4不锈钢真空钎焊焊接接头的组织和力学性能

不锈钢真空钎焊焊接接头的组织和力学性能[简介]:摘要:本文主要对采用BNi-2、BNi-5、BПP-1、Cu四种不同钎料的1Cr18Ni9Ti不锈钢真空钎焊焊接接头的显微组织和力学性能进行分析。结果表明：钎缝的组织与钎焊温度和钎料的成分等因素有关。在本次试验条件下，使用BNi-2钎料钎焊得到的钎缝组织中出现了大量的化合物相；而采用其余三种钎料，即BNi-5、BПP-1和Cu钎焊时，其钎缝中只有少量的化合物相。钎缝接头的力学性能与其显微组织有关。使用BNi-2钎料钎焊的焊接接头力学性能较差，而其余三种钎料钎焊的焊接接头力学性能较好。上述试验结果可为研究真空钎焊提供必要的试验数据和理论依据。不锈钢真空钎焊焊接接头的组织和力学性能摘要:本文主要对采用BNi-2、BNi-5、BПP-1、Cu四种不同钎料的1Cr18Ni9Ti不锈钢真空钎焊焊接接头的显微组织和力学性能进行分析。结果表明：钎缝的组织与钎焊温度和钎料的成分等因素有关。在本次试验条件下，使用BNi-2钎料钎焊得到的钎缝组织中出现了大量的化合物相；而采用其余三种钎料，即BNi-5、BПP-1和Cu钎焊时，其钎缝中只有少量的化合物相。钎缝接头的力学性能与其显微组织有关。使用BNi-2钎料钎焊的焊接接头力学性能较差，而其余三种钎料钎焊的焊接接头力学性能较好。上述试验结果可为研究真空钎焊提供必要的试验数据和理论依据。关键词：真空钎焊不锈钢组织力学性能序言钎焊是采用比母材熔点低的填充材料作钎料，将焊件和钎料加热到高于钎料熔点、低于母材熔点的温度，借钎料熔化填满母材间的间隙并与母材相互扩散实现连接的焊接方法[1]。近年来，钎焊技术在各工业部门中占据着越来越重要的地位，尤其在电器仪表及国防工业中已成为不可取代的工艺方法。在对航空用合金如不锈钢、耐热合金、钛、铌、钽和其它一些高熔点金属进行钎焊时，一般采用真空钎焊。真空钎焊是在真空气氛中，不用钎剂而进行钎焊的一种方法。其优点在于：因不用钎剂显著提高了产品的抗腐蚀性，工艺的可控性好。目前，国内外学者对不锈钢真空钎焊工艺及其特性进行了研究，并取得了一定成果[2~3]。然而针对不同钎料对不锈钢组织和性能的探讨还较少。鉴于此况，本文主要对采用四种不同钎料的不锈钢真空钎焊焊接接头的组织和力学性能进行了对比分析。其目的是通过对比不同钎料真空钎焊接头的力学性能，来评估它们钎焊接头力学性能的差异，从而为真空钎焊工艺研究提供一定的试验数据。1试验材料和方法1.1试验材料试母材选用1Cr18Ni9Ti不锈钢，其化学成分如表1所示。共采用四种钎料，分别是BNi-2和BNi-5两种镍基钎料以及BПP-1和纯铜两种铜基钎料。1.2试验方法1.2.1真空钎焊过程钎焊试样的表面用400号碳化硅砂布沿一定方向打磨。钎焊前，待钎焊面及周围采用丙酮、酒精等有机溶剂进行清理，去除油污及氧化物等杂质为避免钎焊时试件的偏移，应采用适当的夹具或点固定焊定位。钎缝间隙根据母材与钎料的性质可在0.02~0.3mm之间选择。1.2.2金相组织观察接头的金相试样磨片一般在钎缝的横截面制取。制备过程包括观察面的粗加工、磨光、抛光、浸蚀和观察等步骤。制备好的磨片在浸蚀前用肉眼或放大镜观察钎缝是否含有未焊透、夹杂、气孔、裂纹等宏观缺陷。浸蚀液根据不同的钎料采用相应的成分。浸蚀后在显微镜下观察钎缝区的微小缺陷、钎缝、扩散区及母材金属的组织结构[3]。金相分析包括焊缝、过渡区和母材的显微组织分析，在放大倍数为200倍下进行观察，对比用不同种钎料钎焊接头微观组织的差别。1.2.3力学性能测试力学性能测试根据现行国家标准GB8619－88。剪切试样的接头形式为棒状试样接头，剪切试验应在固定拉伸加载夹具上进行。拉伸和弯曲试样的接头形式为板状试样接头，力学性能测试在万能材料试验机上进行。为避免试样上出现附加的弯曲应力，所有试样均在具有可调紧固的夹具上进行[1]。2试验结果及分析2.1金相组织分析2.1.1BNi-2钎料采用BNi-2钎料钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的显微组织。