圖 1對接和搭接接頭試樣示意
Figure 1.Schematic of butt joint (a) and lap joint (b) samples
0. 引言
液力變矩器是車輛、工程機械、礦山機械等極其重要的液力傳動部件[1],由渦輪、泵輪和導輪等葉輪總成組合而成,通過工作液體在變矩器內部的循環(huán)來實現(xiàn)傳動和變矩。通常鉚焊型液力變矩器葉輪的制造過程如下：將外環(huán)、內環(huán)和葉片3種三維弧面零件通過葉片的支耳進行裝配,再采用輥鉚工藝將支耳壓合,使葉片與內/外環(huán)形成機械鉚接連接成一個整體[2],隨后進行釬焊以實現(xiàn)三者之間的牢固結合與密封。葉片與內/外環(huán)機械鉚接后都會存在一定裝配間隙[3],且不同鉚接處的間隙存在不均勻性,對后續(xù)釬焊的影響較大。研究鉚接間隙對釬焊效果的影響,并獲得合理的間隙范圍值,對確保釬焊質量和指導制定鉚焊型液力變矩器的成形工藝意義重大。
近年來,國內外學者研究了鐵基合金釬縫間隙對銅釬焊接頭焊接性、填充成形性、力學性能、釬焊界面冶金過程和耐腐蝕性能等方面的影響。GóRKA等[4]采用CuSi3Mn1合金釬料對DC04鋼開展釬焊試驗,發(fā)現(xiàn)釬縫間隙控制在0.4~0.7mm時可以獲得高質量釬焊接頭,接頭強度和耐蝕性較好。羅意等[5-7]研究發(fā)現(xiàn)：當釬縫間隙在0.5~0.8mm時,接頭間隙內的釬劑和氣體無法充分排除,熔融釬料難以進入釬縫,導致釬焊接頭出現(xiàn)明顯夾氣和夾渣問題,從而降低接頭強度；當釬縫間隙過大（1.5~1.8mm）時,接頭處的釬焊毛細作用減弱,導致釬料無法充滿整個間隙,接頭成形不佳,力學性能差。SUN等[8-9]研究發(fā)現(xiàn),合理的間隙能夠顯著減少釬縫中金屬間化合物的數(shù)量,從而提高釬焊接頭的剪切強度。楊青松等[10]研究發(fā)現(xiàn),釬料與母材中的合金元素會形成固溶體、共晶或金屬間化合物等多種組織,有助于形成穩(wěn)定的釬焊接頭,并且提出釬料與待焊材料的釬焊匹配性是首要考慮因素,對釬焊接頭的力學性能影響顯著。
目前,在低碳鋼液力變矩器鉚接結構的釬焊方面還缺乏針對釬縫間隙影響的研究和相應的工藝規(guī)范。作者以液力變矩器葉輪常用的10鋼為待焊材料,以高純紫銅焊條為焊接材料,通過設計等效焊接接頭開展釬焊試驗,研究釬縫間隙對釬焊接頭成形性、顯微組織和力學性能的影響,以期獲得較為合理的葉片-內環(huán)-外環(huán)釬縫間隙,為輥鉚工藝提供質量評價標準。
1. 試樣制備與試驗方法
待焊母材為退火態(tài)10鋼板,化學成分（質量分數(shù)/%,下同）為0.12C,0.21Si,0.43Mn,0.03S,0.02P,0.12Cr,0.10Ni,余Fe；釬料為高純紫銅焊條,純度為99.9%,直徑為6mm；焊膏為ZY-GTCu-A3型銅焊膏,由質量分數(shù)為85%~90%的銅銀合金焊料粉末（銀質量分數(shù)為3%,熔點為1083℃）、質量分數(shù)為10%~15%的糊狀助焊劑和添加劑混合而成,銅焊膏的化學成分為≥99.7（Cu+Ag）,≤0.01Bi,≤0.01Pb,≤0.3其他。
針對葉輪釬焊的實際工況分別設計母材尺寸為50mm×30mm×1.4mm的搭接、對接等效焊接試樣（如圖1所示）來開展釬焊試驗。
