304不銹鋼膜盒的擴散連接工藝研究*

羅志強，徐芳菲，陳 旭，彭赫力，馬平義，李細鋒*

(1. 上海航天精密機械研究所，上海 210600；2. 上海交通大學材料學院塑性成形技術與裝備研究院，上海 200030)

0 引言

金屬膜盒作為多層結構的代表件，可以作為彈性敏感元件、熱膨脹器、介質隔離器、密封元件等[1-3]。在制作高速旋轉的密封元件時，由于轉速、壓力和工作溫度的提高，普通非金屬密封元件已不能滿足設計要求。金屬膜盒在這方面卻顯示了其優越性，已用于宇航工業的旋轉軸端面密封和伺服裝置的補償等場合[4-6]。

對于層數大于或等于20層的超多層結構件，已有研究成果中大多采用釬焊或電子束焊接等方式制造[6]。隨著結構件層數的增加，制造時會面臨環焊縫數量急劇增多，生產周期過長等問題。例如用于真空管路補償的膜盒高達165層，這將使得生產周期顯著增加。相比之下，能夠使各層焊縫同時焊合的擴散連接工藝被認為是更加可行的方法，通過多層結構件層間局部高效擴散連接，能夠使得加工道次顯著減少，從而大幅提高制造效率。

楊建國等[7]在專利中報道了擴散連接制作正方形膜盒的過程，將100層0.1 mm厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼膜片和20 mm厚的30Cr3MoA結構鋼上下法蘭組裝后，整體進行擴散連接，一次性完成所有焊縫的連接，再把半成品膜盒通過較厚的上下法蘭裝夾到拉伸機上，將膜片組拉伸成膜盒的形狀。但拉伸機夾頭對法蘭最小厚度有一定的要求，因此該方法只適用于厚法蘭膜盒的制作。劉兵[8]先將膜片旋壓成型，再進行擴散連接，經過兩道次焊接，將16層0.2 mm厚的GH4169膜片焊成一體后再與上下法蘭連接。在焊接時把涂有阻焊劑的石墨墊塊墊在膜片之間，以保護旋壓成型的部分不變形。該方法能夠嚴格控制膜盒高度方向的尺寸，所制結構件具有較高的形狀精度，但需要配置專門的旋壓成型裝備。

另外，制作膜盒等局部擴散連接工件時常常面臨待焊區無法有效接觸的難題。造成這種困難的原因在于，當非焊接區域噴涂阻焊劑后，由于阻焊劑層本身具有一定厚度，將使需要被焊合的區域懸空，擴散連接壓力僅作用于非焊接區域，失去了壓力參數設置的意義。通常情況下，當升溫引起材料軟化之后，金屬在自身重力作用下發生軟化變形，能夠使待焊區逐步焊合。然而，部分多層結構件具有焊縫窄，待焊區面積小的特點，包括不銹鋼在內的諸多材料在擴散連接溫度下都無法依靠自身重力發生足以實現良好焊合的變形[9]。因此，已有的研究中通常采用增大焊接面積或升高擴散連接溫度的方法[10-11]，即通過增加待焊區自重或降低待焊材料屈服強度，實現待焊區材料的軟化變形。然而，采用以上方法時，擴散焊壓力仍然無法傳遞至待焊區，因此界面得不到可靠連接。同時，高溫引起擴散連接界面內晶粒顯著長大，降低了焊縫的強度。

針對超多層膜盒結構件焊接步驟多、操作時間長，且焊縫太窄難以實現有效連接的問題，本文提出了一種多層結構高效層間局部擴散連接方法，建立了多層結構定向擴散焊裝配模型，并詳細闡述了膜盒件焊后定型的工藝流程，為以金屬膜盒為代表的多層結構件提供了一種高效、高精度、低成本的制作方法。

