分享：钎缝间隙对10钢钎焊接头显微组织与力学性能的影响

0.   引言

液力变矩器是车辆、工程机械、矿山机械等极其重要的液力传动部件[1],由涡轮、泵轮和导轮等叶轮总成组合而成,通过工作液体在变矩器内部的循环来实现传动和变矩。通常铆焊型液力变矩器叶轮的制造过程如下：将外环、内环和叶片3种三维弧面零件通过叶片的支耳进行装配,再采用辊铆工艺将支耳压合,使叶片与内/外环形成机械铆接连接成一个整体[2],随后进行钎焊以实现三者之间的牢固结合与密封。叶片与内/外环机械铆接后都会存在一定装配间隙[3],且不同铆接处的间隙存在不均匀性,对后续钎焊的影响较大。研究铆接间隙对钎焊效果的影响,并获得合理的间隙范围值,对确保钎焊质量和指导制定铆焊型液力变矩器的成形工艺意义重大。 

近年来,国内外学者研究了铁基合金钎缝间隙对铜钎焊接头焊接性、填充成形性、力学性能、钎焊界面冶金过程和耐腐蚀性能等方面的影响。GóRKA等[4]采用CuSi3Mn1合金钎料对DC04钢开展钎焊试验,发现钎缝间隙控制在0.4~0.7 mm时可以获得高质量钎焊接头,接头强度和耐蚀性较好。罗意等[5-7]研究发现：当钎缝间隙在0.5~0.8 mm时,接头间隙内的钎剂和气体无法充分排除,熔融钎料难以进入钎缝,导致钎焊接头出现明显夹气和夹渣问题,从而降低接头强度；当钎缝间隙过大（1.5~1.8 mm）时,接头处的钎焊毛细作用减弱,导致钎料无法充满整个间隙,接头成形不佳,力学性能差。SUN等[8-9]研究发现,合理的间隙能够显著减少钎缝中金属间化合物的数量,从而提高钎焊接头的剪切强度。杨青松等[10]研究发现,钎料与母材中的合金元素会形成固溶体、共晶或金属间化合物等多种组织,有助于形成稳定的钎焊接头,并且提出钎料与待焊材料的钎焊匹配性是首要考虑因素,对钎焊接头的力学性能影响显著。 

目前,在低碳钢液力变矩器铆接结构的钎焊方面还缺乏针对钎缝间隙影响的研究和相应的工艺规范。作者以液力变矩器叶轮常用的10钢为待焊材料,以高纯紫铜焊条为焊接材料,通过设计等效焊接接头开展钎焊试验,研究钎缝间隙对钎焊接头成形性、显微组织和力学性能的影响,以期获得较为合理的叶片-内环-外环钎缝间隙,为辊铆工艺提供质量评价标准。 

1.   试样制备与试验方法

待焊母材为退火态10钢板,化学成分（质量分数/%,下同）为0.12C,0.21Si,0.43Mn,0.03S,0.02P,0.12Cr,0.10Ni,余Fe；钎料为高纯紫铜焊条,纯度为99.9%,直径为6 mm；焊膏为ZY-GTCu-A3型铜焊膏,由质量分数为85%~90%的铜银合金焊料粉末（银质量分数为3%,熔点为1 083 ℃）、质量分数为10%~15%的糊状助焊剂和添加剂混合而成,铜焊膏的化学成分为≥99.7（Cu+Ag）,≤0.01Bi,≤0.01Pb,≤0.3其他。 

针对叶轮钎焊的实际工况分别设计母材尺寸为50 mm×30 mm×1.4 mm的搭接、对接等效焊接试样（如图1所示）来开展钎焊试验。 

图  1  对接和搭接接头试样示意

Figure  1.  Schematic of butt joint (a) and lap joint (b) samples

钎焊前,采用LQ-SC-CSB-1型超声波清洗机,用60~75 ℃、体积比为80∶1的水和脱脂剂混合溶液（pH为10~13）对母材进行2次除重油前处理,超声波功率为3 000 W,电流在5~10 A；再使用体积比为80∶1∶4的水、脱脂剂和水性防锈剂混合溶液（pH为9~11）进行2次超声波脱脂,使用体积比为80∶4的水和水性防锈剂混合溶剂（pH为8~10）进行超声波漂洗2遍,最后在30~60 ℃下进行真空干燥。 

用塞尺片置于母材之间,将钎缝间隙分别控制在0.05,0.10,0.15,0.20,0.30,0.35,0.50,0.60,1.00 mm,再用夹具固定,采用氩弧焊在试样两侧端部进行点焊固定,随后将塞尺片抽出。将铜焊条裹覆铜焊膏后,置于钎缝间隙处,放入RCWE12-45X680X25型连续式保护气氛钎焊炉进行钎焊,保护气体为氨气,钎焊温度为（1 110±5） ℃,保温时间为70 min,随炉冷却。 

