紫銅與不銹鋼真空釬焊組織與力學性能

魏松， 張亞霄， 周曉蕾， 曾如川， 宋煒

(1. 北京衛星制造廠有限公司，北京100094；2. 北京市航天器焊接技術與裝備工程技術研究中心，北京100094；3. 北京市智能機械創新設計服務工程技術研究中心，北京 100101；4. 北京聯合大學，北京100101；5. 內蒙古平莊煤業(集團)有限責任公司，內蒙古 赤峰 024076)

0 前言

銅具有很好的導電性、導熱性和耐蝕性，也有良好的塑性變形，易于熱壓或冷壓成各種板材和型材，廣泛用于導電器材、電纜、電器開關等電器器材和冷凝器、散熱器、熱交換器等熱控產品中[1]。而奧氏體不銹鋼具有優良的耐高溫、抗氧化和抗腐蝕能力，是制造在高真空、超低溫、強輻照環境下使用的常用材料[2]。所研產品為一種空間用制冷壓縮機，由于不同部分在導熱和強度的功能需求不同，于是選用了T2銅與316L不銹鋼兩種材料。

T2銅，熔點為1 083 ℃，表面可能形成Cu2O和CuO兩種氧化物，室溫下表面為Cu2O所覆蓋，高溫下的氧化皮分為兩層，外層為CuO，內層為Cu2O。銅的氧化物容易去除，所以純銅的釬焊性很好，但銅不能熱處理強化，冷作硬化的銅材在230～815 ℃就會發生軟化;溫度越高，材料越軟;低溫下焊接易保證銅的強度。

316L不銹鋼，主要含有鎳、鉻、鉬等元素，熔點為1 375～1 450 ℃，氧化物中Cr2O3，比較難去除。在空氣中釬焊時必須采用活性強的釬劑以清除這些氧化物。在真空環境釬焊時，要求有良好的真空度(1×10-2Pa以上)和足夠高的溫度，才能取得良好的效果。

目前，銅與不銹鋼的焊接方式主要是釬焊，涉及的釬料主要有鎳基釬料、銀基釬料、銅基釬料。薛敬凱等人[3]基于BNi76CrP粉末釬料采用真空釬焊焊接1Cr18Ni9Ti與T2，釬焊溫度為960～980 ℃,保溫時間為5 min，得到良好的釬焊接頭。范宇洪等人[4]采用火焰釬焊焊接T2與1Cr17Ni2的三通管路，釬料選用HLAgCd26-16.7-17等銀基釬料，釬劑選用QJ102，達到了良好的密封性。郭紅也對銅與不銹鋼的真空釬焊工藝進行了研究，采用了BCu54Zn釬料，但抗剪強度不理想。

針對T2與316L不銹鋼焊接，如果采用鎳基釬料，釬焊的溫度偏高，約在1 000 ℃左右，銅的軟化大，結構強度下降多，于是采用溫度偏低的銀基釬料，釬焊溫度800～900 ℃。又因為產品為密封結構，產品內部不能有釬劑等多余物，適合真空釬焊，真空釬焊不使用釬劑，焊件變形小，容易保證焊件的尺寸精度。因此，針對結合所研產品的結構特點和密封要求，進行了釬料選型和釬料狀態的適應性試驗，實現了狹小空間插接結構的高精度釬焊。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

產品上有2種接頭形式如圖1所示，外層圓筒形零件材料為不銹鋼(316L)，中心圓柱形零件的材料為銅(T2)，釬料選用BAg72Cu，釬料的熔化溫度為779 ℃，粉末粒度為75 μm，釬焊溫度為800～900 ℃。成分相同，采用膏狀和絲狀兩種釬料形式。圖1a中銅零件上有1 mm×1 mm的釬料槽，用于放置絲狀釬料，圖1b中在焊腳處放置膏狀釬料。

圖1 產品接頭樣式

為了保證焊接質量，銅與不銹鋼零件間裝配間隙不能過大，模擬件的加工配合間隙控制在0.02～0.06 mm之間。

1.2 試驗方法

試驗用設備為真空釬焊設備，恒溫區尺寸為700 mm×500 mm×500 mm，最高使用溫度為900 ℃，溫度均勻性小于3 ℃，工作真空度小于5×10-3Pa，壓升率小于0.2 Pa/h，可以滿足釬焊的使用需求。試驗時為先進行釬料潤濕試驗，準備銅(Cu)、不銹鋼(316L)、不銹鋼(316L)鍍鎳三種潤濕試件。根據釬焊手冊[5]，通過鍍鎳，可以解決不銹鋼表面潤濕性差的問題。在不銹鋼表面化學鍍鎳，鎳層厚度14～20 μm左右，鍍層與主體金屬結合應細密、均勻、牢固，鍍層能耐800 ℃以上的高溫[6]。對焊后試件進行宏觀金相檢查，觀察內部有無裂紋、氣孔等缺陷。制作尺寸為50 mm×15 mm×2 mm的銅與不銹鋼片，如圖2所示，將釬料放置于焊縫處，焊后檢查試驗件的抗剪強度。對焊后的模擬件進行真空氦質譜檢漏，要求焊接模擬件的漏率優于1×10-9Pa/(m3·s)。

