殷钢多工器主波导焊接组件真空钎焊_张磊先.pdf

2023年 第4期 热加工38焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g殷钢多工器主波导焊接组件真空钎焊张磊先，胡赫，刘云天，芦李军，董卫卫，周鹏飞中国空间技术研究院西安分院制造中心 陕西西安 710010摘要：根据低膨胀合金多工器主波导焊接组件的使用条件，选取Ag-Cu28钎料对低膨胀合金4J32开展了钎料性能试验、钎焊接头试验，并根据前期基础试验结果对主波导焊接组件钎焊工艺进行了研究。试验结果表明：Ag-Cu28钎料对低膨胀合金4J32具有良好的钎焊性能，钎焊接头强度性能满足多工器主波导焊接组件的使用要求，所确定的钎焊工艺路线能够满足主波导组件的钎焊生产，钎焊质量稳定并且合格交付。关键词：低膨胀合金；波导；Ag-Cu28钎料；真空钎焊1 序言低膨胀合金（又称殷钢）属于铁基高温合金，通常Ni含量（质量分数，下同）为32%36%，还含有微量的S、P、C等，Fe含量约60%。由于Ni是扩大奥氏体元素，故Ni含量高使奥氏体转化为马氏体的相变温度降至室温以下100120，因而经退火后，低膨胀合金在室温及室温以下一定温度范围内具有面心晶格结构的奥氏体组织，也就是镍溶于-Fe形成的固溶体，因而低膨胀合金（殷钢）在80100之间具有极低的热膨胀系数和良好的塑性和韧性，用于制作在一定气温变化范围内尺寸近于恒定的元件，广泛用于无线电、精密仪表仪器等行业，制作标准量具、微波谐振腔、双金属波动层等零件。某多工器零件波导组件均由低膨胀合金4J32（以下简称4J32合金）加工而成的，其中主波导组件需要将主波导腔（1个）和中间圆腔（多个）通过钎焊连接形式形成一体，组件模型如图1所示。本文主要针对4J32合金开展真空钎焊工艺研究，并针对主波导组件结构特点开展零件真空钎焊工艺路线研究，解决多工器主波导焊接组件生产需求。图1主波导焊接组件模型 表14J32合金的化学成分（质量分数）（%）MnCuCoNiSiCSPFe0.200.600.400.803.204.2031.533.00.200.050.020.02余量2 试验材料和方法2.1 试验材料试验所用的材料是4J32合金，其化学成分见表1，4J32合金的熔化温度在1430左右。根据多工器零件波导组件的使用温度，并考虑4J32合金母材的热处理制度，钎焊试验选取最典型的银基钎料AgCu28共晶钎料（丝状），共晶点为779，钎料化学成分见表2。钎焊温度相对较低，钎料熔化没有结晶间隔，具有较好的铺展性和工艺性，广泛用于电真空器件。另外，AgCu28钎料不含高蒸汽压元素，比较适合保护气氛炉中钎焊或真空钎焊。2023年 第4期 热加工39焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g表2AgCu28钎料的化学成分和特性元素名称化学成分（质量分数，%）熔化温度/钎焊推荐温度/Ag721779800850Cu余量2.2 试验方法（1）AgCu28钎料试验 钎焊时，只有液态钎料流入并致密地填满全部钎焊缝间隙，且与母材发生相互作用，才能获得优质的接头。但并不是任何熔化的钎料都能顺利地填入接头的间隙中，也就是说填缝必须具备一定的条件，液态钎料对固态母材的润湿铺展以及钎焊接头间隙的毛细作用是熔化钎料填满的基本条件。要想使液态钎料填满钎焊接头间隙，其前提条件就是液态钎料必须能良好地润湿母材。采 用 A g C u 2 8 钎 料 对 4 J 3 2 合 金 进 行 润湿 性 和 填 缝 性 试 验。润 湿 性 试 样 的 尺 寸 为40m m40m m2m m，在试样上分别放置直径为1m m、长度为6m m的两段丝状钎料，如图2所示。填缝性试样的底板和立板的尺寸为80mm30mm2mm，立板的一端与底板接触，另一端用0.5mm厚的不锈钢片垫起，并用激光点焊组合固定，这样在立板和底板之间形成00.5mm的楔形间隙。在试样的零间隙一端两侧分别放置直径为1mm、长度为6mm的两段丝状钎料，如图3所示。然后将润湿性试样和填缝性试样放置在真空炉中进行钎焊。