钎焊温度为1040℃，钎焊时间为10min。钎缝组织由两部分组成：一部分是靠近母材与钎缝界面与之平行的固溶体组织；另一部分是位居中部的化合物相组织。这是由于钎缝中的硼在钎焊时间内未能充分扩散，使得硼含量超过其在镍的极限固溶度，因此在钎缝中产生了硼的化合物相。2.1.2BNi-5钎料采用BNi-5钎料钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的显微组织。钎焊温度为1180℃，钎焊时间为10min。采用BNi-5钎料的焊接接头显微组织钎缝组织中均出现了少量化合物相，钎缝中形成的化合物相的主要元素是硅。这是由于硅的原子半径比硼大，其扩散系数比硼小，中部原子来不及扩散，从而形成化合物[4]。另外，由于大部分元素已扩散到母材，在母材一侧近缝区出现了网状组织。2.1.3BПP-1钎料采用BПP-1钎料钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的显微组织。钎焊温度为1180℃，钎焊时间为10min。其钎缝组织中均有少量化合物相出现。2.1.4纯铜钎料采用纯铜钎料钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的显微组织。钎焊温度为1130℃，钎焊时间为10min。由图可见，其钎缝组织以纯铜单相组织为主。母材一侧近缝区有铜元素渗入，形成化合物相。2.2力学性能试验结果及分析2.2.1剪切试验结果及分析采用四种钎料的试样接头抗剪强度试验结果。四种钎料真空钎焊后接头抗剪强度由高到低依次为：纯铜、BПP-1、BNi-5、BNi-2。以纯铜为钎料的试样接头，接头组织中只有极少量化合物，铜已经扩散到母材一侧的近钎缝处。因此其抗剪强度较高。而BПP-1为钎料的试样接头组织中因含有少量化合物，使其抗剪强度略有下降。由于BNi-2钎料含铬量低，其钎焊接头的抗剪强度比BNi-5钎料稍差[2]。另外，因为BNi-2中含有硼、硅降低镍熔点的元素，钎料的熔化温度比其它三种钎料低，可考虑在较低温度下钎焊。2.2.2拉伸试验结果及分析采用四种钎料的拉伸试样接头抗拉强度试验结果。由于以纯铜、BNi-5为钎料的钎焊接头组织中脆性化合物量极少，用它们钎焊接头抗拉强度较高。而由于BNi-2钎料钎焊的试样接头组织中出现大量脆性化合物，导致其接头抗拉强度很低。BПP-1钎料钎焊试样接头中有部分化合物，从而使其接头强度与纯铜钎料接头强度相比也有所下降。2.2.3弯曲试验结果及分析采用四种钎料的弯曲试样接头抗弯强度试验结果。纯铜钎料钎焊试样接头的抗弯强度最高，其次是BNi-5钎料，BNi-2、BПP-1两种钎料钎焊接头抗弯强度接近。这个规律与它们抗拉强度的变化规律基本一致，其原因也与它们各自得到的接头组织有密切关系。3结论通过对1Cr18Ni9Ti不锈钢四种钎料真空钎焊的组织进行显微组织分析和力学性能分析，可得到如下主要结论：（1）BNi-2钎料钎焊试样接头形式的钎缝组织是固溶体。其钎缝组织由两部分构成：一部分是靠近母材与钎缝界面与之平行的固溶体组织；另一部分是位居中部的化合物相组织。BNi-5钎料钎焊的钎缝组织中出现了少量化合物相。（2）BПP-1钎料钎焊的钎缝组织中出现了少量化合物相，而纯铜钎料钎焊试样钎缝组织以纯铜单相组织为主，母材一侧近缝区因铜元素扩散而形成化合物相。（3）剪切试样钎焊后接头抗剪强度由高到低所用的钎料依次为：纯铜、BПP-1、BNi-5和BNi-2。（4）拉伸试样中纯铜、BNi-5钎料钎焊后抗拉强度相近且较高。BПP-1、BNi-2钎料钎焊后抗拉强度相近且较低。（5）弯曲试样中纯铜钎料钎焊接头的抗弯强度最高，其次是BNi-5钎料，BNi-2和BПP-1两种钎料钎焊接头抗弯强度相近。参考文献：[1]张启运.钎焊手册.北京：机械工业出版社.1998.[2]庄鸿寿.高温钎焊.北京：国防工业出版社.1998.[3]屠恒悦.真空钎焊技术应用.金属热处理.1998(5):21~23.[4]邹僖.钎焊.