硬質合金與結構鋼釬焊結構低溫力學性能試驗

高 澤，劉 博，鄭立彥，王國欣，莫桂冬，孫啟臣

（北京衛星制造廠有限公司，北京 100094）

隨著航天技術的快速發展與航天任務的深入推進，航天核心組件結構工作工況需同時面對深低溫、扭矩負載及沖擊負載工況，這對結構材料、連接方式與試驗條件都提出了較高要求。而合金鋼40CrNiMoA 與硬質合金YG6X 兩種材料憑借優異的力學性能與穩定的化學特性經常應用于航天器結構中。針對這兩種材料，焊接難點主要為熱膨脹系數差距導致的裂紋［1］與焊縫脆化［2］，同時不同焊接工藝及過程控制也會影響焊縫力學性能［3］。

針對硬質合金與合金鋼的焊接工藝，宮紅亮研究了火焰釬焊時釬料及工藝參數對焊接效果的影響，使用HL811 釬料時彎曲強度最優為251.2 MPa［4］；馬琳博等使用火焰釬焊焊接硬質合金，焊縫剪切強度可達244.6 MPa，但受操作影響存在焊縫外觀較差的問題［5］。真空釬焊也是焊接這兩種材料的可行方案之一，Li 等研究了鎳基釬料真空釬焊不銹鋼不同焊接參數下抗拉強度的影響，焊接溫度980 ℃、焊接時間15 min 時焊接件抗拉強度值最優為245 MPa［6］；牛超楠等研究了使用TiZrNiCu釬料真空釬焊高溫合金時不同焊接參數對焊縫剪切強度的影響，隨溫度或保溫時間增加，剪切強度先升后降，最優剪切強度為105 MPa［7］；Dong 等研究了ZrCuNiAl 釬料真空釬焊TiAl 合金與316 不銹鋼，研究了不同焊接參數下金屬間化合物成分及剪切強度值，焊接溫度1 020 ℃、保溫時間10 min 時剪切強度最優達到129 MPa［8］；Li 等研究了TiZr-CuNiFeCoMo 釬料真空釬焊TiAl 合金與高溫合金不同焊接參數下纖維組織與剪切強度的影響，焊接溫度1 150 ℃、保溫時間10 min 時剪切強度最優達到262 MPa，脆性金屬間化合物是產生裂紋和降低接頭強度的主控因素［9］；閆明等研究了鋁合金真空釬焊后的力學性能變化，經605 ℃保溫5 h 后抗拉強度與硬度均下降約50%［10］。目前研究較多的關注焊接參數對剪切性能的影響［11］，對抗拉強度研究不多，而且暫無針對合金鋼40CrNiMoA 與硬質合金YG6X 焊接性能的研究。

劉春立等的研究說明了用于航天器結構的材料，需要驗證實際使用工況溫度下的力學、物理性能的必要性［12］，依據需求要對焊接工藝在工作溫度下的力學性能進行測試［13］。在金屬低溫性能測試方面，閆亞瓊等研究了深低溫（-130 ℃）軋制鎂合金板力學性能變化，軋制變形后，板材的強度有所提高，但是延伸率卻急劇下降［14］，試驗中其使用液氮，實現了-130 ℃的拉伸測試；羅震等研究了9Ni 鋼焊接接頭-196 ℃時的沖擊功測試試驗，不同焊條焊接時效果近似［15］。深低溫金屬性能測試研究暫時較少，也缺乏相關試樣與實驗方案設計，難以指導該工況下結構力學性能的設計工作。

針對航天器結構在惡劣工況下工作性能的需求，本文設計對比試驗，通過研究真空釬焊與火焰釬焊焊接硬質合金YG6x 與合金鋼40CrNiMoA 試樣在常溫-深低溫環境下焊縫力學性能；并設計試驗驗證了焊接過程對基材本身力學性能的影響，測試高溫環境下真空釬焊工藝試樣焊縫的力學性能，從而研究不同焊接工藝對實際結構焊接力學性能的影響。

1 試驗方案設計

為了研究不同焊接工藝對40CrNiMoA 與YG6X 在不同溫度下焊接力學性能的影響，驗證此兩種材料焊接后結構在真實工況下的力學性能，需設計高低溫工況下的拉伸試樣，以測試不同焊接方案的力學性能方面的焊接效果。

