分享：釬縫間隙對10鋼釬焊接頭顯微組織與力學性能的影響

0.   引言

液力變矩器是車輛、工程機械、礦山機械等極其重要的液力傳動部件[1],由渦輪、泵輪和導輪等葉輪總成組合而成,通過工作液體在變矩器內(nèi)部的循環(huán)來實現(xiàn)傳動和變矩。通常鉚焊型液力變矩器葉輪的制造過程如下：將外環(huán)、內(nèi)環(huán)和葉片3種三維弧面零件通過葉片的支耳進行裝配,再采用輥鉚工藝將支耳壓合,使葉片與內(nèi)/外環(huán)形成機械鉚接連接成一個整體[2],隨后進行釬焊以實現(xiàn)三者之間的牢固結(jié)合與密封。葉片與內(nèi)/外環(huán)機械鉚接后都會存在一定裝配間隙[3],且不同鉚接處的間隙存在不均勻性,對后續(xù)釬焊的影響較大。研究鉚接間隙對釬焊效果的影響,并獲得合理的間隙范圍值,對確保釬焊質(zhì)量和指導制定鉚焊型液力變矩器的成形工藝意義重大。 

近年來,國內(nèi)外學者研究了鐵基合金釬縫間隙對銅釬焊接頭焊接性、填充成形性、力學性能、釬焊界面冶金過程和耐腐蝕性能等方面的影響。GóRKA等[4]采用CuSi3Mn1合金釬料對DC04鋼開展釬焊試驗,發(fā)現(xiàn)釬縫間隙控制在0.4~0.7 mm時可以獲得高質(zhì)量釬焊接頭,接頭強度和耐蝕性較好。羅意等[5-7]研究發(fā)現(xiàn)：當釬縫間隙在0.5~0.8 mm時,接頭間隙內(nèi)的釬劑和氣體無法充分排除,熔融釬料難以進入釬縫,導致釬焊接頭出現(xiàn)明顯夾氣和夾渣問題,從而降低接頭強度；當釬縫間隙過大（1.5~1.8 mm）時,接頭處的釬焊毛細作用減弱,導致釬料無法充滿整個間隙,接頭成形不佳,力學性能差。SUN等[8-9]研究發(fā)現(xiàn),合理的間隙能夠顯著減少釬縫中金屬間化合物的數(shù)量,從而提高釬焊接頭的剪切強度。楊青松等[10]研究發(fā)現(xiàn),釬料與母材中的合金元素會形成固溶體、共晶或金屬間化合物等多種組織,有助于形成穩(wěn)定的釬焊接頭,并且提出釬料與待焊材料的釬焊匹配性是首要考慮因素,對釬焊接頭的力學性能影響顯著。 

目前,在低碳鋼液力變矩器鉚接結(jié)構(gòu)的釬焊方面還缺乏針對釬縫間隙影響的研究和相應的工藝規(guī)范。作者以液力變矩器葉輪常用的10鋼為待焊材料,以高純紫銅焊條為焊接材料,通過設計等效焊接接頭開展釬焊試驗,研究釬縫間隙對釬焊接頭成形性、顯微組織和力學性能的影響,以期獲得較為合理的葉片-內(nèi)環(huán)-外環(huán)釬縫間隙,為輥鉚工藝提供質(zhì)量評價標準。 

1.   試樣制備與試驗方法

待焊母材為退火態(tài)10鋼板,化學成分（質(zhì)量分數(shù)/%,下同）為0.12C,0.21Si,0.43Mn,0.03S,0.02P,0.12Cr,0.10Ni,余Fe；釬料為高純紫銅焊條,純度為99.9%,直徑為6 mm；焊膏為ZY-GTCu-A3型銅焊膏,由質(zhì)量分數(shù)為85%~90%的銅銀合金焊料粉末（銀質(zhì)量分數(shù)為3%,熔點為1 083 ℃）、質(zhì)量分數(shù)為10%~15%的糊狀助焊劑和添加劑混合而成,銅焊膏的化學成分為≥99.7（Cu+Ag）,≤0.01Bi,≤0.01Pb,≤0.3其他。 

