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1、 11 绪论 薄壁金刚石钻头品种多、精度要求高，激光焊接难度大。本章首先了分析激光焊接金刚石钻头的规格、特点与用途，然后根据金刚石钻头激光焊接技术国内外现状分析其发展趋势，提出了本文的研究内容、研究方法、研究目的和意义。 1.1 激光焊接金刚石钻头及其应用 薄壁金刚石钻头作为一种新型的钻孔工具，具有钻孔尺寸精确、速度快、工作噪音低、对材料周边无损坏、不需后续工序以及易于清理等特点，广泛用于建筑工程、桥梁道路及水电工程的石材、钢筋混凝土、耐火材料、陶瓷和墙壁等硬脆材料的钻孔或取芯工作，市场需求潜力巨大。 薄壁金刚石钻头由不同壁厚的圆钢筒基体和粉末冶金金刚石刀头焊接而成。 传统制造工艺一般采用电镀
2、、整体烧结、火焰钎焊、高频焊等方法将刀头固定在基体上，存在结合或焊接强度不高、 承受机械载荷能力低等问题， 且生产效率低， 模具消耗大，使用中易出现刀头脱落，造成重大安全事故。 而采用激光焊接的金刚石钻头，焊接强度高，热影响区小，产品精度高，具有较高的剪切强度和高温强度，使用时能承受高温和较大的冲击，即使干切条件下也不易出现刀头脱落情况，大大延长钻头的使用寿命。钻头样品如图 1-1 所示。 图 1-1 激光焊接的金刚石钻头 以下针对金刚石钻头国际市场的需求12，首先分析德国68 和82 系列、以及国际通用的几种规格的金刚石钻头。 1.1.1 德国专用短筒薄壁工程钻 用途：专用于工程建筑、墙壁、
3、墙面、电源插座安装孔等的套钻盲孔或通孔。 2特点：具有连接方便、钻孔迅速等特点。 德国专用短筒薄壁工程钻头的主要外形如下图1-2所示， 其主要参数规格如表1-1所述。 TLDTLDTLDTLX（上：平顶连接；下左：螺纹连接；下右：槽形连接） 图1-2 激光焊接短筒专用薄壁工程钻外形 表1-1 激光焊接短筒专用薄壁工程钻参数规格 刀头尺寸（刀头尺寸（mm） 规格规格(mm) D 长度（长度（mm） TL 连接样式连接样式 齿长齿长/厚度厚度/高度高度 L / T / X 刀头数刀头数(个个) 68、82 100 平顶连接 24 / 3.5 / 8 4 68、82 90 螺纹连接 24 / 3.5
4、 / 8 3、4 68、82 97 槽形连接 24 / 3.5 / 8 4、6 20125 80 螺纹连柄 24 / 3.5 / 8 4、6 1.1.2 激光焊接长筒薄壁工程钻 用途：适用于工程建筑、道路施工中石块、砖、混凝土及各种石材的快速钻孔。 特点：具有工作行程长、加工精度高、无崩缺危险等优点。 这里以其中两类长筒薄壁工程钻头为例介绍其主要规格，具体如下所述。 （1） 一体式长筒薄壁工程钻一体式长筒薄壁工程钻 一体式长筒薄壁工程钻头一次性加工，保证了钻头的钻切精度，适合于打孔精度要求较高的场合，其外形如图 1-3 所示，主要参数规格如表 1-2 所述。 3TLTXLD图1-3 一体式长筒
5、薄壁工程钻外形 表1-2 激光焊接一体式长筒薄壁工程钻参数规格 直径直径D 26 31 36 46 51 56 63 76 83 基体基体 尺寸（尺寸（mm） 长度长度TL 200/320/400 200/320/400 200/320/400200/320/400200/320/400200/320/400200/320/400 200/320/400 200/320/400齿长齿长L 12 12 16 16 16 16 24 24 24 厚度厚度T 2.5 2.5 3 3 3 3 3.5 3.5 3.5 刀头刀头 尺寸尺寸 （mm） 高度高度X 8 8 8 8 8 8 8 8 8 直径直径