釬焊前,采用LQ-SC-CSB-1型超聲波清洗機,用60~75℃、體積比為80∶1的水和脫脂劑混合溶液（pH為10~13）對母材進行2次除重油前處理,超聲波功率為3000W,電流在5~10A；再使用體積比為80∶1∶4的水、脫脂劑和水性防銹劑混合溶液（pH為9~11）進行2次超聲波脫脂,使用體積比為80∶4的水和水性防銹劑混合溶劑（pH為8~10）進行超聲波漂洗2遍,最后在30~60℃下進行真空干燥。
用塞尺片置于母材之間,將釬縫間隙分別控制在0.05,0.10,0.15,0.20,0.30,0.35,0.50,0.60,1.00mm,再用夾具固定,采用氬弧焊在試樣兩側端部進行點焊固定,隨后將塞尺片抽出。將銅焊條裹覆銅焊膏后,置于釬縫間隙處,放入RCWE12-45X680X25型連續(xù)式保護氣氛釬焊爐進行釬焊,保護氣體為氨氣,釬焊溫度為（1110±5）℃,保溫時間為70min,隨爐冷卻。
在垂直于釬縫的接頭截面上切取金相試樣,用800#,1000#,2000#砂紙逐級打磨后,用剛玉拋光膏搭配尼龍布進行拋光,隨后用體積分數(shù)4%硝酸乙醇溶液腐蝕母材,用三氯化鐵鹽酸乙醇溶液（5g FeCl3+5mL HCl+95mL乙醇）腐蝕釬縫,腐蝕時間均為5s,采用ZEISS Axiovert 40 MAT型光學顯微鏡（OM）觀察顯微組織。采用TESCAN MIRA4型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察顯微組織,用附帶的?AZtec Energy型能譜儀（EDS）進行微區(qū)成分分析。
根據(jù)GB/T 228.1—2021《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》,用線切割在釬焊接頭中間部位加工出尺寸為100mm×10mm×1.4mm的非標準拉伸試樣（釬縫位于試樣中心）,采用Instron 3369型萬能試驗機進行拉伸試驗,拉伸速度為2mm·min−1,記錄拉斷時的最大拉力,測3個平行試樣取平均值。
2. 試驗結果與討論
2.1 釬縫成形性
由圖2可知,釬縫間隙對釬縫成形影響大。當釬縫間隙較小（小于0.10mm）時,釬料無法充分吸附到縫隙中,造成局部浸潤不良；當釬縫間隙為0.10~0.30mm時,對接和搭接接頭釬縫間隙均填充飽滿,釬縫表面成形良好,釬縫無肉眼可見的孔洞等缺陷；當釬縫間隙過大（搭接接頭大于0.30mm、對接接頭大于0.50mm）時,釬縫間隙填充不滿或成形不良,無法形成連續(xù)的釬縫,這是由于過大的釬縫間隙使得熔化的釬料在流入釬縫間隙后,難以完整鋪展或形成坍塌,無法形成致密的釬縫。
圖 2不同釬縫間隙釬焊搭接和對接接頭的釬縫宏觀形貌
Figure 2.Brazing seam macromorphology of brazed lap joint (a) and butt joint (b) with different brazing seam gaps
2.2 界面顯微組織
由圖3可見,對接接頭釬縫與母材界面平整、清晰,無氣孔、夾雜物、裂紋和未釬滿等缺陷。不同釬縫間隙對接接頭的釬縫組織均為粗大銅單相晶粒,主要由釬料在釬焊熔化后冷卻凝固形成,呈典型的鑄態(tài)組織形態(tài)；10鋼母材組織主要為珠光體和鐵素體,釬縫附近母材的顯微組織未被破壞；近界面釬縫中可見“孤島狀”彌散分布的黑色點狀顆粒,近界面母材中鐵晶粒的晶界加厚（圖中界面附近的深色晶界）。
圖 3不同釬縫間隙釬焊對接接頭的OM形貌