在垂直于钎缝的接头截面上切取金相试样,用800#,1000#,2000#砂纸逐级打磨后,用刚玉抛光膏搭配尼龙布进行抛光,随后用体积分数4%硝酸乙醇溶液腐蚀母材,用三氯化铁盐酸乙醇溶液（5g FeCl3+5 mL HCl+95 mL乙醇）腐蚀钎缝,腐蚀时间均为5 s,采用ZEISS Axiovert 40 MAT型光学显微镜（OM）观察显微组织。采用TESCAN MIRA4型扫描电子显微镜（SEM）观察显微组织,用附带的?AZtec Energy型能谱仪（EDS）进行微区成分分析。 

根据GB/T 228.1—2021《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》,用线切割在钎焊接头中间部位加工出尺寸为100 mm×10 mm×1.4 mm的非标准拉伸试样（钎缝位于试样中心）,采用Instron 3369型万能试验机进行拉伸试验,拉伸速度为2 mm·min−1,记录拉断时的最大拉力,测3个平行试样取平均值。 

2.   试验结果与讨论

2.1   钎缝成形性

由图2可知,钎缝间隙对钎缝成形影响大。当钎缝间隙较小（小于0.10 mm）时,钎料无法充分吸附到缝隙中,造成局部浸润不良；当钎缝间隙为0.10~0.30 mm时,对接和搭接接头钎缝间隙均填充饱满,钎缝表面成形良好,钎缝无肉眼可见的孔洞等缺陷；当钎缝间隙过大（搭接接头大于0.30 mm、对接接头大于0.50 mm）时,钎缝间隙填充不满或成形不良,无法形成连续的钎缝,这是由于过大的钎缝间隙使得熔化的钎料在流入钎缝间隙后,难以完整铺展或形成坍塌,无法形成致密的钎缝。 

图  2  不同钎缝间隙钎焊搭接和对接接头的钎缝宏观形貌

Figure  2.  Brazing seam macromorphology of brazed lap joint (a) and butt joint (b) with different brazing seam gaps

2.2   界面显微组织

由图3可见,对接接头钎缝与母材界面平整、清晰,无气孔、夹杂物、裂纹和未钎满等缺陷。不同钎缝间隙对接接头的钎缝组织均为粗大铜单相晶粒,主要由钎料在钎焊熔化后冷却凝固形成,呈典型的铸态组织形态；10钢母材组织主要为珠光体和铁素体,钎缝附近母材的显微组织未被破坏；近界面钎缝中可见“孤岛状”弥散分布的黑色点状颗粒,近界面母材中铁晶粒的晶界加厚（图中界面附近的深色晶界）。 

图  3  不同钎缝间隙钎焊对接接头的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

由图4可见,母材与钎缝的界面清晰。 

图  4  钎缝间隙为0.10 mm时钎焊对接接头的SEM形貌

Figure  4.  SEM morphology of brazed butt joint with brazing seam gap of 0.10 mm: (a) at low magnification and (b) at high magnification

由图5可见,钎料中的铜元素与母材中的铁元素发生互扩散。母材中的铁在界面处向钎料内部扩散并且部分固溶,形成浓度梯度,扩散深度约为19 μm；钎料中的铜向母材中扩散形成浓度梯度,扩散深度约为15 μm。 

图  5  钎缝间隙为0.10 mm的钎焊对接接头EDS线扫描位置及结果

Figure  5.  EDS line scanning position (a) and results (b) of brazed butt joint with brazing seam gap of 0.10 mm

由Fe-Cu二元合金相图[11]可知：铁与铜在液态时无限互溶,在固态下有限互溶,且不会形成金属间化合物；铜固溶在铁中形成σ相,铁固溶在铜中形成ε相,均为置换固溶体。在1 110 ℃钎焊温度下,铜在铁中的固溶度约为8.3%,铁在铜中的固溶度约为4.0%。在钎焊加热过程中,由于扩散能力更强,液态铜向10钢母材中不断渗入,铁向铜液体中逐渐溶解；在冷却过程中铜凝固结晶,界面处两种固溶体的固溶度均随温度降低而逐渐下降,近界面母材和钎缝中分别析出铜和铁[11]。由于铁在铜中的固溶度更低,钎缝中铁以颗粒形式析出；而母材中还存在碳元素,铜元素渗入后可在晶界处形成Fe-Cu-C三元共晶相[12]。经历钎料熔化、元素扩散、冷却析出过程后,邻近界面钎缝中的单质铁以“孤岛状”弥散颗粒存在,起到弥散强化作用,而母材中晶界上析出Fe-Cu-C三元共晶相,使晶界加厚,起到晶界强化作用,同时还形成了Fe-Cu固溶体,起到固溶强化作用。 

