馬氏體不銹鋼與鋁青銅封嚴環真空釬焊工藝

石素霞，左 謀，劉雪麗，楊春蓉

中國航發航空科技股份有限公司，四川 成都 610503

0 前言

釬焊技術廣泛應用于航空發動機結構、航空儀表及第二動力組合件的連接，已成為發動機構件制造的關鍵技術。采用真空釬焊對零件進行整體加熱，其熱應力小、工件變形小且工藝參數控制準確、產品質量穩定，特別適合焊接復雜、多零件組合實現大面積區域的連接［1］。與其他焊接方法相比，真空釬焊焊接接頭性能良好，焊縫質量穩定，利于異種材料的焊接，常用于航空發動機靜子組件、燃油總管和封嚴結構等零部件的焊接。

目前，銅與不銹鋼、高溫合金的焊接方式主要是釬焊，釬料多采用鎳基釬料、銀基釬料、銅基釬料等。敖斌等人［2］對某型低壓渦輪外環的釬焊工藝進行了研究，結果表明釬焊溫度在1 170～1 180℃時，Ni-Co基釬料對GH4648和GH3030有良好的潤濕和鋪展性能，可獲得良好的焊接接頭。林茂廣等人［3］采用BAg72Cu釬料真空釬焊奧氏體不銹鋼與純銅，在865℃保溫10 min時可以獲得優良的釬焊接頭，剪切強度可達160 MPa。林發仙等人［4］研究了B19白銅和GH4169組成的封嚴篦齒環真空釬焊工藝，采用金屬箔帶狀釬料B-Cu35NiMnCoFe（B，P）-S釬焊線膨脹系數差異較大的材料構成的零件，釬著率可達80%。

某航空發動機的封嚴環是由鋁青銅（QAl7）和馬氏體不銹鋼（1Cr17Ni2）采用HBAg72CuNiLi釬料通過真空釬焊連接而成。該封嚴環為異種材料組成的環形結構件，屬于可磨耗封嚴環類零件，用于發動機高壓渦輪軸承的封嚴，要求具備良好的耐磨性和封嚴性，銅環內側加工有齒槽。前期科研試制釬焊時銅環和不銹鋼安裝邊為過盈配合，釬焊后采用X射線檢查釬焊內部質量，大部分零件在試車過程中存在銅環脫焊現象，嚴重制約了研制進度。為提高釬焊質量，獲得合格零件，文中針對該封嚴環技術難點進行工藝分析，確定了釬焊參數、釬焊工裝、釬焊工藝路線和檢測方法，保證零件釬著率達到80%。該研究可為類似零件的真空釬焊工藝設計提供參考和借鑒。

1 工藝技術難點

封嚴環零件結構如圖1所示，中間凹槽部分寬度為7 mm，釬焊后凹槽部分被加工成孔。不銹鋼焊接處厚度7 mm。

圖1 零件結構示意Fig.1 Sketch of the seal ring

1.1 材料焊接性

QAl7和1Cr17Ni2是兩種完全不同的合金，化學成分和性能差異較大加大了其真空釬焊的難度。QAl7的化學成分和物理性能如表1所示，銅環是由QAl7帶材通過彎曲、氬弧焊和成型加工而成的環狀零件，釬焊時銅環厚度3 mm，剛性較差。1Cr17Ni2化學成分如表2所示。安裝邊由淬回火態的1Cr17Ni2鍛件加工而成。QAl7的鋁含量高達6%～8%，在高溫釬焊過程中表面容易形成氧化鋁，導致釬料潤濕性差，從而增加了釬焊難度。

表1 QAl7化學成分（質量分數，%）及機械性能Table 1 Chemical composition(wt.%)and mechanical properties of QAl7

表2 1Cr17Ni2化學成分（質量分數，%）Table 2 Chemical composition of 1Cr17Ni2(wt.%)

1.2 釬焊間隙

通常同種金屬材料或者線膨脹系數相近的異種材料釬焊時，釬焊間隙可以根據釬料種類和母材確定，因此室溫下確定的間隙即為釬焊間隙。封嚴環零件由1Cr17Ni2及QAl7兩種異種材料組成，兩種金屬在釬焊溫度下的熱膨脹量存在差異，在25～300℃時，QAl7的線膨脹系數是19.4×10-6/℃，1Cr17Ni2在不同溫度下的線膨脹系數如表3所示［5］。因此釬焊時會導致間隙發生變化［6］，在室溫下難以確定合適的釬焊間隙。

表3 不同溫度下1Cr17Ni2的線膨脹系數Table 3 Linear expansion coefficient of 1Cr17Ni2 at different tem‐peratures

此外，QAl7為板材加工成環形件，其剛度差、橢圓度大，這也是焊接間隙難以保證的原因之一。

1.3 冷卻過程

釬焊完成后，在冷卻階段，由于兩種材料的收縮速度不一致，鋁青銅QAl7收縮快，不銹鋼1Cr17Ni2收縮較慢，在內應力的作用下易導致釬焊縫開裂。同時，由于釬焊面積較大（S≈164×3.14×38=19 568 mm2），易出現空穴、未焊合等缺陷。