Figure 3.OM morphology of brazed butt joints with different brazing seam gaps: (a, c, e, g) at low magnification and (b, d, f, h) at high magnification
由圖4可見,母材與釬縫的界面清晰。
圖 4釬縫間隙為0.10mm時釬焊對接接頭的SEM形貌
Figure 4.SEM morphology of brazed butt joint with brazing seam gap of 0.10mm: (a) at low magnification and (b) at high magnification
由圖5可見,釬料中的銅元素與母材中的鐵元素發(fā)生互擴散。母材中的鐵在界面處向釬料內部擴散并且部分固溶,形成濃度梯度,擴散深度約為19μm；釬料中的銅向母材中擴散形成濃度梯度,擴散深度約為15μm。
圖 5釬縫間隙為0.10mm的釬焊對接接頭EDS線掃描位置及結果
Figure 5.EDS line scanning position (a) and results (b) of brazed butt joint with brazing seam gap of 0.10mm
由Fe-Cu二元合金相圖[11]可知：鐵與銅在液態(tài)時無限互溶,在固態(tài)下有限互溶,且不會形成金屬間化合物；銅固溶在鐵中形成σ相,鐵固溶在銅中形成ε相,均為置換固溶體。在1110℃釬焊溫度下,銅在鐵中的固溶度約為8.3%,鐵在銅中的固溶度約為4.0%。在釬焊加熱過程中,由于擴散能力更強,液態(tài)銅向10鋼母材中不斷滲入,鐵向銅液體中逐漸溶解；在冷卻過程中銅凝固結晶,界面處兩種固溶體的固溶度均隨溫度降低而逐漸下降,近界面母材和釬縫中分別析出銅和鐵[11]。由于鐵在銅中的固溶度更低,釬縫中鐵以顆粒形式析出；而母材中還存在碳元素,銅元素滲入后可在晶界處形成Fe-Cu-C三元共晶相[12]。經(jīng)歷釬料熔化、元素擴散、冷卻析出過程后,鄰近界面釬縫中的單質鐵以“孤島狀”彌散顆粒存在,起到彌散強化作用,而母材中晶界上析出Fe-Cu-C三元共晶相,使晶界加厚,起到晶界強化作用,同時還形成了Fe-Cu固溶體,起到固溶強化作用。
2.3 力學性能
由圖6可知：當釬縫間隙為0.10mm時,對接接頭的抗拉強度為318MPa,拉伸試樣在釬縫處斷裂；當釬縫間隙增大到0.15~0.30mm時,接頭抗拉強度較高,強度差異較小,在324~345MPa,試樣在母材處斷裂；釬縫間隙進一步增大至0.35mm及以上時,對接接頭抗拉強度下降顯著,斷裂位置轉為釬縫,當釬縫間隙在0.60~1.00mm時接頭抗拉強度不高于290MPa。
圖 6釬焊對接接頭的抗拉強度隨釬縫間隙的變化曲線
Figure 6.Curve of tensile strength vs brazing seam gap of brazed butt joint
拉伸斷裂后試樣均未觀察到界面撕裂現(xiàn)象,這可能是因為在冷卻過程中,界面附近形成了σ及ε固溶體,鄰近界面釬縫中析出彌散分布的鐵顆粒,母材中形成的Fe-Cu-C三元共晶相強化了晶界。當釬縫間隙在0.15~0.30mm時,釬縫成形飽滿,界面強度高,母材側在釬焊過程經(jīng)歷了類似于退火的過程,強度降低,因此拉伸時試樣在母材處斷裂；當釬縫間隙過大（大于0.50mm）時,釬料無法充分填充釬縫間隙并發(fā)生坍塌,無法形成飽滿的釬縫而留下孔洞,因此拉伸時釬縫容易斷裂。
