Ag-Cu-Ti 釬料下20Cr低合金鋼真空釬焊工藝研究

蔣和躍，周長征，陳科仲

(陸軍裝備部駐重慶地區軍事代表局駐重慶地區第六軍事代表室，重慶 400052)

0 引言

由于人們越來越關注強度較高的合金鋼應用，同時，隨著制造業的快速發展，各種金屬材料在工業生產、工程應用方面得到大量的運用。中國目前鋼鐵工業最大的問題已經不是產量的問題，而是工程應用產品結構的問題[1]。采用更高強度的低合金鋼來代替傳統鋼材是目前金屬材料工程應用的發展方向。高強度低合金由于具有強度較高、使用性能好、同工件尺寸條件下的使用量更少等優點，在航海、航天、汽車、化工、軍事裝備等行業得到越來越多的應用[2]。

Ag-Cu-Ti釬料熔點相對較低，流動性能好且力學性能優異。Ti元素的加入能夠提高釬料的活性，提高釬料的鋪展潤濕能力，從而提高接頭性能。

1 試驗方法

試驗采用的焊接母材為 20Cr低合金鋼，釬料為自制的Ag- 29%Cu- 2%Ti，焊前將焊接母材尺寸加工為20 mm×20 m×3 mm，釬料經軋制后制成尺寸為20 mm×20 m×0.3 mm的箔片。焊前先用120#砂紙打磨去除20Cr低合金鋼待焊表面雜質，之后將母材與釬料片分別放入無水乙醇中進行超聲波清洗去除待焊表面油污、顆粒。此后將母材與釬料呈“三明治”狀放入石墨夾具。在多功能真空擴散焊機中進行真空釬焊，當真空度達到1×10-2Pa時開始以15℃/min的升溫速率進行加熱 。焊后垂直于釬縫制取金相試樣，使用光學金相顯微鏡觀察試樣的組織。

將釬焊接頭切割成適合放進剪切夾具的長條狀，并放置在自制的剪切夾具中。使用WD.100 KE型萬能力學性能試驗機以1 mm/min的加載速度進行剪切試驗，測試接頭的抗剪強度。相同焊接參數下3個試樣的剪切強度的平均值作為該參數下的釬焊接頭剪切強度。

2 試驗結果與討論

2.1 釬焊溫度對20Cr合金鋼接頭形貌的影響

當釬焊溫度為835℃時，釬料在此溫度下元素的擴散能力較差，焊縫表面上部分位置出現未焊合。當釬焊溫度為860℃時，釬料的鋪展潤濕性增強，釬料向外浸潤的區域增加。焊縫的成型美觀，并且沒有釬料溢出的現象出現，當釬焊溫度為880℃時，釬料在此溫度下的黏度較低，擴散能力最強，熔化的釬料極易在母材擠壓下溢出釬縫，造成釬料流失、釬縫減薄。

當焊接溫度為850℃ 時，20Cr合金鋼焊接接頭界面的釬縫較厚，孔洞較多，隨著焊接溫度不斷升高，釬縫厚度逐漸減小，孔洞消失。

當焊接的溫度為835℃時，當在此較低的釬焊焊接溫度下，可以看到在釬縫層金屬/鋼界面出現少量的細微孔洞以及未潤濕區域。當釬焊溫度為865℃與 880℃時，此時的釬焊焊縫界面的成型良好。

2.2 釬焊溫度對20Cr合金鋼接頭力學性能的影響分析

隨著釬焊溫度由835℃增加到880℃，釬焊接頭的抗剪切強度呈現先上升然后大幅下降的趨勢。釬焊接頭抗剪切強度的最大值出現在焊接溫度865℃時，其抗剪切強度峰值能夠達到227.6 MPa。

2.3 保溫時間對20Cr合金鋼接頭形貌的影響

采用不同的釬焊焊接保溫時間所得到的釬焊接頭宏觀形貌如圖1所示。焊接時間分別為20 min、30 min、40 min時，焊縫外部的形貌沒有太明顯的差別，厚度比較均勻，試樣邊緣的鋪展潤濕比較優良，沒有明顯的孔洞與釬料的溢出。

在不同保溫時間下獲得接頭的橫截面組織形貌如圖1所示，當釬焊保溫時間分別為20 min、30 min、40 min時，釬縫的厚度基本沒有明顯的變化。隨著保溫時間的延長，釬縫的厚度沒有出現較大變化，當采用的釬焊溫度相同，但在不同的保溫時間下，其連接界面沒有明顯和較大的縮孔裂紋等缺陷；溫度相同，但在不同的保溫時間下，其連接界面沒有明顯的較大的縮孔裂紋等缺陷。

圖1 不同保溫時間焊縫橫截面形貌

2.4 釬焊溫度對20Cr合金鋼接頭力學性能的影響分析

隨著焊接保溫時間從20 min增加到40 min。釬焊接頭的抗剪切強度表現出先增大、后減小的變化特點，從數據整體變化上看，釬焊保溫時間對接頭剪切強度的影響十分明顯，當焊接保溫時間為30 min時，釬焊接頭的剪切強度達到峰值227.6 MPa。而釬焊保溫時間過長或者過短，焊縫的強度都會有一定的下降。

通過綜合分析認為，當釬焊時焊接保溫時間較短時，由于液態釬料與母材金屬界面的作用時間較短，液態金屬能在母材金屬表面鋪展潤濕，但液態釬料與母材產生冶金反應的時間較短，釬料與母材原子的相互擴散時間較短，焊縫的元素擴散與冶金反應不充分導致焊接接頭的強度降低，力學性能下降，焊縫的剪切強度也會相應下降。當釬焊的保溫時間較長時，液態釬料與母材金屬表面的作用時間長，同時焊縫接頭長時間在高溫環境中，釬料金屬與母材金屬此條件下的界面反應產生裂紋及孔洞，導致焊接接頭的力學性能不高。

3 結論

1)在對真空釬焊焊接溫度對釬焊接頭力學性能影響的規律的研究中發現：隨著真空釬焊溫度由835℃增加到880℃，釬焊接頭的抗剪切強度呈現出先增加、后下降的變化趨勢。當釬焊溫度為865℃時可以得到成型良好的接頭，在該釬焊參數下得到的接頭的抗剪切強度可達到227.6 MPa。

2)在研究釬焊保溫時間對釬焊接頭性能影響的工藝規律中發現：隨著釬焊保溫時間從20 min 增加到40 min的過程中，釬焊接頭的力學性能便呈現出先增加、后下降的變化。當保溫時間為30 min時，釬料/鋼界面結合良好，無明顯的缺陷。