2 工藝分析

2.1 釬料的選用及其預置

選用HBAg72CuNiLi作為釬料。銀銅釬料釬焊不銹鋼時，母材表面鍍鎳可提高銀銅釬料的潤濕性和鋪展能力［5］；銀銅釬料釬焊鋁青銅時，在鋁青銅上鍍銀既可防止母材中的Al向釬料擴散，也可防止釬焊時發生氧化，減少表面氧化物的產生。HBAg72 CuNiLi的化學成分和基本性能如表4所示。

表4HBAg72CuNiLi釬料化學成分（質量分數，%）和基本性能Table 2 Composition（wt.%）and basic properties of solder metal

HBAg72CuNiLi釬料熔化溫度為766℃，Li元素具有自釬作用，可用于釬焊銅合金和不銹鋼。零件結構為環形體，釬焊時采用厚度0.06 mm的箔帶狀釬料和直徑1 mm的絲狀釬料。由于銅環導電性良好，且待焊面進行了鍍銀處理，儲能點焊時無法定位釬料，在裝配過程中容易出現釬料脫落，因而預置釬料時，選擇在不銹鋼安裝邊內圓一側儲能點焊兩層釬料，并且在安裝邊的凹槽里放置兩圈絲狀釬料作為補充。整個搭接面上均勻覆蓋釬料，以減少未焊合、空穴等缺陷，提高釬焊質量。

2.2 釬焊間隙的確定

釬焊間隙是影響釬焊質量和接頭性能的關鍵因素，在合適的釬焊間隙下，熔化的釬料通過毛細作用填充焊縫，間隙過大或過小都會影響毛細作用進而影響釬焊質量［8］。零件由鋁青銅和不銹鋼組成，兩種材料線膨脹系數差異較大，因此需考慮釬焊溫度下熱膨脹系數差異造成的間隙變化，同時考慮零件尺寸、釬料流動性、釬料與母材反應強烈程度、零件裝爐擺放位置等因素來確定室溫時的釬焊間隙。

釬焊溫度下，鋁青銅比不銹鋼膨脹更快，如果室溫下預留的釬焊間隙為0.05～0.1 mm時，釬焊時間隙可能會變為0，導致沒有熔融金屬無法填充間隙，無法形成有效釬縫，因此需要增加室溫下的釬焊間隙；但是間隙增加過大又會造成釬縫內形成較多的空穴，降低零件質量。選用的HBAg72CuNiLi釬料流動性良好［7］，為共晶釬料，結晶溫度間隔小，間隙較小有利于獲得質量良好的釬焊接頭，考慮到零件入爐時垂直擺放的特點，初步確定釬焊間隙為0.18～0.20 mm。

2.3 釬焊工裝

為了防止釬焊收縮過程中焊縫開裂，釬焊時增加釬焊工裝，工裝示意如圖2所示。工裝材料為1Cr17Ni2，單邊厚度約為25 mm。釬焊時，零件套在工裝上，在收縮過程中工裝的熱量減緩了銅環的收縮速度，從而降低焊縫開裂的可能性，同時工裝也可以撐圓銅環，減少焊后銅環的變形。為避免工裝與零件連接，在工裝表面噴涂氧化鋁涂層。

圖2 封嚴環釬焊工裝Fig.2 Seal ring Vacuum brazing equipment

3 釬焊工藝試驗

3.1 模擬件制備

將零件結構進行簡化，模擬成環狀結構，高度與零件保持一致。加工1件1Cr17Ni2鋼環和1件QAl7銅環，模擬件的厚度、直徑和材料狀態與零件保持一致。銅環外圓進行車加工時，與鋼環內徑實測尺寸配車保證釬焊間隙為0.18～0.20 mm。車削加工銅環內外圓時，采用一次裝夾方式和小進給量，從而減小銅環的變形，保證零件圓度。

對模擬件釬焊面進行清洗，用蘸有酒精的脫脂棉擦拭干凈后再進行預處理，在鋼環內圓表面進行鍍鎳，銅環外圓表面進行鍍銀，鍍層厚度控制在0.03～0.05 mm，完成后將零件用牛皮紙包起來，防止油污、雜質污染零件。

預置釬料前，用酒精清洗箔帶狀釬料的正反兩面，去除釬料表面的粉塵、油污等雜物。在鋼環內圓面通過儲能點焊預置2層非晶體箔帶狀HBAg72 CuNiLi釬料，預置釬料的過程中應戴上干凈的棉紗手套，防止對釬料和零件造成二次污染。裝配完成后，用三坐標檢測銅環和鋼環的同心度，檢測結果為0.02 mm，表明同心度良好，未出現因裝配偏差造成的釬焊間隙不均勻。

3.2 模擬件釬焊

模擬件與工裝一起入爐釬焊，釬焊前用塞尺檢測釬焊間隙，確保符合工藝要求。采用意大利進口TPVH 100/100真空爐進行釬焊，有效區域爐溫均勻性不大于±10℃，真空釬焊爐如圖3所示，符合GJB509Ⅲ類爐子的要求。