北京：机械工业出版社，1988真空钎焊缺陷分析和解决方案真空钎焊是在真空状态下,对结构件进行加热和保温,使钎料在适宜的温度和时间范围内熔化,在毛细力作用下与固态金属充分浸润、溶解、扩散、焊合,从而达到焊接目的的一种先进焊接方法。真空钎焊的突出优点是可连接不同的金属、实现复杂结构的同时焊接,焊接后的焊接头光洁致密、变形小且具有优良的力学性能和抗腐蚀性能。然而,真空钎焊对散热器的结构设计、装配质量,铝合金复合板(以下简称复合板)的化学成分、钎料层厚度,钎焊工艺制度、工作环境等的要求甚为严格,否则,极易出现翅片弯曲倒伏、钎缝不连续、虚焊、熔蚀、直至泄漏等质量缺陷。其中,泄漏属重大质量缺陷。生产工艺流程(1)领料：按生产计划填写领料单到零件库领零件，并仔细核对零件名称数量。搬运过程中不准磕碰以免损伤零件。对复合板、翅片、封条等进行定型、按照尺寸加工。(2)表面清洗处理工艺流程:焊前预清理：对工件待焊接的部位，用打磨机清除氧化物，及其它杂质，清理后应可见金属光泽。首次配置碱液：在清洗池中按每吨水放40Kg烧碱。温度60±5°，比重值为9±1。零件摆放：将上箱体均匀铺在清洗篮中，凹面向下，一般以每个篮框中放12个；同样,将上箱体均匀铺在清洗篮中，将封条、翅片、侧板分别放入清洗筐，在碱洗池清洗120秒，在零件浸没后清洗筐要上下晃动不少于三下。翅片摆放时宽度方向竖立摆放，摆放时可多层摆放，但每层翅片与翅片间可以拔动，既有可活动间隙。长封条竖直或倾斜摆放，侧板交错摆放。将隔板宽度方向竖立摆放入清洗筐，隔板间要有间隙，隔板也可多层摆放，在碱洗池清洗30S，在零件浸没后清洗筐上下晃动不少于三下。零件在碱洗池清洗后进入清水池清水循环漂洗120S，在零件浸没后清洗筐上下晃动不少于三下。转中和清洗。首次配中和液：将硝酸加入清水中配成30%的中和液，PH近似为5。中和清洗:将清洗零件进行中和，90S后将零件取出再入清水池清水循环漂洗120S。此时工件清洗洁净无油污，自然烘干或转烘干炉烘干。烘干温度200±20℃、烘干转速200±50r/min。装入小清洗烘干筐的零件可直接进烘干机烘干，如大清洗筐，需将零部件取出放入清洗烘干筐，摆放如清洗时摆放或散开摆放在烘干网带上进行烘干。将清洗烘干后的零部件填写生产转序卡转下道工序。(3)组装:按侧板和封条尺寸调整装芯夹具。戴好防护手套开始装芯在同一夹具上并排摆放两个芯子，芯子相对夹具摆放均布，先放側板再放隔板，依次放短封条和风翅片，重复放隔板、长封条和内翅片，隔板、短封条和风翅片，当风翅片数达到图纸要求数量时放隔板、侧板。最后放上夹具。用不少于6根的M12拉杆对称拉紧的同时整形。芯宽压紧尺寸为大于图纸要求尺寸的1.25%或图纸要求的焊接前尺寸。将装好后的芯子并排摆放在芯子暂存架上严禁将不合格及未清洗干净的零部件装芯，装配过程中要戴好手套，以防汗渍等粘在零件上，影响钎焊。装配芯子对角线＜2MM。外观：翅片无倒伏、封条整齐。芯宽大于芯宽尺寸1.25%。零部件与图纸要求数相符。作业顺序1、首先进行日常的设备点检。2、领取封条、散热带、内翅片、隔板等，对领取的部件和辅件进行检查，并将不合格品剔除。3、根据《芯部参数表》选用相应的装芯工装、卡具。将钎焊卡具底板放到组装台上，将侧板对准组装台的限位槽平放在夹具面上，放上一片隔板，4、在两端组装限位槽内各放一根短封条（带锥面向里）。5、在隔板上布好散热带，放上一片隔板，再在隔板上装上两根长的封条（带锥面向里）。6、在两长封条之间放入内翅片，放入数量根据封条长度而定重复叠加直到达到图纸要求数量，最后放一片隔板和侧板放上钎焊夹具固定好，用整平板将芯面、带面整平拧紧螺母取下芯体。7、对芯体进行整体整平，调整散热带与两端封条的距离（带头保持平齐，两大面平整,结合部位平齐无明显落差），装上夹具的螺杆拧紧螺母将芯体固定好。8、用卷尺测量芯宽和对角线保证芯宽和对角线与图纸要求尺寸是否超差，如有超差进行修整。9、按下面管理项目所规定的控制项目和检查频率检查。10、将芯子分总成放在周转车上。(4)真空钎焊:炉内摆放：用叉车将芯子暂存架上的芯子六个为一炉次，放入真空钎焊炉内