀体的前处理、超细颗粒硬质合金刀片焊接前处理、预热、焊接、保温和回火,具体流程如图1所示。

图1 超细颗粒硬质合金木工刀具焊接流程

银基焊片选择主要成份含量为银30%～45%,铜20%～45%,锌10%～20%,锡0～10%,熔点为650～720 ℃,焊接抗拉强度350～400 MPa,焊接过程中用硼砂(Na2B4O5(OH)4·8H2O)作为熔剂。

切断:将焊片切断成刀片钎焊面相同大小;清洗:用纯净水将焊片两面清洗干净并立即烘干,不能粘有灰尘等脏物;涂熔剂:将焊片表面涂满熔剂。

刀槽加工:加工后的刀体厚度大于刀片厚度3～5 mm,焊接面铣加工表面光洁;清洗:用纯净水将刀体焊接面清洗干净并立即烘干,可采用碱性溶液煮沸10～15 min后立即烘干;涂熔剂:将刀体待焊接表面涂满熔剂。

粗磨:粗磨待焊刀片面,70%焊接面见光即可,降低刀片的平弯;喷砂:对刀片焊接面进行喷砂处理;清洗:用纯净水将刀体焊接面清洗干净并立即烘干;涂熔剂:将刀片待焊接表面涂满熔剂。

为降低刀片焊接后出现裂纹, 在钎焊前对刀体进行预热,预热温度达到600～700 ℃,预热时必须保证刀体加热均匀,可采用刀体在感应圈周围来回移动,也可以采用分段式预热,采用三段式预热法示例:

① 低温预热:200～250 ℃(5 ℃/min 升温),保温 30 min;

② 中温预热:450～500 ℃(8 ℃/min 升温),保温 45 min;

③ 高温预热:600～650 ℃(10 ℃/min 升温),保温 15 min;

预热设备采用 GW-40 高频感应加热装置,频率 200 kHz,功率密度 3.5 kW/cm2,预热过程中再加入适量的熔剂。

将焊片与刀片一同放入刀片槽同时加热进行焊接,焊接温度控制在比焊片熔点高30～40 ℃,一般将焊接温度控制680～760 ℃,焊接温度对熔化的焊料的润湿性及焊缝的结合强度有重要影响。单片刀片一次焊接完成,不可重复加温。焊接时感应圈离合金距离为1～3 mm左右。感应圈前段为圆弧过渡,不得以直角或夹角过渡,否则影响加热效果。超细颗粒硬质合金焊接时应避免在空气流动速度较大的环境下操作, 这些易使刀具钎焊时受热温度不均匀, 影响刀具焊接质量。超细颗粒硬质合金木工刀具焊接加工如图2所示,其成品如图3所示。

图2 超细颗粒硬质合金木工刀具焊接加工

图3 超细颗粒硬质合金木工刀具焊接成品

通过试验优化焊接参数,因素水平如表3所示。

表3 因素水平表

最优参数组合为 A2B3C2,即温度 720 ℃、时间 12 s、间距 2 mm,此时剪切强度达285 MPa,焊接合格率 97%。

焊接后的刀具立即放入已预热到250 ℃左右的氧化铝保温箱中进行保温,保温3 h后随箱冷却,焊接后产品必须全部被氧化铝盖住,且产品一支一支紧靠。

保温冷却后的刀具24 h以后再放入已加热到350～400 ℃回火炉中进行回火2～4 h后随炉冷却,进一步消除焊接应力,减少刀片裂纹。

超细颗粒硬质合金木工刀具常见焊接常见问题点包括焊接裂纹、刀片脱落、和焊接气孔等现象。

如图4所示,无气孔、虚焊、合金开裂现象,焊缝形貌清晰,焊缝组织致密焊料充分扩散到母材。

图4 焊接良品图

焊接裂纹如图5所示,产生主要原因有:刀片底面与刀体基座之间的接触面角度不吻合,焊接空间过小,导致焊接材料和焊剂无法完全分布;焊片尺寸相对于焊接面不匹配,焊片太小;焊接过程中加热和冷却时间过快或过慢;焊接温度过高;焊接后未采取有效的保温冷却措施;焊接裂纹控制。

图5 焊接裂纹

采用 ANSYS Workbench 建立三维焊接模型,材料参数:硬质合金:弹性模量 650 GPa,泊松比 0.22,热膨胀系数 4.5×10-6 ℃;40Cr 钢:弹性模量 210 GPa,泊松比 0.3,热膨胀系数 11.5×10-6℃。

模拟结果显示:冷却过程中最大拉应力出现在焊缝边缘,当冷却速率 >15 ℃/s 时,应力超过硬质合金抗拉强度(σb=2 600 MPa),导致裂纹产生。优化后的保温工艺使冷却速率降至 8 ℃/s,应力峰值降低至 2 300 MPa。

