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不锈钢真空钎焊焊接接头的组织和力学性能及真空钎焊

作者:蔡东俊 人气:14526 日期:2020-11-18 08:01:09

 

不锈钢真空钎焊焊接接头的组织和力学性能及不锈钢板翅式散热器真空钎焊

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。近年来,真空钎焊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。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,本文主要对镍基钎料以及和纯铜两种铜基钎料铜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BПP-1及纯铜的铜基钎料。

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。 

   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
2 试验结果及分析 

2.1 金相组织分析 

2.1.1 BNi-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15min。 
 
   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。 

2.1.2 BNi-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15min。 
 
 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。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。 

2.1.3 BПP-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15min。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。 

   不锈钢板翅式汽车机油冷却器的生产要求产品从设计(工装夹具的设计)、制造(零部件尺寸通过对零件的检测,使零件各项指标符合图样要求)、装配间隙、成品检验等所有环节都实行质量保证和质量控制。焊接接头质量控制包括完善企业技术装备、提高操作人员的素质及生产过程的严格管理,目的是获得无缺陷的焊接结构,满足焊接产品在实际工作中的使用要求,   不锈钢板翅式汽车机油冷却器生产过程中,虽然真空钎焊是整个生产过程中的核心工作,但真空钎焊的焊接质量控制应贯穿在整个生产过程中,即真空过程控制,它是焊接生产过程中自始至终不可缺少的,是保证产品最终焊接质量的重要措施。过程控制要点如下:焊前清理:超声波清洗、蒸汽除油、试装配、钎料加工、钎料超声波清洗、蒸汽除油、装配(钎料装配)、零部件的预烘干消除应力、真空钎焊工序:保证真空焊接炉炉内温度的均匀性是真空钎焊炉自身的均温性及真空钎焊时间,各加热器的PID自整定控制的。由于在真空加热焊接过程中, 传热方式只有热辐射而没有传导和对流, 所以每批次的装炉量与摆设方式到都会直接影响炉内温度的均匀性为了保证真空焊接炉内各处的温度均匀性, 减小因炉温不均匀而带来的焊接热应力, 应根据产品制定严格的工艺规范, 例如:大产品在外面,小产品在炉中间摆放,并做好监控。

  铜基钎料的熔点为1080℃,一般来说,其Tb 在1100~1125℃之间。
整个钎焊过程共分为7 步,具体操作如下:
(1)抽真空阶段:真空度为0.01 Pa。其目的是有效去除金属表面氧化膜,提高表面润湿性;减少接头气孔、夹杂等缺陷。
(2)加热阶段:为减小热应力,缓慢加热到960℃,时间为50min。尽可能减小零件变形。
(3)保温阶段:在960℃下保温40min,充分排除炉中的板翅结构在钎焊过程中挥发的零部件杂质和零部件材料本身残留气体。
( 4 ) 加热阶段: 继续缓慢加热到Tb =1060~1250℃,时间为30 min。
(5)保温阶段:在Tb=1120~1125℃下保温60min,使钎料元素充分扩散。随着钎焊温度的升高,钎料与母材之间的物理化学反应变得非常激烈,铜钎料元素扩散的非常充分。当钎焊 较低时,钎焊接头中产生的脆性相较多,使得焊接接头的强度较低;当钎焊温度升高到1125℃时,接头中间区域生成了完全的固溶体,且钎角区域的组织变得较为均匀,因此焊接结构的强度增加。不锈钢接头钎缝钎缝主要由铜-铁基固溶体和金属间化合物组成;金属间化合物含量随零部件的装配钎焊间隙的增大而减少,随真空钎焊钎焊保温时间的延长而降低。增大接头间隙有利于改变小间隙钎焊形成的金属间化合物连续分布的状态。钎焊保温时间延长至60min后,钎缝中金属间化合物数量大大减少,铜-铁基固溶体数量明显增加。并由块状分布转变为岛状分布。延长钎焊保温时间,一方面能促进钎料与母材的相互作用,有助于母材向液体钎料的溶解和钎料合金元素向母材基体的扩散,另一方面能增加钎料中镍和铁基固溶体等温凝固时间,促进界面区初生固溶体相的长大。。钎焊间隙较小时(10μm 和20μm),中心区的金属间化合物呈长条状分布,其厚度相对于钎缝所占比例较大;钎焊间隙较大时(40μm),铜-铁基固溶体厚度相对于钎缝所占比例增大,显著降低了金属间化合物含量。相同钎焊间隙下延长保温时间,能促进固溶体等温凝固过程,增大固溶体含量;当钎焊间隙为40μm、保温时间为60min时,能得到钎缝组织基本为固溶体、硬度分布均匀的钎焊接头。由铜的蒸气压比较高,在钎焊升温到1000℃时需要降低真空钎焊炉的压力,所以就需要分压。分压压力一般设置在2-300Pa
(6)真空缓慢冷却:从1125~900℃,采用真空缓慢自冷,目的是使钎焊接头在高温下利用蠕变松弛效应而释放部分残余应力,防止裂纹的产生,提高板翅结构的强度。
(7)充氮快冷:从900℃起,向炉中充N2,同时启动真空钎焊炉的风机,使不锈钢板翅式汽车机油冷却器快速冷却到80℃后出炉。产品出炉以后需要进行静压检漏、防锈工序、水压测试、产品烘干、产品接头的机加工、最终检验、产品包装。
(8)但在生产中由于设计不合理, 零件的加工误差、装配误差、、焊接过程中的不确定因素、夹具使用不当等使得废品率经常超过10%,少数情况下甚至超过30%主要产生的缺陷是局部未钎满, 对于板翅式散热器组件导致致密性差,漏气率高往往前面很多工序投入很高的成本由于钎焊的缺陷而报废, 因此真空钎焊焊后缺陷的补焊是非常重要而很有意义。2次重新钎焊的钎焊温度一般降低10℃,多次真空钎焊由材料的晶体增大,容易出现报废。
   通过以上的过程控制,制造出了符合设计图纸要求的零件,充分体现了焊接质量控制与检验在整个零件生产过程中的重要性。与此同时结合公司实际情况,形成了公司真空钎焊质量过程控制要点及注意事项。在以后公司各型号的真空钎焊类零件可以推广使用,从而提升公司真空钎焊水品,提高产品真空钎焊质量。


 

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