6、D 89 102 108 120 125 132 150 159 178 基体基体 尺寸（尺寸（mm） 长度长度TL 200/320/400 200/320/400 200/320/400200/320/400200/320/400200/320/400200/320/400 200/320/400 200/320/400齿长齿长L 24 24 24 24 24 24 24 24 24 厚度厚度T 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 刀头刀头 尺寸尺寸 （mm） 高度高度X 8 8 8 8 8 8 8 8 8 （2） 三节式工程钻三节式工程钻 三节式薄壁工程
7、钻头的刀体部分可以更换，节约成本，但对筒体连接的螺纹部分加工精度要求较高，其外形如下图 1-4 所示，主要参数规格见表 1-3 所述。 TLLTXD图1-4 三节式工程钻外形 4表1-3 激光焊接三节式工程钻参数规格 直径直径D 27 30 32 36 38 40 44 46 基体基体 尺寸（尺寸（mm） 长度长度TL 160/240/ 360/400 160/240/360/400 160/240/360/400160/240/360/400160/240/360/400160/240/360/400 160/240/360/400 160/240/360/400齿长齿长 L 20 20 2
8、0 20 20 20 20 20 厚度厚度 T 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 刀头刀头 尺寸尺寸 （mm） 高度高度 X 8 8 8 8 8 8 8 8 直径直径D 51 56 63 66 76 89 96 108 基体基体 尺寸（尺寸（mm） 长度长度TL 160/240/360/400 160/240/360/400 160/240/360/400160/240/360/400160/240/360/400160/240/360/400 160/240/360/400 160/240/360/400齿长齿长 L 20 20 20 20 20 20 20 2
9、0 厚度厚度 T 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 3.5 刀头刀头 尺寸尺寸 （mm） 高度高度 X 8 8 8 8 8 8 8 8 1.1.3 其它常用金刚石工程钻头 其它常用类型薄壁金刚石工程钻头的用途如表 1-4 所示。 表1-4 其它常用薄壁金刚石工程钻头的用途 分类 示意图 直径mm/长度mm用途 带出屑孔式 26300 /160,240,360,400 在筒身加开了出屑孔， 能够在工作过程中自动将钻屑排出。 带保护齿式 26300 /160,240,360,400 在外筒壁加有金刚石刀头， 当钻头主体钻进时，附壁上的金刚石刀头可以同时进行钻切，能够用于较为松
10、软材料的扩孔。 1.2 金刚石钻头激光焊接技术国内外现状 激光焊接金刚石钻头的研究和生产源于欧美发达国家，如美、德、意、日等国自20 世纪 80 年代末就开始了对金刚石工具的激光焊接研究3。目前国外生产金刚石钻头激光焊接设备的厂家主要有德国 Dr. Fritsch 公司，意大利 SINTRIS 公司、ARGA 公司，韩国 DIEX 公司、DIM-NET 公司，美国 Western Saw 公司以及日本等国家的一些公司。 5（1） Dr.Fritsch 公司金刚石钻头激光焊接机公司金刚石钻头激光焊接机 图 1-5 所示为德国 Dr.Fritsch 公司的 BSM 220 型全自动金刚石钻头激光焊
11、接机4。它主要由 ROFIN SINAR 公司 DC025 型扩散型冷却板条 CO2激光器、钻头基体装夹和刀头自动送进等几个部分组成。 图1-5 BSM 220金刚石钻头激光焊接机 （2） DIEX 公司金刚石钻头激光焊接机公司金刚石钻头激光焊接机 南韩 DIEX公司的CLWB 10型为半自动金刚石钻头激光焊接机5， 如图1-6 所示。 图1-6 CLWB10金刚石钻头激光焊接机 它的主要特点是：钻头基体靠中心架定位，比较精确，尾部用卡盘夹紧，床头箱旋转速度、位置及移动距离可调，焊接速度调节范围宽，并能够精确调整焊接位置，价格适中，但当钻头规格变化时，中心架调整复杂，其性能指标如表 1-5 所