針對葉輪釬焊的實際工況分別設計母材尺寸為50 mm×30 mm×1.4 mm的搭接、對接等效焊接試樣（如圖1所示）來開展釬焊試驗。 

圖  1  對接和搭接接頭試樣示意

Figure  1.  Schematic of butt joint (a) and lap joint (b) samples

釬焊前,采用LQ-SC-CSB-1型超聲波清洗機,用60~75 ℃、體積比為80∶1的水和脫脂劑混合溶液（pH為10~13）對母材進行2次除重油前處理,超聲波功率為3 000 W,電流在5~10 A；再使用體積比為80∶1∶4的水、脫脂劑和水性防銹劑混合溶液（pH為9~11）進行2次超聲波脫脂,使用體積比為80∶4的水和水性防銹劑混合溶劑（pH為8~10）進行超聲波漂洗2遍,最后在30~60 ℃下進行真空干燥。 

用塞尺片置于母材之間,將釬縫間隙分別控制在0.05,0.10,0.15,0.20,0.30,0.35,0.50,0.60,1.00 mm,再用夾具固定,采用氬弧焊在試樣兩側(cè)端部進行點焊固定,隨后將塞尺片抽出。將銅焊條裹覆銅焊膏后,置于釬縫間隙處,放入RCWE12-45X680X25型連續(xù)式保護氣氛釬焊爐進行釬焊,保護氣體為氨氣,釬焊溫度為（1 110±5） ℃,保溫時間為70 min,隨爐冷卻。 

在垂直于釬縫的接頭截面上切取金相試樣,用800#,1000#,2000#砂紙逐級打磨后,用剛玉拋光膏搭配尼龍布進行拋光,隨后用體積分數(shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕母材,用三氯化鐵鹽酸乙醇溶液（5g FeCl3+5 mL HCl+95 mL乙醇）腐蝕釬縫,腐蝕時間均為5 s,采用ZEISS Axiovert 40 MAT型光學顯微鏡（OM）觀察顯微組織。采用TESCAN MIRA4型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯微組織,用附帶的?AZtec Energy型能譜儀（EDS）進行微區(qū)成分分析。 

根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》,用線切割在釬焊接頭中間部位加工出尺寸為100 mm×10 mm×1.4 mm的非標準拉伸試樣（釬縫位于試樣中心）,采用Instron 3369型萬能試驗機進行拉伸試驗,拉伸速度為2 mm·min−1,記錄拉斷時的最大拉力,測3個平行試樣取平均值。 

2.   試驗結(jié)果與討論

2.1   釬縫成形性

由圖2可知,釬縫間隙對釬縫成形影響大。當釬縫間隙較小（小于0.10 mm）時,釬料無法充分吸附到縫隙中,造成局部浸潤不良；當釬縫間隙為0.10~0.30 mm時,對接和搭接接頭釬縫間隙均填充飽滿,釬縫表面成形良好,釬縫無肉眼可見的孔洞等缺陷；當釬縫間隙過大（搭接接頭大于0.30 mm、對接接頭大于0.50 mm）時,釬縫間隙填充不滿或成形不良,無法形成連續(xù)的釬縫,這是由于過大的釬縫間隙使得熔化的釬料在流入釬縫間隙后,難以完整鋪展或形成坍塌,無法形成致密的釬縫。 

圖  2  不同釬縫間隙釬焊搭接和對接接頭的釬縫宏觀形貌

Figure  2.  Brazing seam macromorphology of brazed lap joint (a) and butt joint (b) with different brazing seam gaps

2.2   界面顯微組織

由圖3可見,對接接頭釬縫與母材界面平整、清晰,無氣孔、夾雜物、裂紋和未釬滿等缺陷。不同釬縫間隙對接接頭的釬縫組織均為粗大銅單相晶粒,主要由釬料在釬焊熔化后冷卻凝固形成,呈典型的鑄態(tài)組織形態(tài)；10鋼母材組織主要為珠光體和鐵素體,釬縫附近母材的顯微組織未被破壞；近界面釬縫中可見“孤島狀”彌散分布的黑色點狀顆粒,近界面母材中鐵晶粒的晶界加厚（圖中界面附近的深色晶界）。 