1.1 試驗材料

本試驗研究對象為合金鋼40CrNiMoA 與硬質合金YG6X，這兩種材料的機械性能和化學成分及其對應的執行標準見表1、2。

表1 合金鋼40CrNiMoA 機械性能及化學成分Table 1 Mechanical properties and chemical composi?tion of alloy steel 40CrNiMoA

表2 硬質合金YG6X 性能Table 2 Cemented carbide YG6X performance

火焰釬焊焊料為黃銅焊絲，牌號SCu4700，技術標準GB/T9460—2008，規格?1.6×1 000 mm，熔點為750～800 ℃。真空釬焊焊料為硬質合金焊膏，牌號CuMnNi，為CuMnNi 焊材與助焊劑混合物，熔點為900～950 ℃。

1.2 試驗方案

1.2.1 焊接方法

本文試驗過程主要涉及火焰釬焊、真空釬焊兩種方法，下面依次介紹兩種焊接方案的主要工藝流程。

（1）火焰釬焊

火焰釬焊工藝流程主要包括以下幾個步驟：焊前清潔、預熱、火焰調節、火焰釬焊、保溫、焊后清潔、焊縫外觀檢測、焊縫無損檢測。其中預熱工序需要將兩種基體材料試樣放入箱式電阻爐預熱，預熱溫度580 ℃，并在焊接槽內涂上助焊劑?；鹧婧附訒r調節乙炔壓力為0.05～0.06 MPa，氧氣壓力為0.5～0.6 MPa，調節火焰為中性焰，即氧氣與乙炔氣體的體積比為3.5。將焊絲置于試樣焊接位置，用中性焰加熱，焊絲熔融后滲入裝配間隙，每個試樣焊接時點焊3 下，直至滲滿，確保助焊劑全部排出。溫度控制在850～950 ℃。焊接完成后，于工裝上自然冷卻到50～100 ℃。放入箱式電阻爐內保溫，溫度400 ℃，時間1 h。利用10 倍放大鏡觀察焊縫處，局部缺陷使用40 倍顯微鏡，要求焊縫接頭表面光亮，填角均勻，光滑圓弧過度；接頭無過燒、表面嚴重氧化、焊縫粗糙、焊蝕等缺陷；焊縫無氣孔、夾渣、裂紋、焊瘤等現象。CT 掃描鉆頭放于設備中心進行360°CT 掃描，每1°采集1 張圖像，分析缺陷情況，并結合剖切金相分析判斷，內部焊縫缺陷應不大于焊接面積的15%。

（2）真空釬焊

真空釬焊工藝流程主要包括以下幾個步驟：焊前清潔、點焊膏、入爐釬焊、冷卻、焊后清潔、焊縫外觀檢測、焊縫無損檢測。其中點焊膏工序是將焊膏裝入點膏機，均勻地加到兩種基體材料試樣之間的空隙內，并確保兩側試樣壓緊焊縫位置。采用氣動的方式，將試樣與工裝一起慢慢推入真空釬焊爐。真空釬焊爐升溫到650 ℃，保溫30 min；繼續升溫到850 ℃，保溫30 min；再升溫到1 040 ℃，保溫30 min，釬焊完成。水循環隨爐冷卻到50 ℃左右，時間8 h。利用10 倍放大鏡觀察焊縫處，局部缺陷使用40 倍顯微鏡，要求焊縫接頭表面光亮，填角均勻，光滑圓弧過度；接頭無過燒、表面嚴重氧化、焊縫粗糙、焊蝕等缺陷；焊縫無氣孔、夾渣、裂紋、焊瘤等現象。CT 掃描鉆頭放于設備中心進行360° CT掃描，每1°采集1 張圖像，分析缺陷情況，并結合剖切金相分析判斷，內部焊縫缺陷應不大于焊接面積的15%。

1.2.2 試樣設計

本試驗涉及深低溫環境下的拉伸，故無法使用常規的液壓式夾具，需設計力學性能滿足要求的機械式接口進行裝夾。由于硬質合金材料在拉伸過程中易在基材處斷裂，故試樣焊縫區域在焊接工藝可行的范圍內依據盡量小的方針進行設計。試驗中使用的試樣結構分別如圖1、2 所示。

