多釬縫噴注器真空釬焊工藝

王文平 張志偉 武勝勇 賈春林 張汝俊

（北京控制工程研究所，北京 100190）

文 摘 針對不同部位多條釬焊縫一次釬焊成型，開展采用BNi-2釬料進(jìn)行噴注器真空釬焊工藝方法的實(shí)驗(yàn)研究。分析了表面潔凈度、釬焊溫度及釬縫間隙對噴注器密封性的影響。結(jié)果表明：釬縫間隙對由高溫合金與不銹鋼兩種材料組成噴注體釬焊接頭的密封性有顯著影響。合理的釬縫裝配間隙為10～15 μm，此間隙使釬縫中的釬著率＞90%，并得到了內(nèi)外部質(zhì)量、密封性優(yōu)良的接頭。

0 引言

真空釬焊適宜于精密產(chǎn)品的釬焊，可一次釬焊多道焊縫，生產(chǎn)效率高，特別適宜釬焊不銹鋼、鈦及鈦合金、高溫合金等，廣泛應(yīng)用在航空、航天等領(lǐng)域，但是對釬焊零件的表面粗糙度、裝配質(zhì)量、配合公差等因素的影響較敏感。

噴注器是發(fā)動機(jī)的核心部件，一般由高溫合金（GH3128）、耐熱不銹鋼（1Cr18Ni9Ti）等材料組成。由于高溫合金、不銹鋼性能差別大，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、焊縫多，應(yīng)用于高壓、高溫條件下，起到強(qiáng)度連接和密封隔離作用，因此焊縫質(zhì)量對產(chǎn)品性能至關(guān)重要，目前絕大部分焊縫采用釬焊的方法進(jìn)行連接[1-3]。

本文對噴注器采用真空釬焊工藝連接，研究表面潔凈度、釬焊溫度及釬縫間隙等因素對噴注器密封性的影響。

1 焊縫結(jié)構(gòu)及技術(shù)難點(diǎn)分析

1.1 焊縫結(jié)構(gòu)

噴注器各零件通過真空釬焊焊接而成，見圖1。

圖1 噴注器結(jié)構(gòu)和焊縫位置Fig.1 The injection structure and weld location

1.2 母材及釬料成分分析

噴注器真空釬焊的母材包括高溫合金GH3128（前室）、GH3030（毛細(xì)管）、不銹鋼1Cr18Ni9Ti（框架、支撐架、法蘭盤）。

BNi-2釬料是鎳基釬料應(yīng)用最為廣泛的一種，對不銹鋼和高溫合金的潤濕性、流動性都很好；有較高強(qiáng)度、抗氧化和耐腐蝕性能；釬焊溫度范圍與不銹鋼及高溫合金熱處理制度相吻合。因此，噴注器選用BNi-2釬料進(jìn)行真空釬焊是合理的。釬料形式為粉狀，通過與少量聚乙烯醇水溶液進(jìn)行均勻混合，用細(xì)鐵絲沾少量釬料進(jìn)行填充焊縫。主要成分及技術(shù)指標(biāo)如表1所示。

表1 BNi-2釬料的主要成分及參數(shù)Tab.1 The main constituents and welding parameters of the BNi-2 brazing filler metal

1.3 技術(shù)難點(diǎn)分析

噴注器真空釬焊技術(shù)難點(diǎn)：（1）5條焊縫通過真空釬焊一次成形，需滿足釬縫漏率≤1×10-4Pa·L/s；（2）毛細(xì)管與前室、毛細(xì)管與法蘭盤之間的焊縫間隙不均勻，且毛細(xì)管伸出的長度很短，只有0.4 mm，易引起釬著率較低，導(dǎo)致密封性差，漏率超標(biāo)，毛細(xì)管與前室釬縫釬著率低的金相照片如圖2所示，釬料過度流動，使毛細(xì)管通道堵塞；（3）毛細(xì)管壁厚只有0.2 mm，為了保證毛細(xì)管的強(qiáng)度，必須保證釬料在毛細(xì)管上的熔蝕≤50 μm。

圖2 毛細(xì)管與前室釬著率Fig.2 The brazing rate of capillary and front

2 解決措施

2.1 焊接試驗(yàn)件及試驗(yàn)流程

釬焊設(shè)備選用意大利生產(chǎn)的TAV TPH45/25/60型真空爐，工作真空度＜5 mPa，爐溫均勻性≤±4℃，可以滿足噴注器真空釬焊的要求。

毛細(xì)管與前室、法蘭盤之間的釬縫是噴注器保證密封性的重點(diǎn)和難點(diǎn)，作為本文研究重點(diǎn)，其釬縫深度分別為1.75、3 mm，因此選取3 mm作為試驗(yàn)件的釬縫深度，試驗(yàn)件的焊縫結(jié)構(gòu)尺寸如圖3所示。試驗(yàn)主要分為三個(gè)部分，包括提高焊縫表面潔凈度、提高釬焊溫度、增大焊縫間隙對噴注器密封性的影響。

圖3 試驗(yàn)件的焊縫結(jié)構(gòu)Fig.3 The welding structure of test piece

2.2 表面潔凈度、釬焊溫度、焊縫間隙對噴注器密封性的影響

2.2.1 焊縫表面潔凈度對密封性的影響

工件表面存油污進(jìn)行真空釬焊時(shí)，油污在高溫條件下殘留工件表面，起到阻釬劑作用，影響液態(tài)釬料的潤濕鋪展以及釬縫成形。另外，在焊前存放過程中，待釬焊工件表面不可避免的會覆蓋著氧化物，將妨礙液態(tài)釬料在母材上鋪展填縫。因此，真空釬焊前必須清除工件表面的油污和氧化物。