2.3   力学性能

由图6可知：当钎缝间隙为0.10 mm时,对接接头的抗拉强度为318 MPa,拉伸试样在钎缝处断裂；当钎缝间隙增大到0.15~0.30 mm时,接头抗拉强度较高,强度差异较小,在324~345 MPa,试样在母材处断裂；钎缝间隙进一步增大至0.35 mm及以上时,对接接头抗拉强度下降显著,断裂位置转为钎缝,当钎缝间隙在0.60~1.00 mm时接头抗拉强度不高于290 MPa。 

图  6  钎焊对接接头的抗拉强度随钎缝间隙的变化曲线

Figure  6.  Curve of tensile strength vs brazing seam gap of brazed butt joint

拉伸断裂后试样均未观察到界面撕裂现象,这可能是因为在冷却过程中,界面附近形成了σ及ε固溶体,邻近界面钎缝中析出弥散分布的铁颗粒,母材中形成的Fe-Cu-C三元共晶相强化了晶界。当钎缝间隙在0.15~0.30 mm时,钎缝成形饱满,界面强度高,母材侧在钎焊过程经历了类似于退火的过程,强度降低,因此拉伸时试样在母材处断裂；当钎缝间隙过大（大于0.50 mm）时,钎料无法充分填充钎缝间隙并发生坍塌,无法形成饱满的钎缝而留下孔洞,因此拉伸时钎缝容易断裂。 

综上所述,10钢铜钎焊的钎缝间隙在0.10~0.30 mm,铜钎料浸润顺畅、钎缝成形好；当钎缝间隙为0.15~0.30 mm时,接头抗拉强度高。为了同时确保叶轮叶片良好的密封性和接头强度,在液力变矩器叶轮进行机械铆接时将钎缝间隙控制在0.15~0.30 mm较为适宜。 

3.   涡轮钎焊应用验证

以实际机械铆接涡轮为研究对象,开展了实物钎焊试验来进一步验证钎缝间隙对钎缝成形性的影响。采用拨倒-辊压工艺试制了涡轮辊铆总成,钎焊位置为涡轮叶片支耳与内/外环的铆接处,并采用前述钎焊工艺参数,获得了如图7所示的钎焊总成。可见大部分支耳铆接位置的钎缝成形良好,但仍有部分区域存在钎缝不饱满或未形成完整钎缝的情况,这与支耳铆接后与内/外环表面的贴合间隙有关。 

图  7  辊铆型涡轮总成宏观形貌

Figure  7.  Macromorphology of roller riveting turbine assembly: (a) inner surface and (b) outer surface

测量并记录了支耳铆接后叶片与内环和外环的实际间隙,研究了钎焊后钎缝成形情况。由图8可见：当叶片支耳与涡轮外环的间隙为0.082 mm时,钎料无法充分浸润缝隙,钎焊效果不佳；当间隙在0.158~0.317 mm时,叶片支耳与涡轮外环形成良好的钎焊接头,钎缝成形饱满,钎焊效果良好；当间隙为0.555 mm时,钎焊效果不佳,钎缝不饱满；当间隙大于1.000 mm时,叶片支耳完全不能通过钎焊的方法与外环连接成一个整体,这将影响变矩器总成的密封性。实物钎焊试验的结果验证了前述等效焊接试验结论,涡轮总成辊铆加工时,应严格控制叶片与涡轮内/外环的间隙在0.15~0.30 mm,确保钎焊后支耳与内/外环能够形成良好的接头,从而保证变矩器的性能。 

图  8  不同叶片支耳与涡轮外环铆接间隙下钎焊接头的宏观形貌

Figure  8.  Macromorphology of brazed joint under different riveting gaps between blade lug and turbine outer ring

4.   结论

（1）当钎缝间隙在0.10~0.30 mm时,钎缝成形性良好；当钎缝间隙较小（小于0.10 mm）时,钎料无法充分吸附到钎缝间隙中,造成局部浸润不良；当钎缝间隙过大（大于0.50 mm）时,钎料熔化后坍塌,缝隙填充不满,无法形成连续的钎缝。 

（2）在钎焊过程中,10钢母材和铜钎料间发生铁和铜元素的互扩散,母材的铁元素向钎缝中扩散,钎缝中的铜沿晶界向母材中扩散,使得邻近界面的钎缝中析出弥散分布的铁颗粒,邻近界面的母材中晶界加厚。 

（3）当钎缝间隙在0.15~0.30 mm时,钎焊接头的抗拉强度较高,在324~345 MPa；当钎缝间隙大于0.30 mm后,接头抗拉强度下降,尤其是当间隙在0.60~1.00 mm时,抗拉强度不高于290 MPa。拉伸断裂后试样中均未观察到界面撕裂现象。综合考虑钎焊成形性和接头强度,采用高纯紫铜焊条钎焊10钢的钎缝间隙宜保持在0.15~0.30 mm。

文章来源——材料与测试网