圖1 拉伸試樣實例示意圖Fig.1 Schematic diagram of tensile specimen

圖2 剪切試樣實例示意圖Fig.2 Schematic diagram of shear specimen

基材硬度試塊為邊長10 mm 的立方體，基材性能試棒規格同拉伸試樣，但兩側均為基體材料，無焊縫。

1.3 實驗設備

試驗中低溫力學性能測試使用的設備為深低溫力學測試系統，組成示意圖如圖3 所示。測試系統參數見表3。

低溫試驗過程中，-150 ℃與-233 ℃拉伸試驗依次進行以下步驟：

對試驗機測力系統進行校準，安裝試樣并確保試樣中心線與設備拉伸中心線重合，試樣安裝完成后進行預加載，加載載荷為預計破壞載荷的5%。隨后充入液氮冷卻至-150 ℃（-233 ℃試驗在達到-150 ℃后排空液氮，沖入液氦繼續冷卻至-233 ℃），保溫15 min。隨后以1 mm/min 的加載速度連續加載直至試樣破壞并記錄試樣的破壞載荷。

圖3 深低溫力學測試系統組成示意圖Fig.3 Schematic diagram of composition of cryogenic mechanical testing system

表3 深低溫力學性能測試系統參數Table 3 Cryogenic mechanical properties testing system parameters

試驗中高溫力學性能測試使用的設備為高溫力學測試系統。

試驗系統為MTS 電子萬能試驗機，型號：E405-105，最高荷載100 kN。 環境箱型號MTS-GDX300，環境箱型號：MTSGDX300，溫度范圍-70～350 ℃。

2 試驗結果分析

2.1 火焰釬焊與真空釬焊力學性能對比試驗

首先針對常溫-低溫-深低溫的儲存及工作環境溫度進行火焰釬焊與真空釬焊焊縫力學性能的對比試驗。

常溫下，火焰釬焊剪切試樣破斷力17.112 kN，焊縫剪切強度為190 MPa；真空釬焊剪切試樣，破斷力19.099 kN，焊縫剪切強度為212 MPa；破斷形式皆為焊縫剝離，破斷后的剪切試樣如圖4 所示。

-150 ℃條件下，火焰釬焊剪切試樣破斷力16 kN，焊縫剪切強度為177 MPa；真空釬焊剪切試樣破斷力27 kN，焊縫剪切強度為300 MPa。

-233 ℃條件下，火焰釬焊與真空釬焊剪切試樣破斷力與焊縫剪切強度見表4，火焰釬焊與真空釬焊拉伸試樣破斷力與焊縫剪切強度見表5。

圖4 火焰釬焊和真空釬焊剪切試樣破斷狀態Fig.4 Fracture state of flame brazing and vacuum brazing shear specimens

表4 深低溫剪切試樣力學性能測試結果Table 4 Test results of mechanical properties of deep and low temperature shear specimens

表5 深低溫拉伸試樣力學性能測試結果Table 5 Test results of mechanical properties of deep and low temperature tensile specimens

破斷形式皆為焊縫剝離，破斷后的拉伸試樣如圖5 所示。試樣力學性能隨溫度變化趨勢如圖6所示。

圖5 火焰釬焊和真空釬焊試樣破斷狀態Fig.5 Fracture state of flame brazing and vacuum brazing specimens

圖6 火焰釬焊與真空釬焊試樣破斷狀態Fig.6 Fracture state of flame brazing and vacuum brazing specimens

通過本節試驗結果可以看出，本次試驗過程中的火焰釬焊與真空釬焊工藝都可以較好地完成硬質合金YG6X 材料與合金鋼40CrNiMoA 材料間的焊接，但在常溫與-150 ℃條件下的剪切性能、-233 ℃條件下的拉伸與剪切性能，真空釬焊的效果都明顯優于火焰釬焊。對比不同溫度下，同種焊接工藝剪切性能可以看出：火焰釬焊試樣剪切強度隨溫度降低而變差，但真空釬焊低溫工況下剪切強度明顯優于常溫剪切強度。