圖2 拉伸試驗件

2 試驗結果與分析

2.1 潤濕試驗

根據BAg72Cu的釬料特性，在高真空環境(5×10-3Pa/(m3·s))、820 ℃條件下進行焊接，高溫保溫時間10 min。如圖3所示，釬料在銅表面鋪展良好，有很好的潤濕性，而在未鍍鎳的不銹鋼表面不鋪展，潤濕性差。從圖中可以看出，膏狀釬料熔化位置有灰色的痕跡，正好與焊前膏狀釬料的放置位置一致，而絲狀釬料沒有類似的痕跡，灰色痕跡是膏狀釬料使用的粘結劑高溫后的殘留物。也經過多家釬料廠的BAg72Cu膏狀釬料的對比試驗，熔化后的痕跡都會有，但殘留量不同，如圖3b和圖3c相對比。在焊接形式允許的情況下最優選用絲狀釬料，焊后的表面無殘留物。

圖3 潤濕試驗件照片

2.2 釬焊試驗

按照潤濕試驗的結果，在316L不銹鋼表面化學鍍鎳。釬料為BAg72Cu，根據結構形式選用絲狀或膏狀釬料，如圖1a中接頭形式選用絲狀釬料，圖1b種接頭形式選用膏狀釬料，要求真空室真空度達到5×10-3Pa/(m3·s)后開始加熱，釬焊升溫曲線如圖4所示。為了保證產品溫度均勻性，分別在300 ℃,750 ℃保溫40 min，820 ℃釬焊溫度保溫時間設定為10 min，之后隨爐降溫。釬焊溫度低時，未達到必需的溫度，釬料流動性、浸潤性均較差，容易產生內部氣孔、釬縫不連續、虛焊等缺陷，也會使釬焊接頭強度降低，承壓能力不達標而產生泄漏，嚴重時甚至會撕裂。溫度高時，釬料完全熔化且流動性過大，易產生釬料氧化，形成氣孔，造成釬料流失、熔蝕、產品彎曲等缺陷。而釬焊接頭形成約需要1～2 s，保溫時間與產品厚度等有關，保溫時間太短，產品芯部溫度未達到熔化溫度，保溫時間過長，液態釬料容易熔蝕被焊金屬。

圖4 釬焊溫度曲線

2.3 金相檢驗

對銅與不銹鋼試驗件進行金相檢查，如圖5所示，釬料與母材潤濕良好，釬料填充飽滿，且未見釬焊裂紋、氣孔、溶蝕等缺陷，形成了均勻的擴散層。

圖5 金相試驗件照片

2.4 剪切試驗

對隨爐釬焊的拉伸試驗件進行了剪切試驗，剪切試驗結果見表1，試驗件的抗剪強度均在70 MPa以上。拉伸試件的斷裂面如圖6所示，試件斷在釬焊面，可以看出釬焊面上釬料釬著率大于90%，滿足產品使用要求。

表1 剪切試驗結果

圖6 拉伸試件斷裂面

2.5 模擬件焊接

模擬件的結構尺寸、材料與實際產品一致。模擬件焊前進行化學清洗，去除零件表面的油污、氧化膜等物質，按照釬焊試驗的結果設置焊接參數，因試件與模擬件厚度不同，適當增加保溫時間。釬焊后的模擬件照片如圖7所示，焊后的模擬件焊縫處形成了良好的連續焊縫，焊腳圓滑過渡。

圖7 釬焊試驗件照片

對T2銅與316L不銹鋼釬焊試驗件進行真空氦質譜檢驗，然后對試驗件組裝后的整體零件進行正壓氦質譜檢驗，漏率均優于1×10-9Pa/(m3·s)，說明以這種方式的釬焊試驗件具有良好的氣密性。

3 結論

(1)BAg72Cu銀基釬料在T2銅表面有良好的潤濕性，但316L不銹鋼表面的潤濕性差，需在不銹鋼表面鍍鎳等措施改善表面潤濕性。

(2)絲狀和膏狀釬料均能得到良好的焊接效果，封閉結構選用絲狀釬料，開敞式結構選用膏狀釬料，膏狀釬料中因有粘結劑，易留下灰跡。

(3)在釬焊溫度820 ℃、保溫時間為10 min的條件下進行真空釬焊，得到良好的T2銅與316L不銹鋼的釬焊接頭，焊縫連續，具有良好的氣密性，未見裂紋、氣孔等缺陷，抗剪強度達到70 MPa以上，滿足使用要求。