綜上所述,10鋼銅釬焊的釬縫間隙在0.10~0.30mm,銅釬料浸潤順暢、釬縫成形好；當釬縫間隙為0.15~0.30mm時,接頭抗拉強度高。為了同時確保葉輪葉片良好的密封性和接頭強度,在液力變矩器葉輪進行機械鉚接時將釬縫間隙控制在0.15~0.30mm較為適宜。
3. 渦輪釬焊應用驗證
以實際機械鉚接渦輪為研究對象,開展了實物釬焊試驗來進一步驗證釬縫間隙對釬縫成形性的影響。采用撥倒-輥壓工藝試制了渦輪輥鉚總成,釬焊位置為渦輪葉片支耳與內/外環(huán)的鉚接處,并采用前述釬焊工藝參數(shù),獲得了如圖7所示的釬焊總成。可見大部分支耳鉚接位置的釬縫成形良好,但仍有部分區(qū)域存在釬縫不飽滿或未形成完整釬縫的情況,這與支耳鉚接后與內/外環(huán)表面的貼合間隙有關。
圖 7輥鉚型渦輪總成宏觀形貌
Figure 7.Macromorphology of roller riveting turbine assembly: (a) inner surface and (b) outer surface
測量并記錄了支耳鉚接后葉片與內環(huán)和外環(huán)的實際間隙,研究了釬焊后釬縫成形情況。由圖8可見：當葉片支耳與渦輪外環(huán)的間隙為0.082mm時,釬料無法充分浸潤縫隙,釬焊效果不佳；當間隙在0.158~0.317mm時,葉片支耳與渦輪外環(huán)形成良好的釬焊接頭,釬縫成形飽滿,釬焊效果良好；當間隙為0.555mm時,釬焊效果不佳,釬縫不飽滿；當間隙大于1.000mm時,葉片支耳完全不能通過釬焊的方法與外環(huán)連接成一個整體,這將影響變矩器總成的密封性。實物釬焊試驗的結果驗證了前述等效焊接試驗結論,渦輪總成輥鉚加工時,應嚴格控制葉片與渦輪內/外環(huán)的間隙在0.15~0.30mm,確保釬焊后支耳與內/外環(huán)能夠形成良好的接頭,從而保證變矩器的性能。
圖 8不同葉片支耳與渦輪外環(huán)鉚接間隙下釬焊接頭的宏觀形貌
Figure 8.Macromorphology of brazed joint under different riveting gaps between blade lug and turbine outer ring
4. 結論
（1）當釬縫間隙在0.10~0.30mm時,釬縫成形性良好；當釬縫間隙較小（小于0.10mm）時,釬料無法充分吸附到釬縫間隙中,造成局部浸潤不良；當釬縫間隙過大（大于0.50mm）時,釬料熔化后坍塌,縫隙填充不滿,無法形成連續(xù)的釬縫。
（2）在釬焊過程中,10鋼母材和銅釬料間發(fā)生鐵和銅元素的互擴散,母材的鐵元素向釬縫中擴散,釬縫中的銅沿晶界向母材中擴散,使得鄰近界面的釬縫中析出彌散分布的鐵顆粒,鄰近界面的母材中晶界加厚。
（3）當釬縫間隙在0.15~0.30mm時,釬焊接頭的抗拉強度較高,在324~345MPa；當釬縫間隙大于0.30mm后,接頭抗拉強度下降,尤其是當間隙在0.60~1.00 mm時,抗拉強度不高于290MPa。拉伸斷裂后試樣中均未觀察到界面撕裂現(xiàn)象。綜合考慮釬焊成形性和接頭強度,采用高純紫銅焊條釬焊10鋼的釬縫間隙宜保持在0.15~0.30mm。
文章來源——材料與測試網(wǎng)