整流器類多焊縫零件的釬焊及熱處理工藝方法的研究

牟玉芬

（中國航發航空科技股份有限公司， 四川 成都 610503）

引言

該課題針對航空發動機整流器類多焊縫零件釬焊后的焊縫開裂、間隙不均勻、熱處理后變形過大等問題進行工藝研究。零件材料為GH4169，需使用釬料BAu20NiCrFeSiB 進行真空釬焊將大量的小葉片釬焊為一個整環。該類零件焊縫較多，結構復雜且均為重要件對焊縫要求高，對母材力學性能要求高，變形量難以控制。

為了摸索出一套切實可行的工藝方案，就某項目的整流器釬焊熱處理變形問題作了詳細的分析與調查，最終確定了加工此類零件能夠滿足零件技術要求，質量可靠，加工穩定的新工藝方法。

1 零件工藝技術要求的分析

1.1 零件工藝技術要求

如表1 所示，零件在釬焊后需對焊縫按HB7575-97 二級/三級焊縫進行驗收，釬焊后進行熱處理，母材力學性能按Q/S10-0701-2004Ⅱ類鍛件，Ⅱ類檢驗進行檢查[1]。

表1 零件焊接要求

如圖1 所示，以六級整流器組件為例，設計圖要求：將138 個小葉片釬焊為一個整環。釬焊及熱處理后變形要求較高：內外環自由狀態下圓度≤0.4 mm，內外環上下兩平面自由狀態下平面度≤0.4 mm。

圖1 六級整流器組件示意圖（單位：mm）

1.2 零件工藝技術難點

間隙對釬焊質量至關重要，釬焊間隙過大、不均勻等將影響釬焊質量，因此為保證釬焊質量，要求零件在釬焊前需通過熔焊定位并保證內環間隙0.04～0.05 mm，外環間隙0.05～0.08 mm，定位焊焊點不允許存在裂紋及明顯氧化色。由于零件結構復雜焊縫較多，間隙要求極難保證，因而增加了釬焊難度。

焊縫內側為葉片氣流通道，不允許出現釬料堆積、漫流，因此只能在焊縫外側預置釬料，且釬料不宜過多，釬料過少則又無法填滿焊縫，將出現空穴、凹陷等缺陷。

釬焊質量按HB7575 三級焊縫進行驗收滿足表2 要求，釬焊后進行熱處理，按材料標準Q/S10-0701-2004Ⅱ類鍛件，Ⅱ類檢驗對隨爐試樣進行室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久等力學性能檢測滿足表3 要求。

表2 HB7575 三級焊縫釬焊質量要求

表3 熱處理力學性能要求

BAu20NiCrFeSiB 釬料為以金、鎳為主要成分的釬料，此前未使用過該類釬料進行釬焊對其釬焊性能不了解，尚無工藝基礎及相關經驗可借鑒。

2 項目課題的研究目標

1）開展釬料釬焊性能工藝試驗，使用模擬件進行釬焊試驗，粗選該釬料釬焊工藝參數。

2）根據實驗結果確定釬焊及熱處理工藝參數，設計制造工裝。

3）對焊縫進行目視檢查，測量零件變形情況，根據零件釬焊情況對工藝參數、工裝等進行優化調整。

3 總體技術方案

1）釬料釬焊性能試驗。為檢測釬料的潤濕鋪展性，準備試片進行工藝試驗。

2）模擬件釬焊工藝試驗。為驗證釬焊工藝方法的可行性，準備模擬件進行定位焊、釬料預置等焊前準備工作并參考有關標準初步設定工藝參數，釬焊模擬件[2]。

3）熱處理工藝試驗。選用試棒隨模擬零件進行釬焊熱循環及焊后熱處理并進行力學性能檢測，確定熱處理工藝參數。

4）設計專用工裝，在釬焊及熱處理時隨零件一同進爐控制零件變形。

4 工藝過程剖析及方案驗證

4.1 試驗件焊前準備及釬料調配

準備4 件規格為60 mm×20 mm×2 mm GH4169 試片，用丙酮清洗確保無污染。20 根GH4169 力學性能試棒（Φ12 mm×100 mm）、4 組模擬件，每組模擬件包含6～8 件小葉片，按圖2 進行熔焊定位焊，每條焊縫在內外兩側各定位兩點保證釬焊間隙均勻，焊點大小均勻無裂紋，無明顯氧化色。

定位焊完成后在試片表面預置3～5 g 膏狀釬料，并按圖3 在模擬件焊縫位置預置適量膏狀釬料。膏狀釬料由120～140 目粉狀釬料BAu20NiCrFeSiB和“S”黏結劑調配而成，黏結劑比例（按質量）:10%～20%。

圖2 定位焊示意圖

圖3 預置釬料示意圖

4.2 試驗參數初選及釬焊

根據現有標準Q/3B 4047-2006、HBZ309，釬料BAu20NiCrFeSiB 固相線941 ℃（近似值），液相線971 ℃（近似值），推薦釬焊溫度1 010 ℃±10 ℃。此外為使黏結劑揮發，并保證試驗件在加熱到釬焊溫度時爐溫均勻一致，釬焊時應分別在500 ℃及900 ℃左右設置保溫平臺。