刀片脱落如图6所示,产生主要原因为:焊料用料过少,焊接强度降低;焊接温度过高致使部份焊料溢出;焊接温度过低,合金或刀体温度加热不够,焊料未完全渗透焊接面;焊料选择不对,无法起到有效的催剂作用;刀体焊接面过小,造成焊接部位强度降低。

图6 焊接刀片脱落

焊缝气孔如图7所示,产生主要原因为:焊接温度过高,导致焊片材料中的锌挥发起泡;焊接温度过低,未能完全融化焊剂导致发泡。

图7 焊缝气孔

在超细颗粒硬质合金木工刀具焊接工艺的发展进程中,研究人员积极探索并取得了一系列创新成果,其中梯度预热 - 脉冲焊接复合工艺具有代表性,其工艺主要为:

梯度预热:采用红外测温实时监控,确保刀体温度场均匀性(温差≤15 ℃)。

脉冲焊接:设置 3 个加热脉冲(720 ℃×3 s→700 ℃×5 s→680 ℃×4 s),通过动态调整功率密度减少热冲击。

智能控制:引入 PLC 系统实现温度-时间-功率的闭环控制,温度偏差控制在±5 ℃。

均匀的温度场对于减少焊接过程中的热应力至关重要,能够有效避免因温度不均匀导致的焊接缺陷 。传统的预热方式可能存在温度分布不均的问题,容易使刀体在焊接过程中产生局部应力集中,从而增加焊接裂纹等缺陷的产生几率 。而梯度预热技术通过实时监控和精确控制,能够使刀体在预热过程中受热更加均匀,为后续的焊接工序奠定良好的基础。

通过此次研究有望使刀具寿命提升 20%,单支刀具生产成本降低18元(按年产10万支计算,年节约成本180万元)。

焊接过程的智能化控制是未来的发展趋势。随着人工智能、大数据、物联网等技术的飞速发展,将这些技术应用于焊接过程控制具有巨大的潜力。利用人工智能技术,如机器学习、深度学习算法,对焊接过程中的各种数据进行分析和处理,实现焊接参数的自动优化和调整。未来可进一步研究纳米级TiC涂层对焊接界面的强化作用,以及机器人焊接系统的工艺参数自适应控制。

超细颗粒硬质合金木工刀具焊接方法能有效地解决超细颗粒硬质合金与钢的焊接工艺,降低刀具制造成本,提高了刀具的寿命。通过对焊接前的清洗预热以及焊接后的刀具进行保温和回火两道工艺消除了焊接内应力,且焊接和刃磨后以及发刀具使用过程中的刀片不会出现裂纹。本文对于推动木工刀具制造业技术进步和产业升级具有重要意义,未来的研究方向包括新型焊接材料的研发、焊接工艺的进一步优化、焊接过程的智能化控制等。随着这些研究的不断深入,超细颗粒硬质合金木工刀具将在工业生产中得到更广泛的应用,为木工加工行业的发展提供有力支持。

参考文献：

[1] 湘子.硬质合金颗粒度分级标准[J].硬质合金,2006(2):68.

[2] 凌平.超细颗粒硬质合金的钎焊方法[J].硬质合金, 1997(4):240-241.

[3] 木材切削原理及刀具第2版[M].北京:中国林业出版社,2012.

[4] 木材切削原理及刀具[M].北京:中国林业出版社,2010.

[5] 文志民.超细颗粒硬质合金的焊接方法:CN106624406B[P].2019-06-21.

WEN Zhi-min, YUAN Hua-feng, FU Xiao-hang, CHEN Chao, ZHENG Jing-mei

(Zhejiang Langchao Precision Machinery Co., Ltd., Hangzhou Zhejiang 310018, China)

Abstract：This paper reviews the research progress of welding technology for ultra-fine grain cemented carbide woodworking tools, aiming to explore the optimization of welding processes, analysis of welding defects and improvement measures. In recent years, with the rapid development of the woodworking machinery industry, higher requirements have been put forward for the welding quality of ultra-fine grain cemented carbide woodworking tools. This paper first introduces the characteristics of ultra-fine grain cemented carbide and its application in woodworking tools, then analyzes in detail the causes of common welding defects like welding cracks, blade detachment and weld porosity, and proposes corresponding control measures. Finally, it discusses the innovative directions of welding processes, such as the application prospect of gradient preheating-pulse welding composite technology. In the future, with the continuous optimization of welding technology and the development of intelligent control, the welding quality of ultra-fine grain cemented carbide woodworking tools is expected to be further improved, providing more efficient support for the woodworking industry.

Keywords：ultra-fine grain; woodworking tool; cemented carbide; welding process; review

中图分类号：S777

文献标识码：A

文章编号：2095-2953(2025)10-0012-05

收稿日期：2025-03-28

第一作者简介：文志民,高级工程师,本科,主要从事切削刀具研究,E-mail:yygyfnn@163.com。

来源：木工机械刀具知识一点号