1 膜盒結構設計

膜盒零件形狀結構示意圖如圖1所示，主要由上、下法蘭以及夾在中間的環形片組成，其中膜盒外徑D為85 mm，法蘭厚度15 mm，焊縫寬度H為3 mm，環形片內徑d為50 mm，上法蘭中心孔徑L為10 mm，環形片厚度為0.2 mm，墊片厚度為0.1 mm。為解決窄焊縫多層結構件擴散連接初期待焊區無法有效接觸的問題，在環焊縫區域添加同種材料(即304不銹鋼)墊片，墊片的上下表面分別與相鄰的兩個環形片焊接區接觸，解決了焊接時待焊區懸空的情況。因此，擴散連接壓力可直接傳遞至待焊表面，使位于焊縫的材料在擴散連接溫度下通過塑性變形而緊密接觸，提供元素擴散遷移的通道，并依靠降低擴散連接溫度抑制晶粒長大，得到組織均勻、力學性能優異的擴散連接界面。

(a) 三維軸測圖

2 擴散連接工藝的制定

開展兩層平板擴散連接工藝實驗，以選取適合于304不銹鋼的焊接工藝參數。在擴散連接前對每層不銹鋼薄板進行打磨和拋光，每道次砂紙粒度依次為1 000號，1 200號和1 500號，磨拋后的不銹鋼板呈清晰的鏡面，然后用無水乙醇清洗。擴散連接實驗在真空熱壓爐中完成，真空爐升溫速度為10℃·min-1，實驗過程中真空度維持在5×10-3Pa左右。擴散連接溫度變化范圍為925～1 000 ℃，壓力變化范圍為15～30 MPa，保溫時間變化范圍為30～90 min。焊后測量擴散連接界面的抗剪切強度與試樣厚度變形率

(1)

式中，T為連接前試樣的總厚度，TDB為焊后厚度。對接頭進行金相觀察，以分析其微觀組織結構。觀察前使用VHF∶VHNO3∶VH2O=2∶1∶7的金相腐蝕液，腐蝕打磨光滑的試樣表面。

不同擴散連接工藝下的實驗結果如圖2和圖3所示，兩層304不銹鋼在950℃，30 MPa， 60 min條件下獲得的擴散連接接頭強度最高，界面抗剪切強度為580 MPa，未經焊接的母材剪切強度為585 MPa，該接頭強度達到母材的98.47%，力學性能優異。接頭內晶粒直徑約為18.49 μm，小于原始組織中24.04 μm的晶粒直徑，如圖4所示，這種等軸細晶組織保證了接頭的高抗剪切強度。該工藝下試件厚度變形率為1.287%，能滿足膜盒的尺寸精度要求。

圖2 溫度對接頭抗剪切強度的影響

圖3 溫度對試件厚度變形率的影響

圖4 304不銹鋼擴散連接后的金相組織(950℃， 30 MPa，60 min)

3 膜盒結構擴散連接裝配模型

膜盒的擴散連接過程包括以下步驟： (1)加工法蘭；(2)加工環形片；(3)加工墊片和遮擋板；(4)打磨及清洗；(5)噴涂阻焊劑；(6)在真空熱壓爐內進行裝配；(7)采用真空熱壓爐進行擴散焊。其中，步驟(1)(2)(3)采用的加工方式為線切割，切割完成并經過步驟(4)打磨清洗的部分板料如圖5所示。需要注意的是，在噴涂阻焊劑時需要使用遮擋板蓋住待焊區，因此遮擋板和圖5(b)， 圖5(c)所示焊接墊片的形狀相同。在步驟(3)中加工得到兩倍數量的焊接墊片，其中一半焊接墊片用作遮擋板，遮擋板可以使用任意厚度的材料進行加工。

(a) 環形片

步驟(5)的具體操作方式為將打磨光滑、清洗干凈的法蘭和薄壁金屬片置于水平臺上，用遮擋板對需要擴散焊的區域進行封閉，向法蘭和薄壁金屬片的焊接面均勻噴涂阻焊劑，自然風干，如圖6所示。

(a) 正面

步驟(6)所對應的擴散連接裝配模型如圖7(a)所示，首先將拼合的分瓣套筒6放入真空爐內的工作區，并在分瓣套筒6內依次放入下法蘭1、第一層的外圈墊片3和第一層環形片2。然后將棒芯7插入環形片2的中心孔中，將第一層內圈墊片4穿過棒芯7放在環形片2上。在此基礎上依次疊放上第二層環形片2—第二層外圈墊片3—第三層環形片2，如此循環。擺放上最后一層環形片2后，抽出棒芯，放上最后一層外圈墊片3，并將上法蘭8置于其上。所有片層組裝完成后，放上壓塊9，拆除分瓣套筒6。在后續擴散焊過程中，連接壓力通過壓塊9沿軸向方向均勻地向多層結構件傳遞，如圖7(b)所示。