圖  3  不同釬縫間隙釬焊對接接頭的OM形貌

Figure  3.  OM morphology of brazed butt joints with different brazing seam gaps: (a, c, e, g) at low magnification and (b, d, f, h) at high magnification

由圖4可見,母材與釬縫的界面清晰。 

圖  4  釬縫間隙為0.10 mm時釬焊對接接頭的SEM形貌

Figure  4.  SEM morphology of brazed butt joint with brazing seam gap of 0.10 mm: (a) at low magnification and (b) at high magnification

由圖5可見,釬料中的銅元素與母材中的鐵元素發(fā)生互擴散。母材中的鐵在界面處向釬料內(nèi)部擴散并且部分固溶,形成濃度梯度,擴散深度約為19 μm；釬料中的銅向母材中擴散形成濃度梯度,擴散深度約為15 μm。 

圖  5  釬縫間隙為0.10 mm的釬焊對接接頭EDS線掃描位置及結(jié)果

Figure  5.  EDS line scanning position (a) and results (b) of brazed butt joint with brazing seam gap of 0.10 mm

由Fe-Cu二元合金相圖[11]可知：鐵與銅在液態(tài)時無限互溶,在固態(tài)下有限互溶,且不會形成金屬間化合物；銅固溶在鐵中形成σ相,鐵固溶在銅中形成ε相,均為置換固溶體。在1 110 ℃釬焊溫度下,銅在鐵中的固溶度約為8.3%,鐵在銅中的固溶度約為4.0%。在釬焊加熱過程中,由于擴散能力更強,液態(tài)銅向10鋼母材中不斷滲入,鐵向銅液體中逐漸溶解；在冷卻過程中銅凝固結(jié)晶,界面處兩種固溶體的固溶度均隨溫度降低而逐漸下降,近界面母材和釬縫中分別析出銅和鐵[11]。由于鐵在銅中的固溶度更低,釬縫中鐵以顆粒形式析出；而母材中還存在碳元素,銅元素滲入后可在晶界處形成Fe-Cu-C三元共晶相[12]。經(jīng)歷釬料熔化、元素擴散、冷卻析出過程后,鄰近界面釬縫中的單質(zhì)鐵以“孤島狀”彌散顆粒存在,起到彌散強化作用,而母材中晶界上析出Fe-Cu-C三元共晶相,使晶界加厚,起到晶界強化作用,同時還形成了Fe-Cu固溶體,起到固溶強化作用。 

2.3   力學性能

由圖6可知：當釬縫間隙為0.10 mm時,對接接頭的抗拉強度為318 MPa,拉伸試樣在釬縫處斷裂；當釬縫間隙增大到0.15~0.30 mm時,接頭抗拉強度較高,強度差異較小,在324~345 MPa,試樣在母材處斷裂；釬縫間隙進一步增大至0.35 mm及以上時,對接接頭抗拉強度下降顯著,斷裂位置轉(zhuǎn)為釬縫,當釬縫間隙在0.60~1.00 mm時接頭抗拉強度不高于290 MPa。 

圖  6  釬焊對接接頭的抗拉強度隨釬縫間隙的變化曲線

Figure  6.  Curve of tensile strength vs brazing seam gap of brazed butt joint

拉伸斷裂后試樣均未觀察到界面撕裂現(xiàn)象,這可能是因為在冷卻過程中,界面附近形成了σ及ε固溶體,鄰近界面釬縫中析出彌散分布的鐵顆粒,母材中形成的Fe-Cu-C三元共晶相強化了晶界。當釬縫間隙在0.15~0.30 mm時,釬縫成形飽滿,界面強度高,母材側(cè)在釬焊過程經(jīng)歷了類似于退火的過程,強度降低,因此拉伸時試樣在母材處斷裂；當釬縫間隙過大（大于0.50 mm）時,釬料無法充分填充釬縫間隙并發(fā)生坍塌,無法形成飽滿的釬縫而留下孔洞,因此拉伸時釬縫容易斷裂。 