12、示。 6表1-5 CLWB 10型金刚石钻头激光焊接机性能指标 直径 17250 焊接钻头范围 /mm 长度 450 旋转速度/rpm 130 （3） 国产三工位激光焊接机国产三工位激光焊接机 华中科技大学激光加工国家工程研究中心是国内最早研究激光焊接金刚石工具成套生产设备的单位，其中研制的三工位激光焊接机67，由激光器、光路传输、焊接机床组成，既可焊105mm600mm 锯片，又可焊25mm200mm、长度 450mm金刚石钻头，最大焊接深度 1.54.0(mm)，焊缝宽度 12(mm)，价格约为进口的 1/31/4，性能与进口设备相当。如图 1-7 所示，该焊接系统呈品字结构，使激光到达三
13、个工位的光程相当。其中两个工位焊接锯片，一个工位焊接钻头。实现分时享用，独立而互不干扰生产工作。焊接机床的特点：钻头工作台转速 010(r/min)，手动夹具定位与装夹刀头，基体实行端面夹具定位。直径70mm 以上的钻头采用激光双面焊接；直径70mm 以下采用激光单面焊接。该系统操作方便，稳定可靠，生产效率高，运行成本低，可三工位连续或单独作业。 三工位：二工位： 锯片焊接三工位分光镜光闸 冷水机激光器一工位分光镜锯片焊接一工位： 钻头焊接（a） 实物图 （b） 原理图 图1-7 三工位激光焊接系统 国内于 90 年代初期开始跟踪研究金刚石工具激光焊接技术。目前国内具有一定规模的金刚石工具厂家
14、使用的激光焊接设备几乎全部都依靠进口， 近几年用于金刚石工具激光焊接及配套设备的进口花费上千万美元。进口设备价格昂贵，配件、消耗品供应不及时，维护、维修复杂。大部分厂家急需性价比高、运行成本低的适合中国国7情的激光焊接设备。 而国产的金刚石钻头激光焊接设备一般是一种刀头对应一种夹具的手工装夹方式错误！未定义书签。错误！未定义书签。 ，刀头夹具的种类要求与刀头种类一样多，因而专用夹具成本高、灵活性低、安装换取不便，还没有自主研发的全自动金刚石钻头激光焊接机8，激光焊接设备的自动化还比较远远落后。 1.3 金刚石钻头激光焊接系统发展趋势 随着科技的进步、生产的发展，为了提高激光焊接薄壁金刚石工程钻
15、头的焊接质量、 生产效率， 降低生产工人的劳动强度， 对激光焊接技术和装备提出了更高的要求，单从国产金刚石钻头激光焊接机来看，主要有以下发展趋势： （1） 自动化自动化 高度自动化、智能化是薄壁金刚石工程钻头激光焊接机床的必然发展趋势。薄壁金刚石工程钻头规格众多、精度要求高，激光束聚焦光斑很小。因此采用自动化、智能化技术提高了钻头基体和刀头的定位精度和装夹精度，提高了机床的通用性，保证了激光焊接质量，同时也提高了生产效率，降低了工人劳动强度。 （2） 一机多用一机多用 将多种激光加工机床进行复合，共用一台激光器而形成激光加工复合机床，因而提高集成度是当前工业金刚石钻头加工设备的另一个重要发展趋
16、势。这种复合，节约设备占地面积，降低产品成本。华中科技大学开发的三工位焊接系统就是把金刚石锯片焊接与金刚石钻头焊接结合起来，一机多用，降低设备投入，提高设备利用率。 （3） 焊接过程在线监测、错误识别焊接过程在线监测、错误识别 激光焊接的自动化、智能化、快节奏要求对焊接质量进行在线自动监测9。焊接过程是一个多参数耦合并带有随机性的时变过程， 每一条焊缝和每个焊点都包含有众多的位置信息和能量信息10。随着计算机技术的发展，通过对焊接过程信号的实时采集， 然后采用人工智能的方法实现或各种数据处理方法从动态数据和数据库中提取出数据间的潜在的模式或对信号的自动识别11， 从而实现对焊接过程监控的自动化和智能化， 是适应现代信息社会应用信息技术实现焊接控制提高智能程度的一个重要发展方向。 81.4 本文主要研究工作 1.4.