2.2 真空釬焊力學性能補充試驗

依據2.1 節試驗的結果，選取焊接力學性能更優的真空釬焊進行工作工況下（200 ℃）的焊接力學性能測試。

本試驗真空釬焊實施過程控制的溫度范圍相當于對合金鋼進行了一次退火［9］，故將本次試驗試樣拉伸前測試硬度值與焊接前的值進行對比，檢驗材料本身力學性能的變化。試驗結果如表6、圖7所示。

表6 真空釬焊硬度測試結果Table 6 Test results of vacuum brazing hardness

圖7 火焰釬焊和真空釬焊試樣焊后硬度變化Fig.7 Hardness change of flame brazing and vacuum brazing specimens after welding

根據硬度檢測結果可以看出，40CrNiMoA 鋼材真空釬焊前后基體表面硬度降低25%，約10 HRC，YG6X 硬質合金真空釬焊前后表面基體硬度基本無變化。

同時筆者還檢測了常溫條件下40CrNiMoA 鋼材基體拉伸試棒經歷焊接同爐環境與未經焊接同爐環境拉伸力學性能，試驗結果如表7 所示。

表7 真空釬焊拉伸試棒測試結果Table 7 Test results of vacuum brazing tensile specimens

根據試棒檢測結果可以看出，常溫40CrNi-MoA 鋼材基材未經焊接同爐環境抗拉強度為1 301.3 MPa，屈服強度1 222.7 MPa，斷后伸長率14.7%，同時斷口形式皆為平行段杯錐狀斷口，3件試樣試驗結果一致性良好。常溫40CrNiMoA 鋼材基材經焊接同爐環境抗拉強度為806 MPa，屈服強度619 MPa，斷后伸長率19.2%，同時斷口形式皆為平行段杯錐狀斷口，3 件試樣試驗結果一致性良好。經焊接同爐環境后基材抗拉強度下降38%，屈服強度下降49%，但斷后伸長率增加30%。

對真空釬焊的拉伸試樣與剪切試樣進行高溫環境下的力學性能測試，得到以下結果：

200 ℃條件下，真空釬焊剪切試樣破斷力與焊縫剪切強度見表8。

表8 高溫剪切試樣力學性能測試結果Table 8 Test results of mechanical properties of high temperature shear specimens

200 ℃條件下，真空釬焊拉伸試樣破斷力與焊縫剪切強度見表9。

表9 高溫拉伸試樣力學性能測試結果Table 9 Test results of mechanical properties of high temperature tensile specimens

破斷形式皆為焊縫剝離，真空釬焊高溫環境下剪切強度為239 MPa，抗拉強度804 MPa。

通過本節試驗結果可以看出，真空釬焊過程會使40CrNiMoA 鋼材表面硬度及抗拉強度降低，但對YG6X 硬質合金幾乎無影響，并測得了真空釬焊試樣200 ℃高溫環境下的剪切、抗拉強度值，抗拉強度值優于-233 ℃低溫環境，但剪切強度值弱于-150 ℃與-233 ℃的低溫環境但優于常溫環境。

3 結論

本文針對硬質合金YG6X 材料與合金鋼40CrNiMoA 材料的焊接后力學性能，研究了真空釬焊與火焰釬焊焊接的可行性并對比常溫至深低溫等工況下焊縫力學性能，依據試驗結果及分析可得到以下結論：

（1）真空釬焊與火焰釬焊都可較好地實現硬質合金YG6X 材料與合金鋼40CrNiMoA 材料的焊接且焊縫質量與力學性能較好。

（2）在常溫-低溫（-150 ℃）-深低溫（-233 ℃）環境溫度下，真空釬焊的剪切性能皆優于火焰釬焊的值，在-233 ℃環境溫度下，真空釬焊的抗拉性能也優于火焰釬焊的值。為了在工作溫度范圍內得到更好的焊縫力學性能，應選擇真空釬焊工藝。

（3）真空釬焊工藝流程中真空爐保溫過程相當于對基材進行一次退火處理，使合金鋼40CrNi-MoA 材料力學性能下降約38%，表面硬度值下降約25%，但對硬質合金YG6X 材料幾乎不產生影響。

（4）真空釬焊試樣高溫環境下（200 ℃）抗拉強度為804 MPa，剪切強度239 MPa，也優于常溫的值，故考慮真空釬焊結構力學性能時以常溫焊縫力學性能為最惡劣情況進行計算即可。