焊性能试样的尺寸为45mm25mm2mm，将两个试片对接（或搭接）用激光点焊定位，在对接（或搭接）处的一侧放置丝状钎料，然后将钎焊接头性能试样放置在真空炉中托盘上进行钎焊。在真空炉内压力4102Pa时开始升温，钎焊试样随炉升温至830保温15min，然后随炉冷却到600以下充入高纯氮气，并起动风机快速冷却，待炉温冷却到90以下时钎焊试样出炉。钎焊目视检查合格后加工成标准的力学性能试样（见图4、图5）进行钎焊接头强度测试。图2钎料润湿性试样模型a）焊前 b）焊后图6钎料润湿性试样a）焊前 b）焊后图7钎料填缝性试样图4钎焊接头剪切强度试样模型图3钎料填缝性试样模型图5钎焊接头拉伸强度试样模型3 试验结果及分析3.1 钎料润湿性和填缝性钎焊后的润湿性和填缝性试样如图6、图7所示。从图6可看出，AgCu28钎料能够润湿4J32合金，具有良好的铺展性和润湿性，钎料无残留物，（2）钎焊接头性能试验 采用AgCu28钎料进行4J32同种合金的钎焊接头室温力学性能试验；钎2023年 第4期 热加工40焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g表面光亮；从图7可看出，AgCu28钎料对4J32合金具有良好的填缝能力，T形试样的最大填充间隙约为0.4mm。3.2 钎焊接头力学性能在试样装配方法相同和钎料添加量相等的条件下，采用相同的钎焊温度和钎焊保温时间完成4J32同种合金的剪切性能试样和拉伸性能试样焊接，焊后两种钎焊性能试样焊缝圆角成形饱满、均匀且表面光滑。钎焊接头的室温瞬时抗剪强度测试结果见表3，室温瞬时抗拉强度测试结果见表4。表3钎焊接头的室温抗剪强度 （MPa）编号强度平均值断裂部位1249.8250.2焊缝2257.1焊缝3243.8焊缝4252.9焊缝5247.6焊缝 表4钎焊接头的室温抗拉强度 （MPa）编号强度平均值断裂部位1331.9338.1焊缝2299.9焊缝3357.8焊缝4340.9焊缝5360.0焊缝母材4704J32同种合金钎焊后焊缝的抗剪强度平均值为250.2MPa，焊缝的抗拉强度平均值为338.1MPa，焊缝抗拉强度为4J32母材抗拉强度（470MPa）的80%左右，能够满足产品的强度需求。3.3 焊缝微观组织分析将钎焊后试样的钎焊缝横截面用慢线切割方式截取金相试样（10mm10mm），再用环氧树脂胶进行镶嵌后，利用金相抛光机抛光焊缝区域至镜面状态，用扫描电镜（SEM）和能谱分析仪（EDS）对钎焊缝的微观组织及成分进行分析。钎焊接头扫描电镜照片如图8所示。从图8可看出，焊缝内部结合良好、组织较为均匀，焊缝两侧界面已不规则，这是由于高温下焊缝两侧的母材已向钎料溶解，钎料向母材扩散形成不规则的焊缝界面。焊缝中间的组织是以Ag为主的固溶体（浅色相）和以Cu为主的固溶体（深色相），以及弥散分布的点状Ag-Cu共晶组织，同时存在少量的焊缝不连续形成的孔洞（深黑色区域），但焊缝孔洞的占比较少。图8钎焊接头扫面电镜照片焊缝能谱分析结果如图9所示。从图9可看出，区域1为Ag为主的固溶体，其中Ag含量为90.53%、Cu含量为7.41%、Fe含量为2.06%；区域2为Cu为主的固溶体，其中Cu含量为93.04%、Ag含量为3.43%、Fe含量为3.54%；区域3是母材4J32合金，其中Fe含量为66.35%，Ni含量为33.65%。从焊缝能谱分析上来看，焊缝的成分主要是以Ag、Cu为主的固溶体，同时还存在溶解到焊缝中少量的母材中的Fe，焊缝成分相对简单，焊缝无有害元素。4 工艺研究及生产应用在前期钎料工艺性试验和钎焊接头性能试验的基础上，对主波导焊接组件的钎焊工艺路线开展可试验研究，并结合实际优化钎焊工艺路线和钎焊工艺参数，对主波导焊接组件的钎焊工艺路线包括焊前清洗、装配定位、钎料预置、真空钎焊和钎焊检验等，具体的钎焊工艺如下。1）焊前清洗。使用无水乙醇清洗主波导腔（1件）和中间圆腔（3件），清洗后零件表面及腔内无油脂及脏污。2）装配定位。使用激光点焊机逐一将圆腔1、圆腔2和圆腔3与主波导腔点焊在一起，激光点焊位置为圆腔外侧与主波导腔接触区域，要求对称点焊22023年 第4期 热加工41焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g处，焊点直径1mm。