本文改進了已有研究中所設計的擴散連接裝配卡具[8]，將定位法蘭與環形片外徑的套筒設計為分瓣模的形式，在裝配完成后、擴散連接前即可拆除。由于擴散連接時環形片與法蘭在高溫下受熱膨脹，如果外徑方向受到模具拘束，易使環形片起皺，因此在擴散連接前拆除套筒有利于獲得高形狀精度的連接件。與此同時，因為套筒不需要受熱受壓，對套筒材料的要求也大幅降低，不再需要尋求高溫下耐變形的高強度合金，可選擇價格低廉、容易獲得的材料，也可以利用容易加工的廢料制作套筒模具，節省了膜盒件的制作成本，符合節能環保與可持續發展的要求。

4 膜盒結構焊后定型工藝

對膜片組和法蘭擴散連接，得到如圖8所示的半成品膜盒后，各層膜片在擴散焊壓力的作用下緊貼在一起，需采用一定手段使膜盒的各“波紋”均勻分散開，成為圖1所示的膜盒形狀。具體的工藝流程為：

圖8 擴散連接膜盒半成品件結構示意圖

1) 采用線切割將半成品焊件邊緣均勻切掉一定寬度，線切割引起的應力使焊件邊緣松動，此方法進一步保證了膜盒軸向的尺寸精度。注意在加工法蘭、環形片與焊接墊片時留出焊后線切割余量;

2) 向外圈的非焊接區塞入耐高溫墊片，本文采用鎳基合金作為墊片，將膜盒的各個“波”分開，如圖9所示;

圖9 多層結構件的定型方法

3) 將放置了墊片的半成品膜盒放入真空爐中進行熱處理，熱處理工藝為800 ℃保溫90 min，冷卻方式為在真空環境中隨爐冷卻。該熱處理溫度在304不銹鋼再結晶溫度之上，可以起到使膜盒定型的作用，且鎳基合金作為一種高溫合金，在800 ℃時不會發生熔化，不與膜盒黏連，熱處理后可完整取下。

5 膜盒的形狀與尺寸特性測量

熱處理后的多層結構件可以在沒有鎳基合金墊片支撐的情況下保持自身的形狀，并具有一定的彈性，能夠在軸向方向上被拉伸或壓縮。膜盒成品件包含42層膜片，如圖10所示。多次測量膜盒中心孔徑，可得直徑最大處為10.02 mm，最小處為10.00 mm，兩者僅相差0.2%。膜盒軸向方向額定尺寸為85.00 mm，實際尺寸為84.98 mm，尺寸精度誤差為-0.02 mm，誤差率為0.02%。在自然狀態下高度為53.12 mm，被壓縮至46.38 mm后仍不發生破裂，壓縮比為12.69%。膜盒壓縮比受法蘭厚度的影響，法蘭越厚壓縮比越低，可通過改變法蘭厚度制造不同壓縮比的膜盒類結構件。

(a) 軸測視圖 (b) 主視圖

6 結論

1) 304不銹鋼在950 ℃，30 MPa， 60 min擴散連接工藝下接頭抗剪切強度為580 MPa，達到母材剪切強度的98.47%，接頭內平均直徑18.49 μm的等軸細晶組織保證了接頭優良的力學性能;

2) 為解決膜盒類零件因焊縫寬度窄、焊接面積小而難以實現有效連接的問題，通過在擴散連接面添加同種材料墊片，實現了膜盒類零件的可靠擴散連接。外圈定位模具設計為分瓣模形式，在膜盒各片層材料組裝完成后即可拆卸，有效避免了環形片高溫擴散連接時起皺等問題，相比于整體式套筒模具成本更低;

3) 焊后在膜盒非焊接區放置高溫合金墊片，800 ℃保溫90 min實現膜盒定形。膜盒由42層環形片組成，壓縮比為12.69%，膜盒外徑和中心孔徑誤差分別為0.02%和0.2%，具有很高的尺寸精度。