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不锈钢真空钎焊焊接接头的组织和力学性能 |
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作者：陈芙蓉 刘军 董俊慧 刘方军 陈刚 |
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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。各钎料的化学组成列于表2。表1 1Cr18Ni9Ti的化学成分
 表2 试验用钎料的化学组成
 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。
采用四种钎料钎焊的焊接工艺参数如表3所示。表3 不同钎料的真空钎焊工艺参数
 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（图1），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（图2），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]。
图1 剪切试验接头试样
图2 拉伸试验接头试样
2 试验结果及分析
2.1 金相组织分析
2.1.1 BNi-2钎料
图3是采用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。
图3 采用BNi-2钎料的焊接接头显微组织
由图3可见，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
图4是采用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。
图4 采用BNi-5钎料的焊接接头显微组织
由图可见，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。
2.1.3 BПP-1钎料
图5是采用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。由图可见，其钎缝组织中均有少量化合物相出现。
图5 采用BПP-1钎料的焊接接头显微组织
2.1.4 纯铜钎料
图6是采用纯铜钎料钎焊1Cr18Ni9Ti不锈钢接头的显微组织。
图6 采用纯铜钎料的焊接接头显微组织
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
表4是采用四种钎料的试样接头抗剪强度试验结果。由表4可见，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。表4 剪切试验结果
 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
表5是采用四种钎料的拉伸试样接头抗拉强度试验结果。表5 拉伸试验结果
 由表5中数据可见，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
表6是采用四种钎料的弯曲试样接头抗弯强度试验结果。表6 抗弯强度试验结果
 由表6可见，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.
作者简介： 陈芙蓉，女，1972年1月生，博士，副教授。主要研究方向为焊接结构的强度、电子束焊接及热处理等。发表论文十余篇。
Email： Chenfurong@eyou.com
电话：0471-6577075(end)
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(4/1/2005) |
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