綜上所述,10鋼銅釬焊的釬縫間隙在0.10~0.30 mm,銅釬料浸潤順暢、釬縫成形好；當釬縫間隙為0.15~0.30 mm時,接頭抗拉強度高。為了同時確保葉輪葉片良好的密封性和接頭強度,在液力變矩器葉輪進行機械鉚接時將釬縫間隙控制在0.15~0.30 mm較為適宜。 

3.   渦輪釬焊應用驗證

以實際機械鉚接渦輪為研究對象,開展了實物釬焊試驗來進一步驗證釬縫間隙對釬縫成形性的影響。采用撥倒-輥壓工藝試制了渦輪輥鉚總成,釬焊位置為渦輪葉片支耳與內(nèi)/外環(huán)的鉚接處,并采用前述釬焊工藝參數(shù),獲得了如圖7所示的釬焊總成?？梢姶蟛糠种ФT接位置的釬縫成形良好,但仍有部分區(qū)域存在釬縫不飽滿或未形成完整釬縫的情況,這與支耳鉚接后與內(nèi)/外環(huán)表面的貼合間隙有關。 

圖  7  輥鉚型渦輪總成宏觀形貌

Figure  7.  Macromorphology of roller riveting turbine assembly: (a) inner surface and (b) outer surface

測量并記錄了支耳鉚接后葉片與內(nèi)環(huán)和外環(huán)的實際間隙,研究了釬焊后釬縫成形情況。由圖8可見：當葉片支耳與渦輪外環(huán)的間隙為0.082 mm時,釬料無法充分浸潤縫隙,釬焊效果不佳；當間隙在0.158~0.317 mm時,葉片支耳與渦輪外環(huán)形成良好的釬焊接頭,釬縫成形飽滿,釬焊效果良好；當間隙為0.555 mm時,釬焊效果不佳,釬縫不飽滿；當間隙大于1.000 mm時,葉片支耳完全不能通過釬焊的方法與外環(huán)連接成一個整體,這將影響變矩器總成的密封性。實物釬焊試驗的結(jié)果驗證了前述等效焊接試驗結(jié)論,渦輪總成輥鉚加工時,應嚴格控制葉片與渦輪內(nèi)/外環(huán)的間隙在0.15~0.30 mm,確保釬焊后支耳與內(nèi)/外環(huán)能夠形成良好的接頭,從而保證變矩器的性能。 

圖  8  不同葉片支耳與渦輪外環(huán)鉚接間隙下釬焊接頭的宏觀形貌

Figure  8.  Macromorphology of brazed joint under different riveting gaps between blade lug and turbine outer ring

4.   結(jié)論

（1）當釬縫間隙在0.10~0.30 mm時,釬縫成形性良好；當釬縫間隙較小（小于0.10 mm）時,釬料無法充分吸附到釬縫間隙中,造成局部浸潤不良；當釬縫間隙過大（大于0.50 mm）時,釬料熔化后坍塌,縫隙填充不滿,無法形成連續(xù)的釬縫。 

（2）在釬焊過程中,10鋼母材和銅釬料間發(fā)生鐵和銅元素的互擴散,母材的鐵元素向釬縫中擴散,釬縫中的銅沿晶界向母材中擴散,使得鄰近界面的釬縫中析出彌散分布的鐵顆粒,鄰近界面的母材中晶界加厚。 

（3）當釬縫間隙在0.15~0.30 mm時,釬焊接頭的抗拉強度較高,在324~345 MPa；當釬縫間隙大于0.30 mm后,接頭抗拉強度下降,尤其是當間隙在0.60~1.00 mm時,抗拉強度不高于290 MPa。拉伸斷裂后試樣中均未觀察到界面撕裂現(xiàn)象。綜合考慮釬焊成形性和接頭強度,采用高純紫銅焊條釬焊10鋼的釬縫間隙宜保持在0.15~0.30 mm。

文章來源——材料與測試網(wǎng)