圖3 真空釬焊爐Fig.3 Vacuum brazing furnace

釬焊參數如下：先預抽真空至爐內壓強低于2×10-2Pa，真空度達到后開始升溫，升溫至700℃后，充氬氣分壓3～20 Pa，保溫3～7 min，升溫至870℃，保溫8～12 min，隨爐降溫至700℃以下后，向爐內回充氬氣至0.08～0.1 MPa，待爐溫降至100℃以下后出爐。

3.3 焊后檢驗

3.3.1 外觀檢查

出爐后的零件如圖4所示，按Ⅱ級焊縫要求對模擬件進行外觀質量檢查，釬料熔化充分、圓根飽滿，焊縫和母材均未發現裂紋、空穴、未焊合等缺陷，零件外觀呈現光亮的金屬色，無氧化，填充效果良好。符合HB7575-97中對Ⅱ級焊縫的質量要求。

圖4 零件外觀Fig.4 Product appearance

3.3.2 水浸超聲波探傷

受零件結構限制和靈敏度等原因，X光射線檢測無法準確發現釬焊縫內部未焊合、夾渣等缺陷，故采用靈敏度較高的水浸超聲波探傷檢測。

超聲波設備型號為LS-200，探頭頻率10 MHz，采用縱波水浸法垂直入射C掃描檢測技術進行檢測。先對校驗標準件進行檢驗，在校驗標準件上鉆孔，人為制造缺陷模擬焊接缺陷，校驗標準件的成分、組織狀態、結構、焊接材料和焊接工藝與受檢件相同。校驗標準件的檢測結果如圖5所示，模擬件檢測結果如圖6所示。由圖6可知，釬焊面積大于90%，遠高于技術文件規定的80%。

圖5 標準件檢測結果Fig.5 Standard test result

圖6 模擬件檢測結果Fig.6 Simulated part test result

3.3.3 金相檢測

為進一步檢測釬焊縫內部質量，同時也為驗證水浸超聲波探傷的可靠性，對模擬件進行金相檢查。采用“米”字型破壞，對稱切取零件，該方法可以全面觀測零件釬焊縫的內部質量。此次金相取樣18件，上下對稱，取樣較多，能全面地反映焊縫內部質量。金相檢測結果如圖7、圖8所示。

圖7 上端焊縫金相組織Fig.7 Metallographic figure of upper edge brazing joint

由圖7、圖8可知，接頭組織由釬縫區和兩側界面反應區組成，釬料與母材冶金作用充分，釬料完全填充焊縫，未發現空穴、縮孔、裂紋、夾渣等內部缺陷，釬焊質量符合HB7575中Ⅱ級焊縫的要求，表明Ag-Cu釬料在釬焊過程中表現出了良好的潤濕性和鋪展性。銅側銀層已消失，銀元素沿晶界滲入銅組織，不銹鋼側焊縫鎳層和焊縫中的鎳元素擴散入不銹鋼的組織內，擴散厚度約為0.015～0.020 mm，釬焊縫組織接近共晶組織。金相圖顯示釬縫寬度為0.03～0.1 mm，表明設置的釬焊間隙比較合理，能獲得良好的焊縫。釬焊溫度下，二者由于線膨脹系數差異造成釬焊間隙減小，最終形成滿意的釬焊接頭。

圖8 下端焊縫金相組織Fig.8 Metallographic figure of bottom edge brazing joint

4 工藝生產及應用

由模擬件可知，采用改進后的釬焊工藝能夠獲得良好的釬焊接頭。室溫下，需要增加釬焊間隙來彌補釬焊溫度下膨脹量造成的間隙縮小，才能獲得滿意的釬焊質量，而且金相檢測結果從另一方面驗證了水浸超聲波探傷的正確性，可以用來檢測釬焊內部缺陷。通過上述工藝試驗確定了封嚴環釬焊工藝路線為：車加工—清洗—預處理（鍍銀、鍍鎳）—預置釬料—裝配—真空釬焊—車端面—外觀檢驗—水浸超聲波檢查。

按照此工藝釬焊的零件通過發動機試車考核，后續零件再未發生釬焊縫開裂或銅環脫焊的問題，表明優化釬焊工藝后的零件質量良好，滿足試車和后續使用要求，推進了型號研制進程。

5 結論

（1）采用釬料HBAg72CuNiLi釬焊由鋁青銅QAl7和不銹鋼1Cr17Ni2異種材料組成的封嚴環時，室溫下預留釬焊間隙為0.18～0.20 mm，可以獲得良好的釬焊質量。

（2）研究確定的釬焊溫度870℃，保溫8～12 min等釬焊參數、環形釬焊工裝和車加工—清洗—預處理（鍍銀、鍍鎳）—預置釬料—裝配—真空釬焊—車端面—外觀檢驗—水浸超聲波檢查的釬焊工藝路線可以明顯提高封嚴環的釬焊質量，滿足某航空發動機封嚴環真空釬焊的要求。

（3）水浸超聲波探傷可以檢測釬縫內部的缺陷，檢測結果與金相檢測結果一致，釬焊鋁青銅和不銹鋼組成的封嚴環類零件時，可采用此方法檢測釬焊質量。