將準備好的試片及模擬件分4 組使用不同釬焊工藝參數進行試驗，每組試驗隨爐攜帶5 根力學性能試棒參與釬焊熱循環，模擬件及試片裝爐時應平放均勻擺放于石墨盤上，模擬件內外臺階高度差應使用陶瓷塊墊平。為防止混樣，所有試驗件均用振動筆進行標記并在試驗過程中作好記錄如圖4、圖5所示。

圖4 釬料潤濕鋪展試驗

圖5 釬焊模擬件

在進行多次試驗后，初選釬焊工藝參數：預抽真空至爐內壓強低于3.0×10-2Pa 以后開始升溫；升溫至500 ℃±30 ℃后，保溫25～35 min；升溫至900 ℃±10 ℃后，保溫25～35 min；升溫至1 010 ℃±10℃，并保溫（10～15 min）；爐冷至900 ℃以下，向爐內回充0.8～2.0 bar 氬氣，開啟風扇冷卻，待爐溫降至100 ℃以下后出爐。

4.3 目視檢查

由上圖可知使用初選工藝參數進行工藝試驗，試片上釬料潤濕鋪展良好，無明顯未溶化殘留物或氧化物。模擬件釬料溶化雖不均勻，但釬縫未發現明顯缺陷，釬焊質量按HB7575 三級焊縫進行驗收滿足要求，因此初步判斷按相關標準選取工藝參數可用于零件釬焊[3]。

4.4 熱處理

4.4.1 工藝參數確定

按材料標準Q/S10-0701-2004 及設計圖要求，零件在釬焊后需進行固溶及時效熱處理。熱處理參數為：固溶處理：965 ℃±10 ℃保溫1 h，分散空冷；時效處理：720 ℃±10 ℃保溫8 h，以（50±10）℃/h爐冷至620 ℃±10 ℃保溫8 h，空冷。

4.4.2 熱處理試驗及力學性能檢測

將按初選釬焊工藝參數釬焊后的一組試棒按預選參數進行熱處理并送理化中心按表2 要求，在室溫拉伸、高溫拉伸、高溫持久狀態對屈服強度、抗拉強度、斷后伸長率、端面收縮率進行檢測，其力學性能滿足材料標準要求。檢測結果（圖6）顯示高倍組織檢查存在δ 相，呈短棒狀。

圖6 試樣高倍組織檢測結果

4.5 工裝設計制造

考慮到零件焊縫多且變形要求高，設計制造一套材料為1Cr18Ni9Ti 的工裝用于墊平零件內外環臺階保證內外端面平面度。為防止工裝在釬焊過程中被焊上，在工裝與零件接觸表面均勻噴涂一層Al2O3，厚度不超過0.3 mm。

為防止釬焊后由于零件收縮變形造成尺寸超差，焊點開裂（見圖7），在零件內圈增加一件工裝用于支撐零件（圖8）。工裝材料為三高石墨，為避開焊縫，沿圓周均勻開槽。

5 零件焊接結果的分析

定位焊完成后零件進行釬焊前準備，在零件焊縫處預置膏狀釬料晾干后，裝入工裝中，零件平放于石墨盤上進行裝爐并隨爐攜帶6 根力學性能試棒，按模擬件試驗確定工藝參數進行釬焊。

釬焊完成后對焊縫質量進行目視檢查，發現在零件內環有兩處對稱位置焊縫未焊上，其余焊縫除個別區域出現未填滿外，多數焊接質量良好。

圖7 零件焊點開裂示意圖

圖8 石墨工裝（單位：mm）

5.1 工裝優化改進及參數調整

針對釬焊過程中出現的問題進行分析，初步判定是由于零件在定位焊時焊點、釬焊間隙不均勻，而石墨工裝與零件線膨脹系數不一致，零件在加熱及冷卻時在定位焊薄弱點被拉裂。因此對工裝進行改進，零件外圈再增加一件工裝，材料為1Cr18Ni9Ti，沿圓周均勻開槽避開焊縫，同時在工裝與零件接觸面均勻噴涂Al2O3（見圖9）。

圖9 改進后工裝圖

新增加工裝后由于工裝較厚，在熱處理加熱過程中易對零件造成屏蔽，因此考慮在焊后固溶處理時在達到最終熱處理溫度965 ℃前在900 ℃增加保溫平臺保溫30～40 min，并在零件裝爐時放置熱電偶伸入工裝內部與零件接觸。

5.2 結果驗證

對前述工藝試驗結果進行總結分析并最終確定釬焊及熱處理工藝參數及工裝改進方案。按改進后的方案進行釬焊及熱處理。結果表明零件釬焊后未出現開裂現象且變形較小，熱處理后，進行力學性能檢測結果均合格。

6 結語

整流器組件釬焊存在零件結構復雜焊縫多、定位焊間隙難保證、零件易變性等諸多技術難點。在本次課題研究中進行多次工藝試驗測試釬料的釬焊性，摸索釬焊釬焊及熱處理工藝參數并進行工裝改進、參數調整最終基本解決了該類零件釬焊及熱處理中存在的問題，也為今后焊類似結構類似材料的零件積累了經驗。