圖4 提高表面清潔度后焊縫背面的成形Fig.4 The forming of back of welding seam after improving surface cleaness

在噴注器的焊前清理中，首先應(yīng)對工件進(jìn)行去除氧化膜處理，處理后的工件應(yīng)放置在干燥柜中，并在2個(gè)月內(nèi)完成釬焊。其次，在釬焊前清洗工件時(shí)，應(yīng)使用汽油浸泡清洗，去除工件表面的油污，再使用無水乙醇將工件清洗干凈。但是在保持原有的升溫速率為10℃/min、釬焊溫度1 034℃、配合間隙5 μm不變的情況下，僅對工件表面清理進(jìn)行改進(jìn)，并沒有獲得焊縫背面成形良好的釬焊接頭，如圖4所示，可見，焊縫表面潔凈度不是影響密封性的主要原因。

2.2.2 釬焊溫度對密封性的影響

釬焊溫度是影響焊縫質(zhì)量的重要影響因素之一。在釬焊溫度下熔化的釬料，借助毛細(xì)作用力進(jìn)入接頭裝配間隙，熔解并擴(kuò)散進(jìn)入母材。釬焊溫度稍高于釬料熔點(diǎn)，能減小液態(tài)釬料表面張力，提高潤濕性，增加填縫能力，并與母材充分作用，提高焊縫質(zhì)量。釬焊溫度過高易引起釬料中低沸點(diǎn)成分的蒸發(fā)，導(dǎo)致釬料與母材過分相互作用而溶蝕，降低接頭強(qiáng)度。保持配合間隙5 μm不變，將釬焊溫度從1 034℃提高到1 037℃和1 040℃，分別對試驗(yàn)件進(jìn)行釬焊，但是也沒有獲得焊縫背面成形良好的焊接接頭，如圖5所示，可見，釬焊溫度也不是影響密封性的主要原因。

圖5 提高釬焊溫度后焊縫背面的成形Fig.5 The forming of back of welding seam after raising brazing temperature

2.2.3 釬縫間隙對密封性的影響

在釬焊過程中，釬焊間隙決定著釬料的毛細(xì)填縫能力以及與母材的相互作用等，必然極大地影響釬焊接頭的質(zhì)量和性能。釬焊間隙如果太小，釬料就很難進(jìn)入釬焊間隙，如果太大，毛細(xì)作用太弱，釬料也很難填入釬焊間隙，釬料與母材之間熔解及擴(kuò)散能力降低，焊縫力學(xué)性能也隨之降低。

保持釬焊溫度為1 034℃不變，將焊縫處的配合間隙分別增加到10、15 μm，分別釬焊了多組試驗(yàn)件，這幾組試驗(yàn)件的釬縫中釬料填充情況比較理想，釬縫背面成形良好。因此，釬縫間隙是影響密封性的主要原因。5條釬縫釬焊縫結(jié)構(gòu)都是用千分尺先進(jìn)行測量毛細(xì)管外徑尺寸，然后進(jìn)行粗打孔，隨后進(jìn)行配打孔，檢測孔合格的方法是通過磨削方法制作每隔1 μm裝配孔的塞規(guī)，通規(guī)通過裝配孔和止規(guī)不通過裝配孔，保證裝配配合間隙在10～15 μm。

3 改進(jìn)后釬著率和密封效果

經(jīng)過上述試驗(yàn)可以看出：釬縫間隙是影響噴注器釬著率的主要因素，增大焊縫間隙到10和15 μm，釬料就可以填充整條焊縫并在焊縫背面良好成形。釬焊縫件先線切割沿焊縫進(jìn)行剖切，然后用1000#金相砂紙打磨焊縫拋光，隨后進(jìn)行腐蝕，在50倍顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)區(qū)域存在個(gè)別小孔，填充率＞90%，毛細(xì)管處未見溶蝕現(xiàn)象。因此，在后續(xù)生產(chǎn)中將噴注器的焊縫間隙調(diào)整為10～15 μm，焊縫情況如圖6所示。

圖6 焊縫背面的成形及釬焊填充效果Fig.6 The forming of back of welding seam and the effect of brazing filler

釬焊后噴注器密封性用氦質(zhì)譜儀檢測外漏率。采用氦質(zhì)譜儀加壓檢漏的方法，實(shí)驗(yàn)步驟為：安裝好檢漏夾具后，用一定體積的氣罩罩住檢測試件并抽真空，對噴注器加壓，充入氦氣，檢漏壓力3 MPa，保壓時(shí)間≥5 min后測外漏率，檢測結(jié)果顯示外漏率為7×10-6Pa·L/s，＜1×10-4Pa·L/s。說明該工藝條件下釬焊的毛細(xì)管釬焊接頭密封性良好。

4 結(jié)論

（1）在其他條件釬焊參數(shù)不變的條件下，通過提高焊縫表面潔凈度，焊縫背面釬焊接頭成形較差，焊縫表面潔凈度不是影響密封性的主要原因；

（2）在其他條件釬焊參數(shù)不變的條件下，改變釬焊溫度為1 034℃、1 037℃和1 040℃，未獲得焊縫背面成形良好的焊接接頭，釬焊溫度也不是影響密封性的主要原因；

（3）在其他條件釬焊參數(shù)不變的條件下，改變配合間隙為5、10和15 μm。結(jié)果顯示釬縫間隙在10～15 μm時(shí)能獲得內(nèi)外部質(zhì)量優(yōu)良、密封性良好的釬縫。釬縫間隙是影響密封性的主要原因。