装配定位过程注意每个圆腔与主波导腔的相对位置。3）钎料预置。将直径为1mm的Ag-Cu28钎料制作成与圆腔外径大小匹配的钎料圆环，然后套绕在圆腔外侧与主波导腔待焊区域，套绕后的焊料保证完全与待焊位置接触且不晃动。4）真空钎焊。将预置好钎料的主波导组件轻轻放置在真空炉的平台上，并检查焊料无晃动后关真空炉炉门并开始抽真空加热。钎焊参数为：真空炉内压力4102Pa，然后以10/min的升温速度升温到700，保温20min，再以12/min的升温速度快速升温到钎焊温度830保温15min，最后随炉冷却到600以下充入高纯氮气，并起动风机快速冷却，待炉温冷却到90以下出炉。5）钎焊检测。钎焊后的主波导组件按照中国空间技术研究院西安分院钎焊专用规范要求检测，焊缝饱满且光滑，满足钎焊验收要求，按照确定的钎焊工艺完成了首批主波导组件的钎焊并合格交付。钎焊后的主波导组件及焊缝如图10所示。a）能谱分析位置分布c）区域2成分b）区域1成分d）区域3成分图9焊缝能谱分析结果 a）组件 b）焊缝 图10钎焊后的主波导组件及焊缝5 结束语1）A g C u28钎料为共晶合金，熔点较低（779）且钎料漫流性较好，钎料的填缝能力较强，钎焊过程易控制，比较适合4J32合金的钎焊。2）使用AgCu28钎焊4J32合金的焊缝组织主要是以Ag和Cu为主的固溶体，以及弥散分布的点状Ag-Cu共晶相，焊缝成分相对简单。3）使用AgCu28钎料钎焊的多工器主波导焊接组件的钎焊缝外观连续致密，且钎焊圆角较小，非常符合微波行波产品的钎焊要求。4）试验所确定的4J32合金主波导组件的钎焊工艺路线能够满足产品的钎焊生产，钎焊质量稳定并且合格交付。2023年 第4期 热加工42焊接与切割W e l d i n g&C u t t i n g参考文献：1 庄鸿寿，E罗格夏特高温钎焊M北京：国防工业出版社，1989.2 张学军航空钎焊技术M北京：航空工业出版社，2008.3 张启运，庄鸿寿钎焊手册M北京：机械工业出版社，2008.图1铜冷凝器结构黄铜合金的焊接技术及不同热处理状态下的性能对比朱宁，韩冰中石化南京化工机械有限公司 江苏南京 210048摘要：以国外某炼油厂铜冷凝器的制造为例，分析 C46400黄铜合金的焊接性，介绍C46400黄铜合金的焊接方法、焊接工艺评定试验。为深入研究C46400黄铜合金的焊接性，焊后通过采取不热处理、低温去应力退火和再结晶退火三种方式，观察组织、硬度和力学性能变化。通过产品浮头盖与浮头法兰的焊接实例，阐述了MIG焊焊接黄铜合金所采取的技术措施。关键词：C46400黄铜合金；焊接性；焊接试验；热处理1 序言某公司为拓展国际业务，承接了国外某炼油厂改造升级项目的一阶、二阶、三阶铜冷凝器的设计及制造。该批铜冷凝器是浮头式换热器，结构复杂，设计及制造要求高，换热管和管板、浮头盖以及浮头法兰是黄铜材质，结构如图1所示，技术参数见表1。铜冷凝器设计、制造和检验标准按照TSG 212016固定式压力容器安全技术监察规程、GB/T 150.1150.42011压力容器、GB/T 1512014热交换器执行。2 黄铜合金特点及焊接性分析2.1 黄铜合金特点C46400黄铜合金是由Cu、Zn两种元素组成，含有少量的Pb、Sn、Fe、Si等元素，因而可以获得某些特殊性能，有较强的耐磨性，强度高、硬度大、耐化学腐蚀性强，又能承受冷热加工，因此在机械制造中应用比较广泛。C46400黄铜合金化学成分和力学性能见表2、表3，执行标准ASME SB-1712017。2.2 黄铜合金焊接性1）难熔合及易变形。由于大多数铜合金的热导率比普通碳素钢大7倍以上，因此熔焊时大量的热从基材上散失，焊接区难以达到熔化温度，造成难熔合。另外，由于黄铜合金的线胀系数及收缩率比铁大1倍以上，因此焊接时在无拘束条件下易变形。2）热裂纹倾向大。由于黄铜中合金元素及有害4 中国航空材料手册编辑委员会中国航空材料手册变形高温合金M北京：中国标准出版社，2002.5 李芬，刘泳良，田宏，等钎焊工艺对AgCu28钎焊焊缝偏析的影响J真空电子技术，2018（6）：56-60.20230124